Flexible Beschichtung

Flexible Beschichtungvon TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC

PVD-Beschichtung von Werkzeugen und BauteilenIndustrie-Workshop, Schmalkalden, 16.06.2009

T Cselle C Büchel O Coddet A Lümkemann M Morstein A Moschko J ProchazkaT. Cselle, C. Büchel, O. Coddet, A. Lümkemann, M. Morstein, A. Moschko, J. ProchazkaPLATIT AG, Selzach, Schweiz – www.platit.com


“Schneidstoff und Werkzeuggeometriebeherrschen alle führenden Werkzeughersteller.Die Wettbewerbsfähigkeit wird durchdi dt B hi ht t h l idie angewandte Beschichtungstechnologieentschieden.“M. Müller, Walter AG,Werkzeugtagung, Schmalkalden, 2004

Die Beschichtungtechnologiehat beste Chancendurchdurch

-Innovative Anlagen und Schichten

i d hsowie durch

-Blue Ocean Marketing

aus der Krise verstärkt herauszukommen.

1


Inhalt

I. Anforderungen der SchichtanwenderII. Was ist flexible Beschichtung?

a. Innovative Anlagentechnika. Innovative Anlagentechnikb. Breites Schichtsprektum

1. Konventionelle Schichten-1 (Ti, Cr, Zr, C)2. Konventionelle Schichten-2 (Ti/Al)( )3. All-in-One Schichten (TiAlCN, AlTiCrN)4. Nanocomposite-Schichten5. Tripel-Schichten (TripleCoatings)6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten7. DLC-Schichten

III. Wege aus der Krise mit Hilfe der Beschichtungstechnika. Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendungb. Blue Ocean Strategie; Neue Anwendungsfelder

Standard-Schichten für Werkzeuge in den letzten 30 Jahren

I. Anforderungen der Schichtanwender

90

100

Standard Schichten für Werkzeuge in den letzten 30 Jahren

70

80

90

50

60

70

2009: Mehr als 80:Ti-basiertTi C b i t

40

50 Ti-C basiertCr-basiertZr-basiertW-basiertV-basiert

20

30

+TiCNC N

+TiAlN

Mo-basiertAl-basiertCr-basiertSi-basiert

0

10

1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010

TiN CrN …..

2

Grundsätzliche Ausführungsarten von Werkzeugbeschichtungen heute


In-House-BeschichtungLohnbeschichtung

g g g

DesignQualitäts-kontrolle

In HouseBeschichtung

Vorbearbeitung

g

WärmebehandlungFertigbearbeitung

Was is wichtig für den Schichtanwender?


g

IHB: am regionalsten: Beschichten in eigener Produktion

IHB: einfachste Logistik in eigener Produktion; kürzeste Wege

IHB: am schnellsten: Chargenzeit; ohne Verpackung, Transport und Logistik IHB: In-House Beschichtung

6IHB: am höchsten; Lohnbeschichter’s Profit bleibt im Haus

IHB: Eigener Service

IHB:am besten:Schleifen, Schneidenpräparation Beschichten in einer Hand in richtigerReihenfolge

IHB: am regionalsten: Beschichten in eigener Produktion

4

5Flexible Anlagen sind notwendig

IHB!

IHB: Nicht zu gross!

IHB: nur so möglich Eigene Schichten und Marken

gke

it

2

3IHB!

Wic

hti

g

0

1

Lieferzeit Logistic Regionale Qualität Service Preis Möglichkeit Breite Kapazität NeueLieferzeit Logistic RegionalePräsenz

Qualität Service Preis Möglichkeitvon

dedicatedSchichten

BreiteSchicht-palette

Kapazität NeueinnovativeSchichten

Quelle: LEK, Munich [4]

Nicht der stärkste und nicht der klügste wird überleben, sondern derjenige, der auf die Änderungen am schnellsten reagiert.“ Charles Darwin

3

II. Was ist flexible Beschichtung?

a. Innovative AnlagentechnikSchlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen

als für KMUs erreichbares Investment

BeschichtungBeschichtung

Vor und Nach

Handling

+ Know HowVor- und Nach-behandlung

Qualitäts

Entschichtung

Qualitäts-kontrolle

Reinigung

“Innovation ist, wenn der Kunde sein Portemonnaie öffnet.“ - Steve Jobs

Vergleich der wichtigsten Methoden zur Schneidkantenpräparation

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Vergleich der wichtigsten Methoden zur Schneidkantenpräparation

4

Zusammenhang; Schneidenpräparation und Beschichtung


1. Direkt an der scharfen Schneide weist die PVD-Schichteine enorm hohe interne Spannung auf.

oder warum brauchen die Schichten eine Schneidenpräparation

p g

Schneidkeil 2. Wegen dieser hohen internen Spannung platzt die Schicht direkt an der Schneide nach wenigen Schnitten ab.

