Senkung der Produktionskosten durch Verwendung von Nanocomposite-Schichten

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1 Senkung der Produktionskosten durch Verwendung von Nanocomposite-Schichten M. Morstein, T. Cselle, O. Coddet, PLATIT AG / W. Blösch AG, Grenchen «Effizienter zerspanen» 7. SWISSMEM Zerspanungsseminar, Winterthur und Olten, 23./

2 Überblick 1. Nanokomposit-Hartstoffschichten 2. nacro Das Cr 1-x Al x N/SiN y Nanokomposit-System Strukturelle Eigenschaften Vergleich mit naco (Ti 1-x Al x N/SiN y ) 3. Produktive Zerspanung mit Nanokompositen Bearbeitung von Stählen und anderen Standardwerkstoffen Hartbearbeitung von Werkzeugstählen Bearbeitung von Sonderwerkstoffen 4. Zusammenfassung

3 1. Überblick Nanokomposit- Hartstoffschichten TiN/Si x N Nanokomposite Der Prototyp Li Shizi, S. Veprek et al., seit µm Ti 1-x Al x N/Si y N Nanokomposite PLATIT naco, seit 22 Cr 1-x Al x N/Si y N Nanokomposite PLATIT nacro, seit 24 Keramische Nanokomposite mit Superhärte ( 4-5GPa) Hall-Petch Beziehung Kleine Korngrösse ergibt hohe Härte Nanokomposit-Struktur entsteht bei einer Mischungslücke durch spinodale Entmischung => selbstordnende Nanostruktur

4 Strukturverfeinerung durch Silizium Konventionell: Ti 1-x Al x N Übergang zum Nanokomposit Zusatz von Silizium Spinodale Entmischung Superhärte ( 4-5 GPa) High Nanokomposit (Al+Si) Ti 1-x Al x N/SiN y TEM-Bilder: ToP Nano Projekt, EPFL, A. Karimi+M. Parlinska

5 PLATIT Arc-PVD-Technologie Zylindrische, rotierende Arc-Kathoden: Ideal für Nanokompositbeschichtung π 8 :LARC π 3 : LARC + CERC

6 2. nacro Das Cr 1-x Al x N/SiN y Nanokomposit-System Crystallite size Scherrer formula [nm] no Si low Si high Si low Cr ultrahigh Si hcp-al(cr)n crystallite size of h-al(cr)n 5-8 nm Composition x - Cr Al N 1-x x Kontrolle der Nanostruktur durch Silizium-Einbau!

7 Einfluss von Si auf die Cr 1-x Al x N/SiN y Nanostruktur Hochauflösendes XTEM 5 nm 5 nm P757, P863 images EPFL,M. Parlinska Kolumnare Struktur bei wenig Si (1.6 at.-% Si) Homogene Struktur bei verdoppeltem Silizium- Gehalt (Al-Gehalt x gleich)

8 Mikrostuktur (REM) von nacro x=.49, kein Si (CrAlN) x=.48, wenig Si x=.49, viel Si Si-Zusatz lässt die Mikrostruktur von kolumnar nach isotrop wechseln Effekt analog zum Ti-basierten System In Ti 1-x Al x N/SiN y braucht man weniger Si, um eine glasartige Struktur zu erzielen naco x=.45, viel Si

9 market AlTiN market TiAlN market AlCrN market AlCrN II nacro µ-altin 3. Produktive Zerspanung mit Nanokomposit-Schichten meters milled up to VB=.2mm Cutting Length [m] market AlTiN market TiAlN market AlCrN market AlCrN II µ- AlTiN nacro Material: Vergüteter Stahl STC3, 45 HRC, - Wkz: zyl. HM-Schaftfräser, Ø 1 mm, z = 4 vc=113 m min -1 - fz=.42 mm ap=15 mm ae=.2mm n=36 min -1 vf=6 mm min -1, Emulsion

10 Gravieren von rostfreiem Stahl mit naco 3 25 source: DIXI outils SA Wkz: Gravierstichel d 1 =.1mm in Edelstahl rostfrei Bearbeitungs-Par Par.: n=26 RPM, vf= 25 mm/min (Eintauchen 25mm/min), Schlitztiefe =.25 mm Standzeitkriterium: Werkzeugbruch => naco-dünnschicht nnschicht kombiniert sehr guten Verschleisswiderstand, geringe Verklebungsneigung mit rostfreiem Stahl und eine scharfe Schneide A naco C Coating

11 Power Tapping in Vergütungsstahl 42CrMo4 TiCN VB1 [µm] nacvic VB1 [µm] VB3 VB2 VB3 VB2 Starres Gewindeschneiden, Stahl mit 28 HRC, Gebos FRAISA X-tap-R (PM-HSS), Gewinde M6 x 9 mm, Sackloch, vc=2 mmin -1, n=161min -1, Emulsion 7% extern, FEHLMANN CNC-Center, Kriterium: Lehrenhaltigkeit

