Dünnschichten aus Übergangsmetall-Diboriden besitzen vielversprechende Eigenschaften für die Werkzeugbeschichtung in vielfältigen Zerspananwendungen. Übergangsmetall-Diboride mit der chemischen Formel TMB₂ (wobei TM für „transition metal“ steht) kristallisieren in zwei unterschiedlichen hexagonalen Gitterstrukturen. Diboride der frühen Übergangsmetalle, wie Titan (Ti) oder Zirkonium (Zr), sind typischerweise chemisch stabil in der AlB₂-Struktur. Im Gegensatz dazu kristallisieren Diboride der späten Übergangsmetalle, wie Wolfram (W) oder Hafnium (Hf), in der komplexen W₂B₅₋ₓ-Struktur.

Die AlB₂-Struktur besteht aus einer hexagonal geformten Einheitszelle, in der abwechselnd kovalent gebundene, graphitähnliche Bor-Hexagone und Metall-Schichten gestapelt sind. Die eng verwandte W₂B₅₋ₓ-Struktur weist ebenfalls eine hexagonale Einheitszelle auf, bei der flache und gewölbte Bor-Hexagone zwischen den Metall-Schichten wechseln.

Ein bereits industriell etabliertes System stellt TiB₂ mit der AlB₂-Struktur dar, welches in der Zerspanung, insbesondere bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen, erfolgreich eingesetzt wird. Das Eigenschaftsprofil zeichnet sich durch einen hohen Schmelzpunkt von ca. 3500 K, eine hohe chemische und thermische Stabilität sowie eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Mit Härtewerten von bis zu 60 GPa und einer hohen Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß gehört TiB₂ zu den Hartstoffschichten.

Die Stöchiometrie der Dünnschichten weicht jedoch oft vom Ti-zu-B-Verhältnis 1:2 ab. Aufgrund dieser Variabilität, die maßgeblich die mechanischen Eigenschaften beeinflusst, wird das Schichtsystem in der Fachliteratur häufig als TiBx bezeichnet. Ein Bor-Überschuss (x > 2) führt zur Bildung einer amorphen Bor-Grenzphase zwischen den TiB₂-Nanokristalliten, was die Härte weiter steigern kann, während ein Unterschuss (x < 2) oft die Zähigkeit beeinflusst.

Die Abscheidung von TiBₓ-Dünnschichten erfolgt im PVD-Verfahren meist unter Verwendung von stöchiometrischen TiB₂-Targets. Hierbei kommen verschiedene Varianten der Magnetron-Kathodenzerstäubung zum Einsatz. Während das klassische Gleichstrom-Magnetron-Kathodenzerstäubung (engl. direct current magnetron sputtering, kurz dcMS) eine stabile Prozessführung ermöglicht, erlaubt der Einsatz der Hochleistungsimpuls-Magnetron-Kathodenzerstäubung (engl. high power impulse magnetron sputtering, kurz HiPIMS) eine höhere Ionisierung. Dies führt zu dichteren Schichtstrukturen und einer verbesserten Haftfestigkeit. Untersuchungen am Lehrstuhl für Werkstofftechnolgoie zeigen zudem das Potential von hybriden dcMS/HiPIMS-Prozessen, um die Vorteile beider Verfahren, hohe Abscheideraten von dcMS und hohe Schichtdichten von HiPIMS, gezielt zu kombinieren und die TiBx-Schichtstruktur maßgeschneidert auf den Werkzeugen zu applizieren.

Trotz der herausragenden Härte stößt reines TiBₓ in modernen Zerspanungsprozessen an Grenzen, insbesondere hinsichtlich der Sprödigkeit und der Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen über 700 °C. Die aktuelle Forschung konzentriert sich daher verstärkt auf die Entwicklung ternärer Diborid-Systeme. Durch das Zulegieren weiterer Elemente wie

Aluminium (Al), Chrom (Cr), Wolfram (W) oder Tantal (Ta) wird versucht, das Eigenschaftsprofil für die spezifische Anwendung maßgeschneidert zu verbessern.

Die Motivation hinter diesen ternären Systemen (z. B. Ti-Al-B oder Ti-W-B) liegt in der Steigerung der thermischen Stabilität und der Bruchzähigkeit. Beispielsweise kann die Zugabe von Aluminium die Bildung einer schützenden Oxidschicht an der Oberfläche fördern, während die Legierung mit anderen Übergangsmetallen die Gitterspannung optimiert. Diese ternären Schichten werden oft durch simultane Zerstäubung von Metall- und Diborid-Targets bzw. zwei unterschiedlichen Diborid-Targets realisiert und bieten das Potential, die Standzeiten von Werkzeugen in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung massiv zu erhöhen.

                                                                                                             Verfasst von Nelson Filipe Lopes Dias, 26.02.2026