3. Die Güte der Schicht kann durch ihre Fähigkeit charakterisiertwerden wie lange und wie kleindie Abstände CPoR and CPOC

durch die Schicht gehalten werden könnendurch die Schicht gehalten werden können.CPoR

CPoR : coating's peeling off an der SpanflächeCPoC : coating's peeling off an der Freifläche

CPoC

C g p g

4. Die Ziele der Schneidkantenpräparation sind;- der Schicht zu helfen die Abstände CPoR und CPoC

l kl i h lt d d fülange klein zu halten und dafür- die Schneide zu “entschärfen“- einen weichen Übergang für die Schicht zwischen Span- undFreifläche zu schaffend d h di i t S d S hi ht d i- dadurch die interne Spannung der Schicht zu reduzieren

- aber dabei das Werkzeug nicht stumpf zu machen

Einfluss der Schneidenpräparation auf das Zerspanverhalten


Einfluss der Schneidenpräparation auf das Zerspanverhaltenbeschichteter VHM-TORUSFRÄSER im Kaltarbeitsstahl

120

100

tool life

Polynomisch (tool life)

Standzeit

Standzeit

60

80

fe;

[%]

eit

40

60

too

l li

Sta

nd

ze

0

20

0

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

honing w idth; [um ]Schneidkantenradius [um]

Werkstückmaterial: 1.2379 - X155CrVMo12-1 – FRAISA-Schaftfräser nACRo beschichtet - d=10mm,z=4, ae=0.25 x d – ap=1.5 x d – vc=150 m/min – fz=0.05 mm/z – Gemessen: GFE, Schmalkalden

5

Schneidenpräparation: Wichtiger Bestandteil schlüsselfertiger Beschichtungssysteme


AnwendungsbeispieleZerspanverfahren

ZUSAMMENFASSUNG Verfahren zur Schneidenpräparationp p p

Bohren

Fräsen

Drehen

Schleifen

Bürsten

Mikrostrahlen

Ohne SP-> niedrige Leistung

Optimale SP hängt stark von Gewinden

Sägen

Abwälzfräsen

Schleppschleifen

Magnetfinish

technologische

Optimale SP hängt stark von- vom WERKSTOFF- von der Werkzeuggeometrie- von Schnittparametern ab

technologischeParameter zurSchneidenpräparation

Optimale SP empfindlich- über optimalem Wertstarker Abfall der Leistung

Mit Schneidenpräparation:p p

WICHTIGE Erhöhung der ZERSPANLEISTUNG !!

Empfehlung der optimalen Radien zur Schneidenpräparation von VHM-Fräsern


Empfehlung der optimalen Radien zur Schneidenpräparation von VHM-Fräsern

1.2312 - 40CrMnMoS8-61.7225 – 42 CrMo4V 1.2343, X38CrMoV5-1Warmarbeitsstahl, 57 HRC

Zum schlüsselfertigen Beschichtungssystem gehört nicht nur die Lieferung der Anlagen.Der Anwender muss das Know-How auch bekommen; WIE er ALLE Aufgaben ausführen muss.

“Wenn wir wissen, was wir alles wissen sollten, wissen wir schon viel.“ Brigitte Fuchs

6

Geräte und Prozesse zur Entschichtung


g

Es sind die folgenden, wichtigen Entschichtungen notwendig,

die mit unterschiedlichen Modulen und Prozessen durchgeführt werden:

1. Entschichtung von Ti / Al – basierten Schichten von HSS

2. Entschichtung von Cr – basierten Schichten von HSS

3. Entschichtung von CrTi – basierten Schichten von HSS

4. Entschichtung von Ti / Al – basierten Schichten von Hartmetallen

5 E t hi ht C b i t S hi ht H t t llKobalt-Leachingund5. Entschichtung von Cr – basierten Schichten von Hartmetallen

6. Entschichtung von CrTi – basierten Schichten von Hartmetallen

undGesundheitsgefährdungzu beachten!

Co

WC

Mit der Krise ist die Bedeutung des Nachschleifens und der Nachbeschichtung enorm gestiegen.Die Kosten der notwendigen Entschichtung werden dabei oft unterschätzt.

