MMC Magazine

Ein wesentlicher Beitrag zu der stabilen Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien

Schneidwerkzeuge sind wie Menschen, die hinter den Kulissen arbeiten. Sie arbeiten außerhalb des Rampenlichts daran, Fortschritte industrieller Produkte permanent zu unterstützen. Dieser Fortschritt hat einige wesentliche Meilensteine erreicht. Schneidwerkzeugmaterialien haben sich vom Hochleistungsschnellarbeitsstahl – auf Japanisch Haisu –, der Ende des 19. Jahrhunderts eingeführt wurde, zu Hartmetall weiterentwickelt. Sehr viel später wurde dann das Beschichtungsverfahren entwickelt. Dies stellte einen wesentlichen Fortschritt dar, weil die Oberfläche des Hartmetalls mit einer sehr harten und dünnen Keramikschicht beschichtet wurde. Wir befragten Mitarbeiter des Innovation Center (vormals Central Research Institute) zur technischen Entwicklung, die zu Hartmetallwerkzeugen unter Verwendung des CVD-Verfahrens geführt hat. 

EINBLICK

Was ist die CVD-Beschichtungstechnologie?

Die Beschichtung durch chemisches Aufdampfen (CVD) ist ein Prozess, bei dem Gasmischungen auf 800 bis 1100 Grad Celsius erhitzt werden, um Hartkeramik auf die Oberfläche des Hartmetalls aufzudampfen. Zuerst wurde Titancarbon (TiC) als Beschichtungsmaterial entwickelt. Darauf folgten Titannitrid (TiN), Titancarbonnitrid (TiCN), Aluminiumoxid (Al2O3) und andere. Aktuell entwickeln sich mehrlagige Beschichtungstechnologien mit aneinander haftenden Lagen schnell weiter und sind mittlerweile ein wichtiger Trend. 

Eigenschaften der CVD-Beschichtung 
• Verbesserung der Haftung und der Kristallausrichtungskontrolltechnologie und dramatische Verbesserung der Stabilität und Verschleißfestigkeit
• Wesentliche Verbesserung der Temperaturstabilität und Verschleißfestigkeit für das Hochgeschwindigkeitsdrehen 
• Erreichen zuverlässiger Zerspanungsprozesse für eine größere Vielfalt an Bearbeitungen

Teil 1 : 1970~

Entwicklung von Massenproduktionstechnologie mithilfe der Dekompressionsbeschichtung

1969 wurde das weltweit erste CVD beschichtete Hartmetallwerkzeug vorgestellt. CVD beschichtete Werkzeuge werden durch die Beschichtung der Oberfläche von Hartmetallwerkzeugen mit einer sehr harten und dünnen Keramikfilmschicht hergestellt. Das erste CVD-Werkzeug wurde von WIDIA, einem alteingesessenen deutschen Hartmetallhersteller in Westdeutschland, auf den Markt gebracht. Einige Monate später begann der schwedische Hersteller Sandvik ebenfalls mit dem Verkauf CVD-beschichteter Werkzeuge.

In den 1970er Jahren führten mehrere Hersteller CVD-Werkzeuge mit einer Al2O3-Lage auf einer TiC-Beschichtung ein. Diese waren die Vorgänger der heutigen mehrlagigen CVD-Beschichtung. 

Mitsubishi Materials begann in den späten 1960er Jahren ebenfalls im Bereich der Beschichtungen zu forschen und arbeitete an der Entwicklung der CVD-Technologie in dem ehemaligen Werk in Tokio in Shinagawa und dem ehemaligen Central Research Institute in Omiya. Basierend auf den Ergebnissen dieser Forschung und Entwicklung führte Mitsubishi Materials 1971 CVD beschichtete Werkzeuge ein.