12 Drehen von Aluminium-Profilen Quelle: Institut für Fertigungstechnologie, Grenchen Material: Wendeplatte: Parameter: Unterbrochener Schnitt Problem: Lösung: Al-Knetlegierung, stranggepresste Profile Ø 2 mm Iscar CCGT 9T32-AS IC2 f=.1 mm/u, n=3 min -1, ap=.5 mm, Emulsion Schnelle Bildung einer Aufbauschneide an der WSP => Gratbildung am Werkstück nacvic (nacro +CBC): nach 6 gefertigten Teilen immer noch gute Oberfläche, kein Ausschuss!

13 Bearbeiten von gehärteten Werkzeugstählen 35 naco-mlh naco-mlh 3 25 Zur Anzeige wird der QuickTime Dekompressor TIFF (LZW) benötigt. dedicated AlTiN dedicated AlTiN Uncoated naco-grad Si+ naco-grad Tool Life Lf [m] Stahl , 57 HRC, Kugelkopffräser Ø 1 mm, z=2, n=185 min -1, fz=.18mm, ap=.25mm, ae=.6mm, MMS Al 1-x Ti x N/SiN y Nanokomposit schlägt konventionelles Al.65 Ti.35 N Optimierung des Si-Gehalts brachte nochmalige Verbesserung Bild: Röders GmbH, Deutschland

14 Trockenfräsen von Kaltarbeitsstahl

15 Thermische Beständigkeit von nacro-schichten: Einfluss des Siliziumgehalts Cr 1-x Al x N (ohne Si) Cr 1-x Al x N/SiN y wenig Si Cr 1-x Al x N/SiN y opt. Si 4 Hardness [GPa] 3 2 P87, x=.41 P132, x=.47 1 P966, x=.49 P859, x=.45 P134, x=.5 P965, x=.61 P862, x=.48 P133, x=.54 P863, x=.51 P867, x=.57 P135, x=.5 P967, x=.64 P868, x=.54 P139, x= Annealing Temperature [ C] Annealing Temperature [ C] Annealing Temperature [ C] P127, x=.4 P131, x=.45 CrAlN ohne Silizium verliert bis zu 1 GPa nach Tempern bei 1 C Härtezuwachs ( age hardening ) nach 2h Tempern bei 1 C in Formiergas (N 2 / 8% H 2 ) bei optimiertem Si-Gehalt! Vergleichbar mit naco ( 11 C)

16 Bearbeiten von Sonderlegierungen Drehen von Alloy Removed Material [cm 3 ] naco #1223 nacro #122 Kennametal TiAlN 1 5 m/min,.25 mm/rev 5 m/min,.35 mm/rev 5 m/min,.45 mm/rev m/min,.35 mm/rev m/min,.4 mm/rev ap = 1.25 mm, Emulsion Beide Nanocomposite-Schichten stets besser als die TiAlN-Referenz Grösster Vorteil bei höchster Produktivität!

17 Inconel Nuten fräsen Langer Kontaktbogen zwischen Fräser und Werkstück, grosse Wärmebelastung Gleichmässiger Verschleiss mit Mikroausbrüchen, Werkzeugecke relativ stabil Effekt der Hightech-Schichten ist sichtbar, weitere Werkzeugoptimierungen aber nötig! AlCrN naco D nacro Si+ lifetime [cm 3 ] average FRAISA NX-V, Ø1 mm z=4, variable Helix 38/41, γ =, r=1 mm (kundenspez.) Testbedingungen: a e =1 mm, a p =2.5 mm, v c =25m/min, f z =.25 mm

18 4. Zusammenfassung Kontrolle der Nanostruktur durch Zusatz von Silizium zu Cr- and Ti-basierten Me 1-x Al x N-Systemen Thermische Stabilität bis >1 C und age hardening bei Me 1-x Al x N/SiN y (Me = Ti (naco), Cr (nacro)), im Gegensatz zu Me 1-x Al x N-Systemen Zusatz von Silizium reduziert den Stress von Cr 1-x Al x N/SiN y Beschichtung von (WC/Co), Werkzeugstählen, Cermets, PCBN Höchste Zeitspanvolumina in Kohlenstoff-/niederlegierten Stählen beim Einsatz von nacro (Cr 1-x Al x N/SiN y ) Hohe Produktivität Sowohl nacro als auch naco steigern die Produktivität bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen und Nickelbasis-Legierungen naco (Ti 1-x Al x N/SiN y ) bleibt die erste Wahl für Hartbearbeitung und umweltfreundliche Trockenbearbeitung nacvic bietet eine CBC (DLC)-Deckschicht für reibungskritische Fälle