In-House-Beschichtung ermöglicht die richtige Reihenfolge


g g g gfür Entschichten, Nachschleifen und Nachbeschichten

Konventionell durch Lohnbeschichtung Zukunftsweisend durch In-House-BeschichtungKonventionell durch Lohnbeschichtung Zukunftsweisend durch In House Beschichtung

Die Entschichtung des frisch nachgeschliffenen Werkzeuges kann die Schneidstoffoberfläche beschädigen.Die Schneidkantenpräparation kann diese Beschädigungen nur bedingt eleminieren.Die Schneidkantenpräparation kann diese Beschädigungen nur bedingt eleminieren.

Die meisten Werkzeugbeschädigungen geschehen während des Handlings (Verpacken, Chargieren)

7

Kompatible PVD-Anlagen für Produktion und Service-Zentren


Kompatible PVD Anlagen für Produktion und Service Zentren

In Service-Zentren muss die gleiche Qualität produziert werden,wobei dafür sicherlich nicht die gleiche Investitionssumme zur Verfügung steht.

LARC®- (Lateral Rotating Cathodes) und CERC® - (Central Rotating Cathodes)


( g ) ( g )

π80

π300π300

d d d*πd d d π

Zylinder-Target

Planar-Target

Die rotierenden zylindrischen Kathoden ermöglichen die Abscheidung aller Schichtstöchiometrienund dies bei minimalem Platzbedarf, was das Downscaling bei höchster Qualität ermöglicht.

8

LARC® d CERC ® K th d T h l i h V t il


LARC® and CERC ®-Kathoden: Technologische Vorteile

• Minimaler Platzbedarf

• Überdeckung des ganzen Beschichtungshöhe;

• Gleichmässige Schichtdickenverteilung

• Hohe Ionisation

• Programmierbare Stöchiometrie

A d i ht l i t• Anwendung von nicht legierten

• Ti, Al, Cr, Zr, AlSi-Targets

• Keine teuren legierten Targets notwendig

• Nanokomposite-Bildung durch Spinodal-Segregation

Cr Al

200A 180 ANanokomposite Bildung durch Spinodal Segregation

• Vorreinigung mit Virtual Shutter®

• Targetschutz mit Tube Shutters®

• Dropletarme Schichtoberfläche

• Wichtigste Parameter:– pN2 = 2…6 Pa– UBias ≈ -50V– I t t l ≈ 220-380AIarc,total ≈ 220 380A– bis zu 8 µm/h Abscheiderate– bis zu 250 Chargen / Target

“Kreativität ist die Verbindung von Ideen.“ Steve Jobs


Funktion und Vorteile der Doppel-Shuttering mit rotierenden Kathoden

• Target-Reinigung vor Beschichten: • Abscheidung (Beschichten):

• Tube Shutter ® ist geschlossen• um die Werkzeuge vom Schmutz • des vorherigen Prozesses zu schützen

• Tube Shutter ® ist geöffnet

• Arc brennt zu den WerkzeugenVi l Sh ® i h l

• ARC brennt zur Rückseite• der Virtual Shutter® ist eingeschaltet

• Virtual Shutter® ist ausgeschaltet

• Abscheidung von glatten Schichten • mit sauberem Target

• Der Target wird vor der Abscheidung gereinigt• ohne die Werkzeuge zu verunreinigen

g

Vorteile der Doppel Shutters:Vorteile der Doppel-Shutters:- Haftlayer wird immer mit sauberen Targets erzeugt- Alle Kathoden können geshuttert (abgedeckt) werden- Einfaches Handling, Instandhaltung und Einstellen der Schilder und Keramiken- Hohe ARC-Ströme hohe Abscheideraten hohe Produktivität

9

Typisches Layout eines schlüsselfertigen Beschichtungssystems


yp y g g y

Kühl-aggregate

Kathodentisch

Mikrostrahlen

Schlepppolieren

Lift

Mikrostrahlen

Kühlungsbox

Entschichtung

Qualitäts-kontrolle

Reinigung

Kosten und Payback für Investments von In-House-Beschichtungssysteme


y g yfür KMU’s mit unterschiedlichen Anlagen (in CHF)

10

Flexible Beschichtung mit LARC Technologie

IIb, Innovative AnlagentechnikEinfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