Mitsubishi Materials forschte zuerst separat im Bereich der Beschichtungstechnologie für TiC und Al2O3 und erweiterte die Forschung dann auf die Hafttechnologie, um diese beiden unterschiedlichen Schichten zu verbinden. Diese Hafttechnologie führte zu der Entwicklung von Tough-Grip und Super Tough-Grip. Zwischenzeitlich begann das Unternehmen auch mit der Entwicklung der Massenproduktionstechnologie. 

Die Beschichtung wurde zunächst unter erhöhtem atmosphärischem Druck durchgeführt. Die Diffusion von Gaskomponenten wird theoretisch unter Dekompressionsbedingungen beschleunigt, sodass eine Beschichtung in hoher Qualität aufgebracht werden kann. Das Unternehmen ermöglichte die Massenproduktionstechnologie durch die Entwicklung hervorragender Anlagen und der Technologie der Dekompressionsverarbeitung.

Es arbeitete Mitte der 1970er Jahre an einer mehrlagigen Beschichtung mithilfe der Hafttechnologie. Ti-Verbindungen mit hoher Verschleißfestigkeit und die mehrlagige Struktur des chemisch stabilen Al2O3 erfüllten die Voraussetzungen für eine gut ausgewogene Bearbeitung. Forschungen zur hochfesten Haftung dieser beiden Lagen bestätigten, dass die Anwendung der TiCO-Lage als mittlere Lage die Haftung maximiert. Das Unternehmen entwickelte die Sorte U77 auf der Grundlage dieser Technologie im Jahr 1977. 

Teil 2 : 1980~

Technologieentwicklung zur Vermeidung von Kobaltdiffusion zur weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit.

Die nächste Aufgabe bestand darin, die Diffusion von in Substraten enthaltenem Kobalt zu vermeiden. Die CVD-Verarbeitung bei 1000 Grad Celsius führt zu Kobaltdiffusion. Diffundiertes Kobalt aus Substraten dringt in die darüber liegende TiCN-Schicht ein und die Keramikschicht wird zu einem Verbundmaterial, das aus Keramik und metallischen Materialien besteht (Cermet), wodurch die Verschleißfestigkeit reduziert wird.

Um dieses Problem zu lösen, haben wir eine Barrierentechnologie entwickelt, die die Kobaltdiffusion verhindert. Es ist ein neues Verfahren der Verwendung des hochaktiven Gases Acetonitril (CH3CN). Als hochaktives Gas kann CH3CN-Beschichtungen bei um etwa 100 Grad Celsius niedrigeren Temperaturen als CH4-Gase produzieren. Die geringe Temperatur reduziert die Kobaltdiffusion aus Substraten erheblich. Dies ermöglicht eine TiCN-Schicht mit hoher Kristallinität und einer säulenartigen Struktur zu erzeugen. Dieses Verfahren gilt auch heute, 30 Jahre nach seiner Entwicklung, als Standardtechnologie.

Die Hauptprodukte, die diese Technologie verwenden, sind die 1992 eingeführten UC6010- und UC6025-Serien. Aufgrund der herausragenden Technologie erfreuten sich beide Produkte auch noch nach 
2000 großer Beliebtheit.

Teil 3 : 1990~

Entwicklung eines neuen Fertigungsverfahrens als Antwort auf die Anforderungen der Hochgeschwindigkeits- und hocheffizienten Verarbeitung in Anlehnung an die patentierte Technologie eines Konkurrenten.

Mitsubishi Materials konzentrierte sich in den 1990er Jahren auf die Entwicklung von Technologien zur Erzeugung einer dicken Al2O3-Beschichtung. Die Al2O3-Schicht wird durch die Reaktion von AlCl3 und H2O infolge der Gasphasen-Reaktion zwischen H2 und CO2 erzeugt. Die Geschwindigkeit der Al2O3-Produktion ist jedoch äußerst hoch, sodass es extrem schwer ist, eine Beschichtung mit gleichmäßiger Qualität zu erzeugen. 

