Das Aufkommen der Vakuumbeschichtungstechnologie ist relativ jung. Auf internationaler Ebene wurde in den 1960er Jahren die CVD-Technologie (chemische Gasphasenabscheidung) auf Schneidwerkzeuge aus Hartlegierungen angewendet. Allerdings stieß diese Technologie in ihrer frühen Entwicklung auf viele Hindernisse. Es musste in einer Hochtemperaturumgebung (mit einer Prozesstemperatur über 1000 °C) betrieben werden und verfügte über eine begrenzte Auswahl an Beschichtungen, was sein Entwicklungspotenzial erheblich einschränkte.
Ende der 1970er Jahre kam die PVD-Technologie (Physical Vapour Deposition) auf den Markt, die einen vielversprechenden neuen Bereich im Bereich der Vakuumbeschichtung eröffnete. Nur wenige Jahrzehnte später entwickelte sich die PVD-Beschichtungstechnologie rasant.
Heutzutage sind im Bereich der Vakuumbeschichtungstechnologie neue Technologien wie PCVD (physikalische chemische Gasphasenabscheidung) und MT-CVD (chemische Gasphasenabscheidung bei mittlerer Temperatur) entstanden. Verschiedene Beschichtungsgeräte und -verfahren sind kontinuierlich entstanden und bieten eine wohlhabende und vielfältige Szene.
Zu den Entwicklungstrends der Werkzeugbeschichtungstechnik gehören künftig folgende Punkte:
(I) Diversifizierung und Komplexität der Beschichtungskomponenten
A. Die erste Generation der PVD-Beschichtungen bestand hauptsächlich aus TiN. Auf dieser Basis wurden sukzessive verschiedene Einzelmetallbeschichtungen wie TiC, TiCN, ZrN, CrN, WC entwickelt. Mit der Weiterentwicklung der PVD-Abscheidungstechnologie wurde Aluminium zu den Beschichtungen hinzugefügt und es entstanden Mehrkomponenten-Metalllegierungsbeschichtungen wie TiAIN und TiAICN. Ihre Verschleißfestigkeit und Rothärte haben sich im Vergleich zu Einzelmetallbeschichtungen deutlich verbessert, was den Einsatz bei höheren Schnittgeschwindigkeiten, beispielsweise bis zu 150 m/min beim Rollschnitt, ermöglicht.
B. Später entwickelte sich der Trend, mehrere verschiedene Arten von Beschichtungen Schicht für Schicht auf das Werkzeug aufzutragen, um die Vorteile jeder Beschichtung zu nutzen. Beispielsweise wurden Kombinationen aus TiN + TiCN + TiN, TiN + TiALN, TiAIN + WC/C usw. verwendet.
C. In den letzten Jahren hat die PVD-Beschichtungstechnologie einen weiteren bedeutenden Schritt nach vorne gemacht. Mehrere Beschichtungsunternehmen im Ausland haben die Pulsbeschichtungstechnologie erfolgreich entwickelt und mit deren Anwendung begonnen. Zum Beispiel die P3E-Technologie (Pulse Enhanced Electron Emission) von Balzers in der Schweiz und die HIP_-Technologie (High Ion Pulse) von Cemecon in Deutschland. Diese beiden neuen Technologien nutzen beide gepulste Elektronen, um die Lichtbogenverdampfung des Targetmaterials zu aktivieren. Da dieser Prozess in einer Sauerstoffatmosphäre abläuft, kann diese Technologie theoretisch jedes Metalloxid (wie Al2O3, ZrO2, Cr2O3, Ta2O5 usw.) und seine Verbundbeschichtungen abscheiden. Derzeit befindet sich die Al2O3-Beschichtung in der praktischen Testphase und es wird davon ausgegangen, dass sie in naher Zukunft weit verbreitet eingesetzt wird.
(II) Die Anwendungsentwicklung von Beschichtungen wird gezielter
Um den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden, werden die Entwicklung und das Design von Beschichtungen immer gezielter. Entsprechend den Eigenschaften und Anforderungen verschiedener Anwendungsbereiche wie Bohren, Fräsen, Trockenwalzen, Schneiden, Stanzen und Tiefziehen wurden Beschichtungen mit relativen Vorteilen in diesen Aspekten entwickelt. Durch kontinuierliche Bemühungen und Experimente wurden in bestimmten Bereichen Erfolge erzielt, beispielsweise bei der Anwendung von TiX-Beschichtungen (Al:Ti=2:1) beim Fräsen, bei der Anwendung von AICrN-Beschichtungen beim Hochgeschwindigkeits-Trockenwalzschneiden, bei der Anwendung von CrN + TISIN-Verbundbeschichtungen beim Bohren und bei der Anwendung von TIN + TCX-Verbundbeschichtungen in Tiefziehformen. Ihre Lebensdauer ist deutlich besser als die anderer Beschichtungen. Darüber hinaus wurden verschiedene gezielte Beschichtungen mit Funktionen wie Korrosionsbeständigkeit (Crx-Beschichtungen), „Selbstschmierung (WC/C-Beschichtungen), Bearbeitung weicher Materialien (MoS2-Beschichtungen) und Bearbeitung harter Materialien (CBN, Diamantbeschichtungen)“ bereits weit verbreitet eingesetzt. Obwohl diese Beschichtungen in ihren jeweiligen Bereichen sehr erfolgreich waren, werden mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der PVD-Beschichtungstechnologie kontinuierlich neue, gezieltere Beschichtungen entwickelt, um diese bestehenden Beschichtungen zu ersetzen.
