Technologien und Anwendungen innovativer Schichtsysteme für Werkzeuge und Bauteile

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1 Funktion GFE Schmalkalden GFE - Gesellschaft e.v. für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Technologien und Anwendungen innovativer Schichtsysteme für Werkzeuge und Bauteile Dr.-Ing. Heiko Frank GFE Gesellschaft für Fertigungstechnologie und Entwicklung Schmalkalden e.v. 1. Schichtsysteme für Werkzeuge und Bauteile 2. Technologien und Beschichtungskonzepte - Entwicklungsschwerpunkte der GFE 3. Anwendungen aus der industriellen Praxis - Zerspanung - Verschleißschutz - Schneiden - Umformen 4. Zusammenfassung Schichtsysteme für Werkzeuge und Bauteile - Mehr als 250 unterschiedliche Schichtsysteme verschiedenster Zusammensetzungen und Strukturen auf dem Markt Schichtklasse Nitride Karbide Oxide, Boride Mehrstoffs ysteme DLC Diamant Metalle Chemische Randschicht Schichten TiN TiAlN CrN CrVN ZrN TiC SiC CrC B 4 C a-al 2 O 3 TiB 2 TiCN TiAlCN CrCN AlCrON Ti-B-N a-c:h a-c:h:me a-c:h:si:o a-c:h:si a-c:h:f Mikrokristallin nanokristallin, Multilayer Cr Ni Nitrieren, Borieren, Aufkohlen, Duplex h-bn B-C-N c-bn Verschleißschutz Antihaft Festschmierstoff Verfahren PVD PA-CVD PVD PA-CVD PVD PA-CVD PVD PA-CVD PVD CVD Galvano -technik Plasmadiffusion 1

2 Schichtsysteme für Werkzeuge und Bauteile Vakuumbeschichtungsverfahren zum Aufbringen von Hartstoffschichten PVD (Physical Vapor Deposition) Verdampfung eines Targetmaterials Abscheidung des Dampfes auf Substratoberfläche Hochvakuumprozess, Prozesstemp C CVD (Chemical Vapor Deposition) Chemisches Abscheiden von Feststoffen aus der Gasphase Prozesstemperatur bis zu 1100 C Arc-Verfahren Gute Haftfestigkeit Bei ca. 200 C C Dropletbildung geringe Kantenverrundung Prozessgas Substrat Schichtabscheidung Reaktion Sputter-Verfahren ausreichende Haftfestigkeit Bei ca. 400 C C Keine Droplets geringe Kantenverrundung Verdampfung Schichtsysteme für Werkzeuge und Bauteile Schichtsystem TiN TiCN TiAlN CrN ZrO 2 Al 2 O 3 WC/C Mikrohärte HV 0, Reibkoeffizient - 0,4 0,3 0,4 0,5 0,6 k.a. <0,2 Wärmeleitfähigkeit W m -1 K ,7-2, Thermischer Ausdehnungskoeffizient 10-6 K -1 9,4 9,4 7,5 9,4 7,5-10,5 7,2-8,6 3,8 Max. Einsatztemperatur C Zusammenfassung der Angaben verschiedener Anbieter (u.a. Eifeler, Sulzer, Oerlikon Balzers, Hauzer, CemeCon, Platit) - Angabe sind Richtwerte (u.a. abhängig von der jeweiligen Beschichtungsprozedur, Abscheidebedingungen, ) 2

3 Technologien und Beschichtungskonzepte Nanostrukturierung Nanostrukturierung - Einbetten nanokristalliner Körner (AlCrN oder TiAlN) in eine amorphe Siliziumnitrid-Matrix - Steigerung der Härte durch Nanostruktur - Siliziumnitrid-Matrix verhindert Kornwachstum bei höheren Temperaturen Quelle: S.Veprek, TU München Quelle: PLATIT AG Technologien und Beschichtungskonzepte Multifunktionale Schichten - Kombination von verschiedenen konventionellen und Nanocomposite-Schichten - Triple / Quad Schichtsysteme (3 / 4 verschiedene funktionelle Lagen) - Anpassung der Schichtstruktur an verschiedene Anforderungen Nanocomposite Toplayer TiAlN-Gradient Kernschicht TiN Haftschicht - sehr gute thermische Isolierung - hoher Widerstand gegen abrasiven Verschleiß - geringe innere Spannungen - weicher Übergang 3

