Bunte Härte für Werkzeugstahl - Verschleißschutz durch Vakuumbogenbeschichtung

Bunte Härte für Werkzeugstahl - Verschleißschutz durch Vakuumbogenbeschichtung

Hartstoffbeschichtung verlängert die Lebensdauer von Werkzeugen. Das verschleißfeste Material wird in Vakuumkammern aufgebracht, die häufig mit Vakuumpumpen von BUSCH verbunden sind.
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Nitride mit individueller Farbgebung

Bohrer sehen heute oft nicht mehr nach Stahl aus, denn ihre Spitzen schillern in exotischen Farben. Bei der optischen Vielfalt geht es jedoch weniger um die Ästhetik als um die Härte. Die Bohrerspitzen sind mit einer Hartstoffschicht überzogen. In der Regel handelt es sich dabei um ein Metallnitrid, und jedes Material hat seine besondere Farbe: Titannitrid glänzt wie Gold, das Hellgelb von Zirkonnitrid erinnert an Limonade und eine Aluminium-Chrom-Verbindung kommt in schickem Blau daher.

Die Beschichtungen finden sich auch auf anderen Werkzeugen sowie auf Maschinenteilen, die starkem Verschleiß ausgesetzt sind. Die Schichtmaterialien haben neben der Farbe jeweils ihre besonderen Eigenschaften in Bezug auf Härte, Temperaturbeständigkeit, Reibungskoeffizient und die mögliche Schichtdicke, meist im Bereich von wenigen Mikrometern. Die Wahl der Beschichtung hängt von der Einsatzart ab. Das hellgelbe Zirkonnitrid etwa wird bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen verwendet.

Ionisierte Gasentladung

Hartbeschichtungen werden in der Regel durch Vakuumbogenbeschichtung aufgebracht, einer Unterart der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD). Der Vakuumbogen ist ein Lichtbogen, also eine hochionisierte Gasentladung, der das benötigte Material durch Verdampfen der Kathode selbst produziert.

Die Kathode besteht aus dem Grundmetall der Beschichtung, die Anode ist das Substrat – also das Werkzeug, das beschichtet werden soll. In einer Vakuumkammer „verbrennt" die Kathode zu einem ionisierten Plasma, das von der Anode angezogen wird. Zum Nitrieren des Metalls wird reiner Stickstoff von außen zugeführt. Das so entstehende Material lagert sich in feinen und fest haftenden Schichten ab. Ein Hochvakuum sorgt dafür, dass der Prozess bei relativ niedrigen Temperaturen um 400 Grad Celsius stattfinden kann und dass die Beschichtung nicht durch andere Stoffe beeinträchtigt wird. Aus der breiten Produktpalette von BUSCH lässt sich das optimale Vakuumsystem für diesen Prozess zusammenstellen.

Unter Härte versteht die Materialwissenschaft den mechanischen Widerstand eines Werkstoffes gegen das mechanische Eindringen eines anderen, härteren Körpers. Härte ist nicht dasselbe wie Festigkeit. Sie bezeichnet die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegenüber Verformung und Trennung.

Ein verbreitetes Verfahren zur Härtemessung besteht darin, eine Pyramide aus Diamant mit einer definierten Kraft auf den Prüfling prallen zu lassen – der Edelstein ist das härteste Material, das wir kennen. Je härter das Material, desto kleiner ist der Abdruck der Pyramide.

Diese Prüfmethode ist nach dem britischen Rüstungsunternehmen Vickers benannt, wo sie entwickelt wurde. Ihre Maßeinheit ist die Vickershärte (HV, engl. VHN = Vickers Hardness Number). Gips hat einen HV-Wert von 1,25. Das Härtespektrum von Stahl bewegt sich zwischen rund 500 und 1000 HV. Durch die Beschichtung mit Metallnitriden kann ein Härtegrad bis ca. 4000 HV erreicht werden. Der HV-Wert von Diamanten liegt bei 10.060.


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