Flexible Beschichtung mit LARC-Technologie

TiAl

CTiAlCr

Cr

EINE Kathodekonfiguration (Ti & Al & Cr) für alle der folgenden Standard-Schichten:- TiN TiCN TiCN-MP Ti N SuperTiN;- TiN, TiCN, TiCN-MP, Ti2N, SuperTiN;- TiAlN (50/50%), AlTiN (60/40, 67/33%);- TiAlCN (75/25, 80/20%)- CrN, CrTiN, AlCrN (70/30, 80/20%)- TiAlCrN = All-in-One- TiAlCrN = All-in-One- alle Schichten auch mit DLC-Top-Schicht

Mikro- und Nanostrukturen von PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge


Mikro- und Nanostrukturen von PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge

Monoblock-Schichtstrukturohne und mit Haftlayer

Multilayer-Schichtstruktur Gradient-Schichtstruktur

Nanocomposite-Toplayer

Monoblock oder Gradient-Kernlayer

Nanolayer Schichtstruktur Nanocomposite Schichtstruktur Triple Schichtstruktur

Haftlayer

Nanolayer-Schichtstruktur Nanocomposite-Schichtstruktur Triple-Schichtstruktur

Um mit den führenden Lohnbeschichtern mithalten zu können, müssen in der In-House Beschichtung alle Strukturen möglich sein.

11

Anfoderungen an PVD-Schichten bei verschiedenen Anwendungstemperaturen


Anfoderungen an PVD-Schichten bei verschiedenen Anwendungstemperaturen

• Exzellente Haftung

• Hohe Härte, Verschleissfestigkeit und Zähigkeit

• Exzellente chemische strukturelle und Oxidationsstabilität

• Niedriger Reibungskoeffizient

… und alle dies bei der entsprechenden Anwendungstemperatur

Maschinenteile Allg. Zerspanen und Formen TrockenzerspanungMetall-Spritzgiessen

0

0 200

400

600

800

1000

Anwendungstemperatur °C

Einfluss wichtiger additiven Materialien auf die Eigenschaften von PVD-Schichten

keit

en

on

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Schicht mp

on

en

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ost

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Ab

r

Ve

Mö

Nie

Nie

d

Ti+N->Basis; TiN +N 0 - + + + 0 0 0 - 0 nein 0 0

TiCN +C 0 -- ++ ++ - - -- - -- ++ nein 0 0TiCN +C 0 ++ ++ ++ nein 0 0

Typ. TiAlCNmit Al~20-25% +Al (+) + - - + + + + + - nein -- 0

+Al+wenn Al<X%typ. TiAlN +Al

(-C) + - Al<X%- wennAl>X%

+ + + ++ + - - nein - +

typ. AlTiCrN +Cr - + + + + + + (+) + - nein - (-)

typ AlCrN +Cr

Ä

typ. AlCrNCr~30%

+Cr(-Ti) -- + (+) ++ (+) + + (+) + (-) nein -- -

typ. TiAlN/SiNCrAlN/SiN, AlTiCrN/SiN +Si ++ (+) ++ + ++ ++ ++ ++ 0 0 yes -- +

Die Änderungen, die vergleichenden Bewertungen (0, +, -) beziehen sich jeweils auf die Schicht in der vorhergehenden Zeile+ bedeutet positive Änderung aus der Sicht des Anwenders- bedeutet negative Änderung aus der Sicht des Anwenders

X liegt bei ca. 65%

12

1. Konventionelle Schichten-1: TiN, SuperTiN, TiCN, TiCN-MP, CrN, CrTiN, ZrN


, p , , , , ,

Interessantes Beispiel: CrTiN mit feiner Multilayer-Struktur- zum Korrosionsschutz von Werkzeugschäften und –haltern

Niedrigtemperaturprozess:- Niedrigtemperaturprozess:zum Verschleissschutz von Umformwerkzeugen und Maschinenteilen

Alle Schichten habe gewisse Poren, aber immer anderswo. Die feinen Multilayers verschliessen sie durch das Überlappen.

2. Konventionelle Schichten-2: TiAlN, AlTiN


,mit verschiedensten Ti/Al-Verhältnissen: 75/25%, 50/50%, 40/60%, 33/67%

Interessantes Beispiel: µAlTiN mit nachpolierter (“getopter“) Oberfläche

13

3. All-in-One Schichten: TiAlCN, AlTiCrN


Vergleich der Schnittleistung von unbeschichteten und beschichteten Sägenbei der Bearbeitung von Kalt- und Warmarbeitsstählen

,

: Hartmetall Sägeband

: beschichtetes (TiAlCN) Hartmetall Sägeband: beschichtetes (TiAlCN) Hartmetall Sägeband