(III) Die Ablagerungspartikel von Beschichtungen neigen dazu, nanometergroß zu sein
Mit der Entwicklung der Nanotechnologie und der Weiterentwicklung der Beschichtungstechnologie haben nanometer-beschichtete Schneidwerkzeuge große Aufmerksamkeit bei Forschern und PVD-Beschichtungsdienstleistern auf sich gezogen. Die Nanometerisierung von Beschichtungsabscheidungspartikeln kann die Bindungsstärke zwischen der Beschichtung und dem Substrat sowie zwischen verschiedenen Schichten verbessern und auch die Oberflächenrauheit der Beschichtung verringern. Derzeit sind die Ablagerungspartikel der meisten Beschichtungen noch relativ groß. Obwohl es einige Beschichtungen gibt, die als Nano--Ebene bezeichnet werden, können auf der endgültigen Oberfläche der Beschichtung immer noch große Partikel gefunden werden, und die Beschichtungsoberfläche ist immer noch relativ rau. Die Reduzierung der Größe der Beschichtungsablagerungspartikel bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Prozessstabilität, um das Auftreten großer abnormaler Partikel zu vermeiden, wird zu einer wichtigen Richtung bei der Entwicklung von Beschichtungen, insbesondere bei Anwendungen auf Spiegeloberflächen. Zwar haben einige Unternehmen Spiegeloberflächenbeschichtungen entwickelt, deren Qualität und Stabilität sind jedoch mangelhaft und das Verfahren ist zudem relativ aufwändig. In der künftigen Beschichtungsforschung und -entwicklung werden die Nanometerisierung von Beschichtungspartikeln und die Nanometerisierung der Zwischenschichtdicke von Beschichtungen die Hauptentwicklungsrichtungen sein, was für die Verbesserung der Gesamtleistung von Beschichtungen und die Verringerung der Spannung zwischen den Schichten von großer Bedeutung ist und die Glätte der Spiegeloberfläche weiter verbessern wird, wodurch die Anwendung von Beschichtungen in der Präzisionsumformindustrie weiter ausgeweitet wird.
(IV) Die Prozesstemperatur von Beschichtungen sinkt
Von der Abscheidungstemperatur von etwa 1000 Grad für allgemeine CVD-Beschichtungen auf etwa 500 Grad für PVD- und PECVD-Beschichtungen ist die Abscheidungstemperatur von Beschichtungen gesunken, wodurch sich der Anwendungsbereich von Beschichtungen erweitert hat. Allerdings hat eine Abscheidungstemperatur von etwa 500 Grad immer noch nachteilige Auswirkungen auf das beschichtete Werkstück, wie z. B. eine Verformung des Werkstücks und eine Abnahme der Härte des Substrats. Daher müssen besondere Anforderungen an die Vorwärmung des zu beschichtenden Werkstücks gestellt werden, z. B. dass die Rückerwärmungstemperatur des Werkstücks nicht niedriger sein darf als die Beschichtungstemperatur. Beschichtungen mit niedrigeren Temperaturen, beispielsweise solche mit einer Beschichtungstemperatur unter 200 Grad Celsius, beseitigen diese Einschränkungen und ermöglichen eine größere Auswahl an Materialien für Beschichtungsanwendungen, eine flexiblere Auswahl der Vorwärmung und eine praktikablere umfassende Anwendung verschiedener Oberflächenmodifikationstechnologien. Gleichzeitig wird durch die Anwendung von Niedertemperaturbeschichtungen der Energieverbrauch von Beschichtungsgeräten gesenkt, was einen gewissen Umweltschutzeffekt bei der Energieeinsparung hat. Darüber hinaus ermöglicht die Reduzierung der Beschichtungstemperatur kürzere Aufheiz- und Abkühlzeiten, wodurch der Lieferzyklus von Beschichtungen verkürzt und die Effizienz verbessert wird. Daher werden Niedertemperaturbeschichtungen die Anwendung und Verbreitung von Beschichtungen erheblich vorantreiben und zu einer wichtigen Richtung für die Entwicklung von PVD-Beschichtungen werden.
