PVD-Duplex-Behandlung von additiv gefertigtem Schnellarbeitsstahl
Die additive Fertigung gewinnt in der modernen Werkzeugtechnik zunehmend an Bedeutung, da sie die effiziente Herstellung komplexer und funktionsoptimierter Bauteile ermöglicht. Das Verfahren des Metal Binder Jetting (MBJ) sticht hierbei durch hohe Aufbauraten und eine ausgeprägte Wirtschaftlichkeit hervor, was es besonders für die Serienfertigung von Werkzeugkomponenten attraktiv macht. Als klassischer Werkstoff für hochbelastete Werkzeuge kommt dabei häufig der Schnellarbeitsstahl AISI M2 (1.3343) zum Einsatz. Durch die MBJ-Herstellungsroute entsteht jedoch eine charakteristische Mikrostruktur, die vom konventionell verarbeiteten Werkzeugstahl abweicht. Wie sich diese Herstellungsroute auf nachgeschaltete Oberflächenveredelungen, sogenannte PVD-Duplex-Behandlungen aus Plasmanitrieren und anschließender PVD-Dünnschichtbelegung, auswirkt, war bislang nicht systematisch erforscht.
Forschende vom Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT) der Technischen Universität Dortmund haben daher gemeinsam mit GKN Powder Metallurgy und Oerlikon Balzers Coating Germany das Plasmanitrierverhalten und die anschließende TiAlN-PVD-Beschichtung von MBJ-gefertigtem AISI M2 im direkten Vergleich zu konventionell hergestelltem Material untersucht.
Die Untersuchungen belegen eine symmetrische Nitrierreaktion beider Stahlvarianten. Das Plasmanitrieren bei 420 °C über eine Dauer von vier Stunden führt unabhängig von der Herstellungsroute zu einer Stickstoffübersättigung der martensitischen Matrix, wodurch eine homogene Diffusionsschicht mit einer Tiefe von etwa 20 µm sowie eine deutliche Randschichthärtung von bis zu 17 GPa entsteht. Die mittels Lichtbogenverdampfen aufgebrachten TiAlN-Dünnschichten zeigen auf allen Substraten dichte Morphologien und durchweg vergleichbare Härten zwischen 32 und 34 GPa. Ein entscheidender Vorteil zeigt sich im Tribometerversuch: Das vorgelagerte Plasmanitrieren verbessert die Schichthaftung maßgeblich und verringert die Verschleißrate des TiAlN-beschichteten MBJ-Stahls um bis zu 29 Prozent.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse eindeutig, dass MBJ-hergestellter AISI M2 ein mit konventionellem Stahl vergleichbares Reaktionsverhalten aufweist. Etablierte PVD-Duplex-Verfahren lassen sich somit auf additiv gefertigte Werkzeugstähle übertragen. Für die industrielle Praxis eröffnet dies die Möglichkeit, ressourcenschonend gedruckte Werkzeuge mit höchster Verschleißfestigkeit im Dauerbetrieb einzusetzen. Für Studierende und Nachwuchsforschende bietet die Studie zudem ein anschauliches Beispiel dafür, wie moderne Fertigungsverfahren und klassische Oberflächentechnik zusammenwirken, um die Leistungsgrenzen technischer Werkstoffe zu erweitern.
Die vollständigen Ergebnisse dieser Untersuchung wurden unter dem Titel „PVD duplex treatment of AISI M2 high-speed steel additively manufactured by metal binder jetting“ in der Fachzeitschrift Materials & Design (Band 268, 2026) veröffentlicht.
Die Open-Access-Veröffentlichung steht unter folgendem Link zur Verfügung:
Verfasst von Nelson Filipe Lopes Dias, 21.07.2026