Quelle: Wikus, Spangenberg [4]

3. All-in-One Schichten: TiAlCN, AlTiCrN


,

Interessantes Beispiel: AlTiCrN mit minimaler Streuung an Standzeit- Universalschicht- Anwendung mit Kühlung- besonders beim Sägenbesonders beim Sägen- und - beim Abwälzfräsen erfolgreich

AlCrN

14

4. Nanocomposite-Schichten: nACo® (AlTiN/SiN) , nACRo® (AlCrN/SiN), nATCRo® (AlTiCrN/SiN)


Nanocomposite Struktur;(nc-AlTiN)/(a-Si3N4)

( ) ( ) ( )

Die nanocrystalline TiAlN oder AlCrN-Körner werden in die amorphe SiN -Matrix eingebettet wodurch die Nanocomposite Struktur entstehteingebettet. wodurch die Nanocomposite-Struktur entsteht.

Die Steigerung der Härte wird allein durch die Struktur erreicht. Die SiN-Matrixumhüllt die harten Körner und verhindert das Kornwachstum.

4. Nanocomposite-Schichten: nACo® (AlTiN/SiN) , nACRo® (AlCrN/SiN), nATCRo® (AlTiCrN/SiN)


6 0

9

1 0

( ) ( ) ( )

Si erhöht die Warmhärtevon Nanocomposite-Schichten

4 0

rdn

ess

(GP

a)

5

6

7

8 crystallite s

nc-(TiAl)N/a-Si N 200°C

crystalline

enorm.Deswegen sind die

Nanocomposite-Schichtenzur

2 0

pla

stic

har

1

2

3

4

5

ize (nm

)

nc-(TiAl)N/a-Si3N4 200°C

esize

[nm

]

zur- Trockenberarbeitung und zur- Hartzerspanungbesonders gut geeignet.

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 00

a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ( ° C )

0

1

(TiAl)N TiN+AlN(TiAl)N TiN+AlN

TiN

Die stabile Nanocomposite-Struktur verschiebt die spinodale Segregation in Richtung höherer Temperatur [3].

15

4. Nanocomposite-Schichten: nACo® (AlTiN/SiN) zur Hartzerspanung


( ) g

Kugelkopffräser

4. Nanocomposite-Schichten: nACRo® (AlCrN/SiN) für “zähe” Materialien und Bearbeitungen


Standwegvergleich beim Rundkneten

( ) g

g g

779.103800.000

900.000

399.476

536.482

574.404

400.000

500.000

600.000

700.000

and

men

gen

280.920

277.776

263.70961.573

244.700

0

100.000

200.000

300.000

Sta

Mittelwert 294948 Teile

01 2 3 4 5 6 7 8 CrAlN/Si3N4

abgeschlossen1 bis 8 unbeschichtet nACRo

Q ll GFE S h lk ldQuelle; GFE, Schmalkalden,Fa. Thyssen Krupp Presta Ilsenburg, Germany

16

5. Tripel-Schichten; TripleCoatings ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3®


AC 3®

Kombination von konventionellen und Nanocomposite-SchichtenZielsetzung: Universelle Anwendbarkeit

nACo3®

TiN AlTiN AlTiN/SiN

• TiN: – Haftlayer

- Weicher Übergang,

- ähnlicher E-Modul

- zwischen Substrat -> Schicht

• AlTiN: - Kernlayer

• guter Verschleisswiderstand

CrAlSi

Ti

• – guter Verschleisswiderstand

– niedrige interne Spannung

– gute Härte

Al

• nACo: - Toplayer

- Sehr gute thermische Isolierung

- Hohe HärteAl- Hoher Widerstand gegen abrasiven Verschleiss

5. Tripel-Schichten; TripleCoatings ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3®


Trockenes Drehenmit TripleCoatings gegen CVD-Aluminiumoxid-Schichtmit TripleCoatings gegen CVD-Aluminiumoxid-Schicht

Mat.: rostfreier Stahl AlSl 316L – WSP.: Sandvik CNMG 120408

Zerspanzeit [sec]

vc=290 m/min – ap=0.8 mm – f=0.24 mm/U – trockenStandzeitkriterium: VBmax < 300 µm – N8 – Gemessen an der EIG, Genf (CH)

17

5. Tripel-SchichtenTripleCoatings ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3®



g

nACRo3®nACRo3®

CrN AlTiCrN AlCrN/SiN

AlSi

Abscheidung: π313 Universelle Kathoden-Konfiguration34 verschiedene Schichten ohne Kathodenwechsel

