Die ältesten bekannten Werkzeuge des Menschen stellen bis heute die Steinwerkzeuge dar. Beginnend mit einfachstem Geröllgerät nutzte der Mensch später Faustkeile als Werkzeug zum Trennen von Werkstoffen. Die Auswahl dieses Schneidstoffs ist sowohl auf seine mechanischen Eigenschaften als auch auf die Verfügbarkeit zurückzuführen. Mit zunehmenden Erkenntnissen der Materialkunde wurde dieser altertümliche Schneidstoff durch neue Werkstoffe wie Stähle, Hartmetalle und andere hochharte Schneidstoffe verdrängt. Insbesondere die beiden letztgenannten Schneidstoffe erfordern eine aufwendige Prozesskette in ihrer Herstellung. Diese Verfahren unterliegen neben einem hohen Energieaufwand zur Gewinnung und Herstellung auch der kritischen Nachfrage nach Rohstoffen wie Kobalt.
Werden die grundlegenden Anforderungen an Schneidstoffe betrachtet, wird deutlich, dass hohe thermische und mechanische Belastungen im Zerspanprozess auftreten und daher Härte, Warmfestigkeit sowie Zähigkeit grundlegende Bewertungskriterien für einen Schneidstoff sind. Eine in diesem Zusammenhang noch nicht umfassend betrachtete Schneidstoffklasse sind Gesteine. Das Mineral Quarz weist beispielsweise eine höhere Härte als Stahl auf und ermöglicht damit zumindest theoretisch eine Zerspanung von Stahlwerkstoffen.
Bisherige Forschungen zeigen, dass Gestein grundsätzlich für die Zerspanung von Leichtmetallen wie Aluminium geeignet ist. Eine mögliche Erweiterung des infrage kommenden Schneidstoffspektrums ist denkbar. „Es ist jedoch zu beachten, dass beim Erwärmen auf über 575 °C, Quarzite reversible Volumenänderungen durch Änderung der Kristallstruktur von der a- in die b-Quarz-Modifikation erfahren, was möglichweise die Trockenbearbeitung einschränken kann“, erläutert Projektmitarbeiterin Dr. Hilke Petersen. PVD-Dünnschichtsysteme bieten das Potenzial diese Defizite gegenüber etablierten Schneidstoffen zu verringern. Durch eine Kombination von ursprünglichem Gestein mit modernster PVD-Technologie kann es gelingen, die Werkzeugeigenschaften so anzupassen, dass beschichtete Gesteinswerkzeuge eine evidente Erweiterung des etablierten Schneidstoffspektrums darstellen.
Zu den Herausforderungen bei der PVD-Beschichtung von Gestein sagt Hilke Petersen: „Da die Beschichtung von nichtleitenden Gesteinen jedoch ein völlig neues Forschungsgebiet darstellt, sind die wesentlichen Wirkmechanismen zwischen der Konstitution des Substratwerkstoffs, der Topographie der Gesteinswerkzeuge und der Schichthaftung bzw. der Haftmechanismen von PVD-Hartstoffschichten noch unbekannt. Weiterhin ist der Einfluss unterschiedlicher Schichtvorbehandlungsmethoden auf das Verschleißverhalten der Zerspanwerkzeugen zu klären.“
Kontakt:
Für weitere Informationen stehen Ihnen Hilke Petersen und Michael Keitel, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 18274 und +49 511 18229 oder per E-Mail (hilke.petersen@ifw.uni-hannover.de und keitel@ifw.uni-hannover.de) gern zur Verfügung.
