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Vincent Moraes (l.) und Helmut Riedl an der Beschichtungsanlage.

Neue Werkstoffe aus dem TU-Computer

02.12.2018

Beschichtungen von Werkzeugen müssen extremen Bedingungen standhalten. An der TU Wien werden dafür neue Materialien entwickelt – mit Computersimulationen und einer Spezial-Beschichtungsanlage.

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. Mithilfe von quantenphysikalischen Computersimulationen und der eigens entwickelten Schichtanlage ­„Noreia“ konnten neue Beschichtungen hergestellt werden, die Spezialwerkzeuge hitzebeständiger sowie bruchzäher machen. In San ­Diego (USA) wurde der TU-Forscher Vincent Moraes für diese Arbeiten 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 aufwendigen 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 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 eröffnet 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 einer internationalen Konferenz in San ­Diego (USA) wurde die Arbeit mit dem ­Graduate-Student-Award in Gold ausgezeichnet – einem sehr angesehenen Preis in der Dünnschicht-Forschungscommunity.

Autor/in:
Redaktion Metall
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