4 Technologien und Beschichtungskonzepte Diamantartige Schichten Diamantstruktur sp 3 DLC 3 ta - C DLC 2 a - C:H:Si CBC a - C:H:Me Hexagonale Graphit - Struktur sp 2 H Quelle: PLATIT AG DLC Struktur; sp 3 + sp 2 Technologien und Beschichtungskonzepte Kombination verschiedener Verfahren - Kombination von Plasmanitrieren und Beschichtung (Duplex-Verfahren) - Erzeugung einer definierten Grundhärte - Kombination von PVD und PECVD - Verbesserung der Schichthaftung durch Plasmabehandlung - Abscheiden von DLC-Schichtsystemen - Nutzung spezieller Filtersysteme zur Dropletreduzierung - Abscheidung sehr glatter Schichten Quelle: PLATIT AG Filteranordnung ohne Filter mit Filter 4

5 Technologien und Beschichtungskonzepte Einsatz gepulster Verfahren (Modifikation Energiedichte und Energieeintrag) - Pulsförmige Einspeisung höherer Energie mit höheren Leistungsdichten - HIPIMS, high power impulse magnetron sputtering - Pulsed Enhanced Electron Emission (INNOVA:P3E TM Technologie ) - Gepulstes BIAS - Elektronenemission und die Plasmadichte wird durch den Pulsstrom beeinflusst - Beeinflussung der Schichtstruktur und Schichtzusammensetzung TiN-Top Oxid-Multilayer (Al,Cr,) 2 O 3 AlCr Basis Quelle: Oerlikon Balzers Coating Abscheidung mehrlagiger Oxid-Schichten Entwicklungsschwerpunkte der GFE Anforderungen / Entwicklungsschwerpunkte Element Härte Reibungsminderung Struktur- Stabilität vs. Temp. Oxidationsbeständigkeit Verschleissfestigkeit bei RT Verschleissfestigkeit bei 600 C Titan Basis Basis Basis Basis Basis Basis Chrom Basis (+) Ti + Cr (+) (+) (+) Aluminium Si (mit Ti) ++ + (+) + (+) + ++ Si (mit Cr) ++ + (+) Kohlenstoff Sauerstoff / Hohe thermische Beständigkeit Sauerstoffhaltige Schichten - Niedrige Reibwerte DLC-Schichtsysteme - Beschichtung schwer beschichtbarer Werkstoffe Haftvermittlerschichten Quelle: PLATIT AG 5

6 Härte (GPa) Reibwert µ` Micro Hardness (GPa) Entwicklungsschwerpunkte der GFE Sauerstoffhaltige Schichten mit hoher thermischer Beständigkeit Modifizierung der Schichteigenschaften durch Einsatz von Sauerstoff (Oxinitride) - Einlagerung von Sauerstoff führt zu Gitterverzerrungen - Verbesserung der thermischen und mechanischen Stabilität - Einsatz bei Bearbeitung schwer spanbarer Werkstoffe (Titan, Nickelbasis, Rostfrei, ) CrN-Anbindung 50 AlCrN-Kernschicht (Gradient) AlCrON-Deckschicht (Monoblock; 10% Sauerstoff) Struktur der Schicht (Variante AlCrN-OXI-2D) Patent DE A1 : Hartstoff-Beschichtung für Maschinenteile und Werkzeuge zum Verschleißschutz und zur Wärmedämmung (Offenlegung) AlCrN AlCrO10N90-MB AlCrO40N60-MB ZrN ZrO30N70-G ZrO40N60-MB Coating System Erhöhung der Härte auf bis zu 55 GPa Höhere Härte möglich Entwicklungsschwerpunkte der GFE DLC-Schichtsysteme mit niedrigen Reibwerten und hoher Härte a-c:h:me: Metalldotierte amorphe Kohlenstoffschichten (mittels C 2 H 2 ) a-c:h:si: Siliziumdotierte, metallfreie Kohlenstoffschichten (mittels TMS) ta-c: Tetraedrische H 2 -freie amorphe Kohlenstoffschichten (mittels Graphit-Kathode) 100 0,45 90 Härte verschiedener DLC-Varianten im Vergleich 0,40 0,43 mittlere Reibwerte verschiedener DLC-Varianten im Vergleich 80 0, , , ,20 0, , ,10 0, ,8 0,05 0,00 0,05 0,04 ta-c DLC Variante mit deutlich höherer Härte niedrigere Reibwerte von DLC-Varianten ta-c-schichten sind geeignet zur Bearbeitung von adhäsiven Werkstoffen mit Neigung zur Aufbauschneidenbildung (z.b. Al) 6