C Ti

AlSi

32

11. Schritt:Haftlayer CrN

Cr Ti

Al(Ti)2 Schritt:

4

2. Schritt:Kernlayer AlTiCrN

3. Schritt:Toplayer nACRo®



50

Fräsen mit TripleCoatings plus TiN-”Schönschicht”

g

42 43

3335

39 40

35

40

45

31

28

33

25

30

35

[min

]

10

15

20

Sta

nd

zeit

;

0

5

10

Wz-

1

Wz-

2

Wz-

1

Wz-

2

Wz-

1

Wz-

2

Wz-

1

Wz-

2

AlTiN AlTiN gold nACo3-gold nACRo3-gold

WSP: SPKN 1203 EDSR - Werkstückmaterial: Ck45 vc=279 m/min ap=2mm fz=0 244 mm/z ae=100 mm Quelle: WBU Pilsen SHM Sumperk CZ

nACo3-gold = TiN + AlTiN + TiAlN/SiN + TiN - nACRo3-gold = CrN + AlTiN + CrAlN/SiN + TiN

vc=279 m/min – ap=2mm – fz=0.244 mm/z – ae=100 mm – Quelle: WBU Pilsen – SHM, Sumperk, CZ

18



Verschleissvergleich beim Bohren mit VHM

g

M t i l GGG40 d 8 5 200 / i f 0 25 /U 46 5 (DB)Material: GGG40 – d=8.5 mm – vc= 200 m/min – f=0.25 mm/U – ap=46.5 mm (DB)Kühlung: Emulsion – Quelle: Emuge-Franken, Lauf

nACo3®: TiN / AlTiN / nACo nACRo3®: CrN / AlTiCrN / nACRo nATCRo3®: CrTiN / AlTiN / nATCRo




g

nATCRo3®

CrTiN AlTiN AlTiCrN/SiN

AlSi

Abscheidung: π313 Universelle Kathoden-Konfiguration34 verschiedene Schichten ohne Kathodenwechsel

C Ti

AlSi

32

11. Schritt:Haftlayer CrTiN

Cr Ti

Al(Ti)2 Schritt:

4

2. Schritt:Kernlayer AlTiN

3. Schritt:Toplayer nATCRo®

19

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten - Funktionelle Wirkung von Sauerstoff in Schichten


Separator zwischen Werkzeug/Bauteil und Werkstück

Niedrige Affinität in trockenen Zerspanprozessen bei hohen Temperaturen

Verschleissschutz

• Gegen adhäsiven Verschleiss

• Gegen abrasiven Verschleiss

S h idi t St bil it

Reibungsreduzierung

• Bei Temperaturen über 1000°C

• Reduzierung von Aufbauschneiden

Layer-Architektur

• “Sandwich” wie bei CVD

• Me-N–Basis notwendig, um Risse und

plastische Deformation zu vermeiden• Schon oxidiert Stabil gegen weitere

Oxidation

• Chemische und termische Isolation

und Material-Interdiffusion in der

Tribo-Kontakt-Zone

• Chemische Indifferenz

plastische Deformation zu vermeiden

Beschichtungsanlage zur Abscheidung von Oxidschichten:

- Standardanlage π80 mit Ergänzungen:

- Tube Shutters®

- 350 kHz BIAS

- Gepulster ARC-Verstärker als Option

Z ät li h G l it it MFC- Zusätzliche Gasleitung mit MFC

- Spezielle Heizung mit Schmutzfilter

- Upgrade durchführbar beim Anwender

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten


Nitrid

Oxid oder OxinitridDecknitrid

HM

Nanokomposite

Modell 2:+ AlCrN oder TiAlN

Modell 1:+ AlCr(O,N)

HM

+ (Al,Cr)(O,N) oder Al2O3

+ AlCrN oder TiAlN

+ nACo, nACRo

( , )

+ Dicke TiAlN oder AlCrN

Haftschicht TiN oder CrN

Tribologische Zielsetzungen:

• Vermeidung von Sauerstoff-Diffusion

V id M t i l f h i

nACo, nACRo

Haftschicht (TiN oder CrN)

• Vermeidung von Materialaufschweissungen

• Thermische Isolierung Stabilisierung des Substrates

• Bearbeitungen (vor allem Drehen) bei hoher Temperatur, Schnittgeschwindigkeit und Vorschub