Im Zuge der zunehmenden Forderung nach hocheffizienter Hochgeschwindigkeitsbearbeitung am Markt wurden auch immer mehr Beschichtungen mit dickem Al2O3 erforderlich. Zu dieser Zeit bestand eine Methode, eine extrem kleine Menge H2S zu Reaktionsgasen hinzuzufügen, um eine dicke Beschichtung mit gleichmäßiger Qualität zu produzieren. Da diese Technologie jedoch von einem ausländischen Konkurrenten patentiert war, musste Mitsubishi Materials ein neues Verfahren entwickeln. 

Hierzu führten wir wiederholte Tests mit zahlreichen verschiedenen Gasen durch und erforschten gleichzeitig den Mechanismus dicker Beschichtungen. Es gelang uns schließlich, eine gleichmäßige Qualität zu erzielen, die mit der durch die Hinzugabe von H2S (patentiert durch den Konkurrenten) vergleichbar war, indem wir NO als Sauerstoffquelle in einer Inertgasatmosphäre verwendeten.

Teil 4 : 2000~

Das Ziel: die Entwicklung härterer, robusterer Schneidwerkzeuge mit höherer Verschleißfestigkeit.

Anfang des 21. Jahrhunderts befasste sich Mitsubishi Materials mit der Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Al2O3-Schicht. Während der thermischen Umwandlung von k-Al2O3 in eine metastabile Phase bei 1050 Grad Celsius entsteht α-Al2O3 in einer stabilen Phase. Wir stellten fest, dass dieses α-Al2O3 eine hervorragende Verschleißfestigkeit aufweist. Ausgehend von dieser Entdeckung entwickelten wir eine Technologie zur Bildung einer Beschichtung durch die Kontrolle des Wachstums von α-Al2O3 in Richtung der C-Achse. Wir arbeiteten an der Entwicklung einer Technologie, die Kristalle natürlich ausrichtet, um die Härte zu verbessern. Hieraus entstand die Nano-Texture-Technologie, die später zur Super-Nano-Texture-Technologie weiterentwickelt wurde.

Gleichzeitig wurden die Arbeiten an der Entwicklung einer Technologie zur Verlängerung der Werkzeuglebensdauer durch Erhöhung der Dicke von Al2O3, um die Dicke von Beschichtungen zu erhöhen, fortgeführt. Das Patent, das wir für eine Reihe solcher Al2O3-Beschichtungsbildungstechnologien erlangten, führte zu der starken Präsenz von Mitsubishi Materials in der gesamten Industrie bis heute. 

Wir begannen etwa 2010, die Tough-Grip-Technologie zu entwickeln, die die Haftung von TiCN und Al2O3 erhöht. Zuvor hatten wir bereits im Bereich der Hafttechnologie für diese beiden Beschichtungen geforscht und gleichzeitig separat an der Beschichtungstechnologie für TiC und Al2O3 gearbeitet. Bei der CVD-Beschichtung werden verschiedene Materialien in Schichten aufgetragen. Daher muss während der CVD-Beschichtung sehr sorgfältig darauf geachtet werden, feine Schichten auf das Grundmaterial aufzutragen. Die Wärmedehnungskoeffizienten, die sich entsprechend den Materialunterschieden ändern, sind ein wichtiger Punkt. Die Tough-Grip-Technologie verstärkt die Haftfläche der unteren TiCN-Schicht und der oberen Al2O3-Schicht durch die Verfeinerung der Mikrostruktur, was zu einer verbesserten Haftung führt und Ablösung verhindert. 

Teil 5 : Zukunftsvision ~

Die technologische Entwicklung der nächsten vier bis fünf Jahre ist der Schlüssel für die Kommerzialisierung im Jahr 2030.

