Wo gebohrt, gefräst oder gehobelt wird, da fallen Späne. Und überall wo Späne fallen, wird ein Spanwerkzeug stark beansprucht. In der modernen Fertigungstechnik setzt man normalerweise Werkzeuge ein, die mit einer speziellen Beschichtung überzogen sind, um sie widerstandsfähiger zu machen. An der TU Wien entwickelt man verbesserte Schichtwerkstoffe mit besseren Materialeigenschaften. Dafür ist es notwendig, die Materialien auf atomarer Ebene zu verstehen. Mit Hilfe von quantenphysikalischen Computersimulationen und der eigens entwickelten Schichtanlage „Noreia“ konnten nun neue Beschichtungen hergestellt werden, die Spezialwerkzeuge hitzebeständiger sowie bruchzäher machen. In San Diego (USA) wurde der TU-Forscher Vincent Moraes für diese Arbeiten nun ausgezeichnet.

Keramik für harte Bohrer
„In der spanabhebenden Fertigung sind die Belastungen so hoch, dass selbst Schneidwerkzeuge aus Hartmetall oder Spezialstahl mit einer schützenden Spezialschicht überzogen werden müssen“, erklärt Helmut Riedl vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. Typischerweise verwendet man daher spezielle Keramiken, die in extrem dünnen Schichten im Mikrometerbereich auf das Metall aufgebracht werden.

Diese Keramiken haben sehr gute Materialeigenschaften – allerdings nur bis zu einer bestimmten Maximaltemperatur. Vincent Moraes, der derzeit bei Helmut Riedl in der Forschungsgruppe von Prof. Mayrhofer an seiner Dissertation arbeitet, hat daher eine Vielzahl unterschiedlichster Werkstoffe untersucht, um herauszufinden, ob manche von ihnen (oder eine bestimmte Kombination davon) eine verbesserte thermische Stabilität ermöglichen können, ohne spröde und brüchig zu werden.

Bei der riesengroßen Auswahl an möglichen Materialien wäre es sinnlos, bloß durch Versuch und Irrtum nach den besten Varianten zu suchen. Moraes arbeitete daher mit aufwändigen Computersimulationen, mit denen die Materialeigenschaften am Computer vorhergesagt werden können. Atom für Atom werden die Materialien im Computercode-Paket VASP auf quantenphysikalischer Ebene modelliert, nur die vielversprechendsten Materialien wurden danach tatsächlich hergestellt und analysiert.

Bei der Herstellung dieser speziellen Schichten kam eine ganz besondere, eigens an der TU Wien entwickelte Beschichtungsanlage zum Einsatz: „Noreia“ ist ein Gerät, das einerseits für die wissenschaftliche Grundlagenforschung gedacht ist und ein Maximum an Gestaltungsmöglichkeiten bietet, andererseits aber auch bewusst so dimensioniert wurde, dass die dort entwickelten Beschichtungsverfahren direkt auf industrielle Anwendungen übertragen werden können.

Maximaltemperatur von 850° C auf 1200° C erhöht
„Durch das Zulegieren von Tantal in Dünnschichten aus Wolfram und Bor konnte die thermische Stabilität von 850° C auf über 1200° C erhöht werden“, berichtet Helmut Riedl. Wichtig ist, dass die Bruchzähigkeit – ein Maß für die Sprödigkeit und Formbarkeit des Materials – dadurch nicht verringert wird. Dies ist besonders in Bezug auf die extreme Härte dieser Schichtmaterialien ein Designkriterium (W-Ta-B weist eine Härte von über 40 GPa auf – Diamant im Vergleich 100 GPa).  

„Durch diese neuartigen Schichten eröffnen sich eine Vielzahl von Anwendungsfeldern in der Fertigungstechnik, besonders in Bezug auf Effizienz und Standzeit“, ist Vincent Moraes optimistisch. In der wissenschaftlichen Community stößt die neue Beschichtung bereits auf großes Interesse: Bei der internationalen Konferenz ICMCTF in San Diego (USA) wurde die Arbeit mit dem Graduate-Student-Award in Gold ausgezeichnet – einem sehr angesehenen Preis in der Dünnschicht-Forschungscommunity.

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Kontakt:
Dr. Helmut Riedl
Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43-1-58801-30865
<link>helmut.riedl@tuwien.ac.at

Dipl.-Ing. Vincent Moraes
Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43-1-58801-308100
<link>vincent.moraes@tuwien.ac.at