20



AlCrN

AlCrN

AlCrON

C N dh i l

AlCrNoX

CrN = adhesion layer

AlCrN

AlCrON

AC TiAlN/SiNnACoX

nACo= TiAlN/SiN

TiN = adhesion layer

Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff: N/O: 50/50% – 80/20%

STypische Schichtdicke an Drehplatten: 7 - 18 µm

Typische Gesamthärte: 30 GPa

Typisches E-Modul: ~400 GPa

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten – Prozess-Stabilität


Modell 2:+ AlCrN oder TiAlN

+ (Al,Cr)(O,N) oder Al2O3

+ AlCrN oder TiAlN

+ nACo, nACRo

Haftschicht (TiN oder CrN)

Stabiler Arc-Prozess mit sauerstoffhaltigen Gasgemischen:

• Besonders stabiles Prozessverhalten durch rotierende Arc-Kathoden (LARC®)

• Kein Anstieg der Arc-Spannung während des Prozesses, hohe Ionenströme (Beschichtungsrate)

• DC-Bias bei kleinen O2-Gehalten möglich, generell aber MF-gepulst Vermeidung von

Aufladungen

21



0.30

Interessantes Beispiel: nACoX beim Trockendrehen mit hoher Schnittgeschwindigkeit

0.25

vc=315m/min

vc=330m/min

0.15

0.20

VB

[m

m]

0 05

0.10

V

0.00

0.05

0 5 10 15 200 5 10 15 20Tc [min]

v = 250 350 m/min f = 0 25mm/U a = 1 5 mm Material: C60 (1 1221) HB225 Standzeitkriterium: VB ≤ 200 µmvc = 250…350 m/min, f = 0.25mm/U, a = 1.5 mm - Material: C60 (1.1221), HB225 Standzeitkriterium: VBmax ≤ 200 µmGemessen an der TH Budapest



nACoX beim Trockendrehen mit hoher SchnittgeschwindigkeitnACoX beim Trockendrehen mit hoher Schnittgeschwindigkeit

40

45

50

SECO Pramet CNMG 120408-PM

eit;

Tc[m

in]

20

25

30

35

40

nACoX

nACo3

Sta

ndze

5

10

15

20Standard-Schichtdes WSP-Herstellers

Schnittgeschwindigkeit; vc [m/min]

0

200 250 300 315 330 350

vc = 250…350 m/min, f = 0.25mm/U, a = 1.5 mm - Material: C60 (1.1221), HB225 Standzeitkriterium: VBmax ≤ 200 µmGemessen an der TH Budapest

22

7. DLC-Schichten (Diamond Like Coating)


Kubische Struktur von Diamanten

( g)

Diamond-like Coating (DLC) ist eine metastabile Form vonamorpher Kohle mit einem bedeutenden Anteil von

sp3kubischen sp3 –Elementen.

Die wichtigsten möglichen Merkmale von CBC2-DLC2:- Hohe mechanische Härte- Chemische Stabilität

CBC2PLATIT‘s 1. Generation-DLC

- Optische Transparenz- glatte Oberfläche- niedriger Reibungskoeffizient.

Diamond-Like-Carbon-Struktur

C CPLATIT‘s 1. Generation-DLC

CBC

sp2 H

Diamond Like Carbon Struktursp3 + sp2

Hexagonale Struktur von Graphit

CROMVI 2®CROMVIc2®

3 µm C2H2 gradient layer (PECVD)

2 µm Si&C2H2 Multilayer; PECVD <200°C

300 nm CrN-Haftlayer; PVD <220°C



Die wichtigsten Merkmale der PLATIT’s DLC-Schichten:

1. Generation 2. GenerationName: CBC CBC2

( g)

CBC2CBCName: CBC CBC2

Verfügbarkeit: nur als Topschicht empfohlen als TopschichtBasis-Schicht+CBC Basis-Schicht+CBC2

Die wichtigsten Schichten: CROMVIc®, CROMTIVIc2® CROMVIc2®, CROMTIVIc2®

cVic® cVIc2®cVic® cVIc2®

Fi-VIc® Fi-VIc2®

Beschichtungsprozess: PVD PVD+PECVDStoichiometrie: Me-C:H a-C:H:Si

Metall dotierter DLC Silizium dotierterMetall-dotierter DLC Silizium dotiertermetallfreier DLC