7 Entwicklungsschwerpunkte der GFE Beschichtung schwer beschichtbarer Grundwerkstoffe - Abscheiden von Schichten auf schwer beschichtbaren Grundwerkstoffen - Verbesserung der Haftfestigkeit durch - Haftvermittlersysteme - Oberflächenaktivierung (angepasste Vorbehandlung) - Anpassung der Schicht-Eigenspannungen (Optimierung Schichtstruktur) - Erhöhung Werkzeuglebensdauer, Verringerung Verschleiß z.b. beim Drehen und Fräsen Anbindung Multilayer-Schicht Deckschicht Patent DE : Haftfestes Schichtsystem auf CBN-Substraten Patent DE : Haftfestes mehrlagiges Schichtsystem und Verfahren zu dessen Herstellung Entwicklungsschwerpunkte der GFE Möglichkeiten / Anlagentechnik der GFE - Arc-PVD (Reactive Cathodic ARC) und PACVD-Technologie - Mehr als 30 unterschiedliche Schichtsysteme und -strukturen - Werkstoffe: Al, AlTi, AlCr, AlSi, Ti, Cr, Zr, C, N, O - Abscheiden nitridischer, oxidisch-nitridischer und DLC-Schichten - Beschichtung von HSS, Hartmetallen und metallischen Legierungen p 300+DLC p 80+OXI p 211 7

8 GFE GFE Schmalkalden - Gesellschaft e.v. für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Anwendungsbeispiele - Zerspanung - Verschleißschutz - Schneiden - Umformen Anwendungsbeispiele Anforderung Beispiele Reibungsminimierung Schmiermittelfreiheit, Notlaufeigenschaften von Oberflächen Verschleißbeständigkeit Verbesserung der Werkzeuglebensdauer, Reduzierung von Anhaftungen Oberflächengüte Hochglanzpolierte Oberflächen Maßhaltigkeit Konturgenaue Beschichtung vor allem im Bereich von Kanten Beschichtung komplexer Strukturen Komplexe 3D-Bauteile Beschichtungstemperatur Vermeidung von Form-, Maß- und Eigenschaftsänderungen durch die Beschichtung - Schichtauswahl entsprechend der jeweiligen Anforderungen - Berücksichtigung einer entsprechenden Vor- und Nachbehandlung - Schichtauswahl / Abscheidung unter Berücksichtigung der Prozesskette - Fertigung, Wärmebehandlung, Schleifen, 8

9 Fräsweg [m] Beispiele Zerspanung 350 Berücksichtigung der gesamten Prozesskette - Hartfräsen von , 61 HRC: - Beschichtung + Schneidkantenpräparation Versuchsbedingungen: Maschine: Hüller Hille Specht Spannung: Hydrodehnspannfutter/HSK 63 Material: , 61 HRC Strategie: Abzeilen im Gleichlauf vc = 114 m/min fz = 0,08 mm ap = 0,15 mm ae = 0,2 mm Kühlung: keine Hersteller 1-1 Hersteller 1-2 Hersteller 1-3 Hersteller 2-1 Hersteller 2-2 Hersteller 2-3 V 1-1 V 1-2 V 1-3 V 2-1 V 2-2 V 2-3 V 3-1 V 3-2 V 3-3 V 4-1 V 4-2 Beispiele Zerspanung 9

10 Beispiele Zerspanung Gewindebohren in Titan IGF-Projekt BG in Zusammenarbeit von - Beschichtung, Schneidkantenpräparation (Radius <6 µm) und Schichtnachbehandlung - Reduzierung der Schichtrauheit - Reduzierung von Zerspankräften und Momenten - Gratentfernung und Reduzierung von Materialadhäsion - DLC-Schichten zeigen die besten Ergebnisse (Standzeiterhöhung auf bis zu 400 %) Kernloch: d = 8,5 mm ; HSS Gewindebohrer: v c = 4-10 m/min; Gewindetiefe=24 mm; f = 0,1 mm Beispiele Zerspanung Fräsen in TiAl6V4 - Beschichtungen führen zu deutlich höheren Standzeiten beim Fräsen in TiAl6V4 - geringe Kantenradien (<8 µm) sowie Schichtnachbehandlung erforderlich - für höhere Schnittgeschwindigkeiten sind thermisch beständige Schichten günstig - Oxinitridschichten zeigen die besten Ergebnisse (höchste Standweg) a e =8mm a p =4mm v c =150m/min f z =0,03mm 5%ige Emulsion Werkstoff :TiAl6V4 Fräser: Ø8 / R2 VHM interne axiale Kühlmittelzufuhr 10