Unser Ziel ist es, eine alternative Technologie für TiCN zu entwickeln. Die Standard-TiCN-Technologie ist seit mehr als 30 Jahren immer weiter gereift und es wird schwer sein, etwas zu entwickeln, das ihre Leistung übertrifft. Wenn wir andererseits eine neue Technologie entwickeln, werden wir in der Lage sein, uns eine feste Position gegenüber der Konkurrenz in der Industrie zu sichern. Wir haben bereits begonnen, für die Entwicklung neuer Technologien zu forschen. 

Es ist jedoch extrem schwierig, vorherzusagen, wie sich die Situation in 10 Jahren darstellen wird, da es unmöglich ist, sich vorzustellen, welche Art von Bearbeitung in Zukunft angewendet wird. Nach der Spezifikation der erforderlichen Teile für ein fertiges Erzeugnis wie etwa ein Kraftfahrzeug werden die zur Fertigung solcher Teile erforderlichen Werkzeuge bestimmt. 

Im Zuge des Wechsels von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu Elektrofahrzeugen werden wir eine erhebliche Veränderung im Markt der Schneidwerkzeuge erleben. 

Wir werden darüber hinaus die Möglichkeit neuer schwer zu bearbeitender Materialien in Betracht ziehen müssen. Auch bei Halbleitergeräten kann ein Wandel von SiC zu Diamanten stattfinden. Wir müssen uns daher auch mit der Bewältigung dieser Veränderung befassen. Sobald flugfähige Kraftfahrzeuge auf den Markt kommen, müssen wir das Gewicht der Komponenten minimieren. Viele potenzielle Aspekte für die Zukunft sind zu bedenken, einschließlich zukünftiger Komponenten und Schneidwerkzeuge.

Wir unternehmen jeden Tag weitere Schritte, um im Hinblick auf die Probleme, auf die man gestoßen ist, Durchbrüche zu erzielen.

Rückblick auf die Geschichte der CVD-Beschichtungstechnologie.

Oshika:　Wenn ich Aluminium-Bilddaten betrachte, dann aus der Sicht des Aluminiumions. Wenn ich an meine Haut denke, dann aus der Sicht von Kohlendioxid. Denken wir über den Ursprung der zahllosen Kohlenstoffatome in unserer Haut nach. Sie können hunderte Jahre alt oder von Dinosauriern, die vor Millionen von Jahren gelebt haben, weitergegeben worden sein. Wenn ich an das potenzielle Alter des Kohlenstoffs, aus dem sich unser Körper bildet, während ich die Daten betrachte, erwachen Bilder vor meinem 
geistigen Auge zum Leben. 

Okude:　 Der wichtigste Teil meiner Arbeit am Central Research Institute besteht darin, Daten sehr sorgfältig zu beobachten. Wenn sie Fotos von Proben betrachten, bemerken verschiedene Menschen unterschiedliche Dinge. Wenn wir die Daten wirklich gut verstehen und die Unterschiede entdecken, können wir die Richtung unserer Forschung bestimmen. Als Mitarbeiter in einer Führungsposition habe ich das Gefühl, dass die Weitergabe solcher Denk- und Betrachtungsweisen an die nächste Generation ein wichtiger Teil des Technologietransfers ist. Jüngste Verbesserungen von Analysegeräten ermöglichen es uns, Veränderungen zu erkennen, die vorher nicht sichtbar waren. Ich möchte nochmal betonen, wie wichtig es ist, Dinge intensiv zu beobachten und zu prüfen.

Tatsuoka:　Mein wichtigster Gedanke bei der Grundlagenforschung ist der Versuch, in unbekannte Bereiche vorzudringen. Originalität führt zur Entwicklung neuer Technologien und Produkte. Hinsichtlich der CVD-Technologie, deren Geschichte mehr als ein halbes Jahrhundert zurück reicht, nutze ich das angesammelte Wissen, um Neues aus meiner eigenen Perspektive sowie aus einer völlig neuen Sichtweise zu entdecken. Das unterstützende Klima am Central Research Institute bietet mir die Möglichkeit, die Entwicklung neuer Technologien kontinuierlich voranzutreiben.