Werkzeuge mit CVD-Diamantbeschichtungen für die Feinstbearbeitung von Oberflächen

1. Arbeitsgebiet

Am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (Fraunhofer IST) arbeitet die Abteilung Diamanttechnologie an der Entwicklung der CVD-Diamanttechnologie und ihrem Transfer in die industrielle Praxis. Dabei handelt es sich um eine Technologie, bei der polykristalline, zusammenhängende Diamantschichten aus aktivierten Gasphasen (chemical vapour deposition, CVD) auf dreidimensional geformte Produkte direkt abgeschieden werden. Dadurch werden die unübertroffenen Eigenschaften und insbesondere die ungewöhnliche Eigenschaftskombination von Diamant für die Entwicklung und Fertigung neuer, extrem leistungsfähiger Produkte verfügbar gemacht. Neben der hier relevanten Thematik "Werkzeuge und Bauteile" werden in der Gruppe Diamanttechnologie die Arbeitsgebiete "Prozeß- und Fertigungstechnik" und "Elektrochemie" bearbeitet.

Im Arbeitsgebiet "Werkzeuge und Bauteile" wurde in den letzten Jahren in bilateralen Industrieprojekten und in öffentlich geförderten Verbundprojekten eine umfangreiche Kenntnis über den Einsatz von diamantbeschichteten Werkzeugen und Bauteilen sowie die für deren wirtschaftliche Herstellung notwendige Prozeß- und Fertigungstechnik erarbeitet. Dabei stellen Werkzeuge für die Zerspanung mit bestimmter und mit unbestimmter Schneide einen Schwerpunkt der Arbeiten und eine Kernkompetenz der Gruppe dar.

2. Themenrelevante Kompetenz

In zahlreichen Projekten wurden raue, mikrokristalline CVD-Diamantschichten für die Anwendung als Schleifbelag entwickelt und erprobt. Es zeigten sich deutliche Vorteile zum einen bei der Präzisionsbearbeitung sprödharter Materialien mit Schleifscheiben und zum anderen bei der Mikrobearbeitung mit Schleifstiften.

Die wesentlichen Ergebnisse und die Vorteile gegenüber Schleifwerkzeugen mit herkömmlichen, gebundenen Schleifbelägen sind:

• Die Schleifbeläge sind binder und porenfrei. Anhaftungen werden so minimiert; Ausbrüche der einzelnen Kristallite („Körner“) sind nicht möglich.

• Die Haftung der Schleifbeläge ist sehr hoch. Es traten keinerlei Schichtabplatzungen auf.

• Die Rauheit des Schleifbelages kann gezielt eingestellt werden. Besonders vorteilhaft können sehr „feinkörnige“ Schleifbeläge mit Kristallitüberständen von weniger als 10 µm bis hinunter zu 0,5 µm hergestellt werden.

• Die Schneidkanten der Diamantkristallite sind besonders scharfkantig. Der Radius der Mikoreinzelschneiden ist kleiner als 20 nm.

• Beim Schleifen von Korund und Glas werden bessere Werkstückrauheiten erzielt als mit gebundenen Diamantschleifbelägen mit ähnlicher Schleifbelagsrauheit.

• Das G-Verhältnis der CVD-Diamant-Schleifbeläge als Maß für die Standzeit ist ca. 10-mal höher als bei metallisch gebundenen Diamantschleifbelägen.

• Die Werkzeuge können sowohl dreidimensional geformt sein, als auch relativ große Abmessungen haben; es wurden diamantbeschichtete Schleifwerkzeuge mit einem Durchmesser von 75 mm bis zu 175 mm hergestellt. Am Fraunhofer IST sind Beschichtungen auf Abmessungen bis z. Zt. ca. 400 mm möglich.

• Es wurde eine Gleichmäßigkeit der Schleifbelagsdicke von 3 % gemessen.

• Es lassen sich vorteilhaft sehr dünne Mikroschleifstifte mit Durchmessern unter 1 mm realisieren. Kleinste Schleifstiftdurchmesser von 50 µm wurden hergestellt und in Schleifanwendungen erprobt.

• Verschlissene Schleifbeläge lassen sich auf einfache Weise wirtschaftlich nachbeschichten, so dass wieder die gleiche Schleifbelagsrauheit ausgebildet wird.