11 Beispiele Verschleißschutz Beschichtung von Präzisisonsbauteilen - Beschichtung bei Temperaturen unter 200 C - Kombination mit Farbkennzeichnung möglich - Problem: Qualität der Wärmebehandlung vor dem Beschichten Quelle: Lehren- und Messgerätewerk Schmalkalden Beispiele Verschleißschutz Verschleißschutz und Farbkennzeichnung - Werkzeuggrundkörper können durch eine Beschichtung vor Verschleiß im Zerspanprozess geschützt werden - Reduzierung der abrasiven Wirkung der Späne Quelle: Sandvik Tooling Supply Schmalkalden 11

12 Beispiele Schneiden Spezialmesser zum Schneiden von Kabeln (Litzen) Qualitätsproblem V-Messer und Ablängmesser: - Litzen werden verbogen und beschädigt, erhöhter Messerverschleiß (ca Schnitte) Beschichtungslösung - Messer mit Hartstoffbeschichtungen aus Kombination von Reibungsminimierung und Verschleißschutz (naco + cromvic) Messerverschleiß erst bei ca Leitungen - Einsparung durch reduzierte Wartungskosten und Instandsetzung ca /Jahr Quelle: Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH Beispiele Schneiden Schneiden und Biegen verzinkter Stahlbleche unbeschichtetes Werkzeug: - Produktion von ca Teilen, unkontrollierten Ausfällen (Risse) Bildung von Zn-Aufklebungen. beschichtetes Werkzeug (TiN/TiCN): - Produktion ca Teile, keine Einschränkung der Prozesssicherheit. Quelle: Winkhaus STV GmbH & Co. KG 12

13 Anzahl Hübe Beispiele Umformen Rundkneten mit beschichteten Backen - Knetbacken (3-6 Backen) mit aufgeschweißtem WC- Bereich zur Erhöhung des Reibwerts - Beschichtung mit Schicht nacro (Nanocomposite) - Standzeiterhöhung auf 260 % von ca auf Teile Quelle: Fa. Felss ThyssenKrupp Presta Ilsenburg GmbH Beispiele Umformen Fließpressen von Aluminiumbauteilen - Höhere Lebensdauer der Werkzeuge sowie höhere Prozessstabilität beim Fließpressen von Al-Bauteilen notwendig - Einsatz von DLC Schichten mit angepasster Vor- und Nachbehandlungsprozedur - Steigerung der Werkzeug-Lebensdauer (Stückzahl) um ca. 150 % Gehäuseteile aus Aluminium CROMTIVIc2 CROMTIVIc2 CROMTIVIc2 CROMTIVIc2 CROMTIVIc2 CROMTIVIc2 CROMVIc CROMVIc CROMVIc ohne Schicht (d1) (d2) (d3) (d4) (d5) (d6) (d7) (d8) (d8) Anzahl Hübe Werkzeuge zum Tiefziehen von Aluminiumbauteilen Quelle: Coexal GmbH 13

14 Beispiele Umformen Verschleiß- und Reibungsminimierung beim Tiefziehen - Herstellung von Flaschenverschlüssen mittels Tiefziehen von Aluminium - Hohe Werkzeugkosten aufgrund hohem Verschleiß / hohen Stückzahlen (ca. 200 Mio./Monat) - Reduzierung von Reibung und Verschleiß durch entsprechende Beschichtung möglich - Deutliche Erhöhung (>150%) durch - diamantartige Schicht - geeignete Schichtnachbehandlung Tiefziehwerkzeug Quelle: MALA Verschlusssysteme GmbH Zusammenfassung PVD-Schichten können wesentlich zur Standzeiterhöhung, Qualitätsverbesserung und Prozesssicherheit von Werkzeugen und Bauteilen beitragen. Durch den Einsatz neuer Schichtsysteme und Schichtstrukturen (Multilagen, Nanocomposite, Oxinitride, DLC) sind hierbei Schichteigenschaften erzielbar, welche die Möglichkeiten klassischer Schichtstrukturen weit übersteigen. Auf Grund der möglichen generierbaren Eigenschaften ist ein Einsatz nicht nur in bislang üblichen Gebieten wie der Zerspanung, sondern auch in einer Vielzahl anderer Bereiche möglich und sinnvoll. Ausschlaggebend für optimale Bauteileigenschaften ist das Zusammenspiel von Substrat, Vorbehandlung, Beschichtung und Nachbehandlung. 14