Warmfestigkeit: < 400°C höher dank SiInterne Spannung: hoch niedriger, dank SiMögliche Schichtdicke: < 1µm bis zu 5 µmMögliche Schichtdicke: < 1µm bis zu 5 µmElektrische Leitfähigkeit: mässig isolierendHärte: 20 GPa 25 GPaRauheit: Ra~0.1 µm – Rz~0.6 µm Ra~0.03 µm – Rz~0.2 µmTeibungskeoffizient gegen Stahl: µ~0 15 µ~0 1Teibungskeoffizient gegen Stahl: µ~0.15 µ~0.1Verschleissfestigkeit: Durchbruch Durchbruch

nach kurzer Zeit nach langer ZeitHauptanwendungsgebiete: Verbesserung des Einlauf- Reduzierung vom Verschleiss und

verhaltens von Werkzeugen Energiebedarf von Bauteilenverhaltens von Werkzeugen Energiebedarf von Bauteilenzur Erhöhung der Betriebsdauer

23

7. DLC-Schichten (Diamond Like Carbon)


Reibungskoeffizient von CROMVIc2®; µ=0.06 +- 0.01

( )

CROMVIc®

CROMVIc2®

Messbedingungen des Ball-on-Disc-Testes:Test gegen Si3N4-Kugel: r=6 mm - Normal-Belastung=10.00 [N] - Lin. Geschwindigkeit=20.00 [cm/s]g g 3 4 g g [ ] g [ ]

Messrate : 2.0 [Hz] - Umgebungstemperatur=25.00 [°C] - rel. Luftfeuchtigkeit = 5.00 [%]Stopbedingung: 2000.00 [m] oder µ> 1.20



Oberflächenrauheit gemessen mit AFM: an CROMVIc2® auf HM: Sa=0.0374 um

( g)

Scratch-Test an CROMVIc2® -Schicht

Scratch-DatenBelastung 1-120 N

Scratch-Länge 11.9 mmBelastungsrate 100 N/min

V-Scratch 10 mm/min

DLC-Film (2 µm) abgeschieden an WC/Co Hartmetall:Lc1=57N , Lc2=74N, Lc3=102N (Durchschnitt von 3 Messungen)

Vergleichswerte der Referenz-TiN des Gerätenherstellers (CSM )= 18/28/82 N

24



Schichtdickenverteilung am Ventilschaft

( g)

5

6

4

5

icke

[µm

]

2

3

Sch

ich

td

1

0

0 10 20 30 40 50 60 70Abstand von der Spitze [mm]

7. DLC-Schichten (Diamond Like Coating) - Anwendungsbeispiele


( g) g

Schnittwerkzeuge mit nACVIc2® Gewindeformer mit

Ventillift für Rennwagen mit CROMVIc2®

Medizinische Implantatemit cVIc2

CROMTIVIc2mit CROMVIc ®mit cVIc

Stempel aus Kupfer mit CROMVIc®

Vorderseite back

Steuerhebel für VentilsteuerungNockenwelle

mit CROMVIc2®Stempel aus Kupfer mit CROMVIc® gim Zylinderkopf von

Rennwagen mit Fi-VIc®

mit CROMVIc ®

25



( g)

Beschichtungsanlage zur Abscheidung von CBC2-Schichten:

-Standardanlage π80 und π300 mit Ergänzungen:- 350 kHz BIAS

Mehr als 1000 Teile für Nähmaschinen in einer Charge der π300+DLCzur Beschichtung mit CROMTIVIc2®

350 kHz BIAS- Gepulster ARC-Verstärker als Option- zusätzliche Gasleitung mit MFC- spezielle Heizung mit Schmutzfilter

- Upgrade durchführbar beim Anwenderg

Quelle: KPTU, Seoul, Süd-Korea


Einfluss wichtiger additiven Materialien auf die Eigenschaften von PVD-Schichten

Element Härte Reibungs-minderung

Struktur-Stabilitätvs. Temp

Oxidations-beständigkeit

Verschleiss-festigkeit

bei RT

Verschleiss-festigkeit bei

600°C

Titan Base Base Base Base Base Base

Chrom Base (+) – Ø ++ +

Ti+Cr (+) (+) Ø Ø (+) ØTi+Cr (+) (+) Ø Ø (+) Ø

Aluminium + – + + Ø ++

Silicon (mit Ti) ++ Ø +(+) +(+) + ++Silicon (mit Ti) ++ Ø +(+) +(+) + ++

Silicon (mit Cr) ++ Ø +(+) + + +

Kohlenstoff + ++ – – – ++ – –Kohlenstoff + ++ ++

Oxigen – – – / + ++ ++ – – +

26

III. Wege aus der Krise mit Hilfe der Beschichtungstechnik

a. Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendungb. Blue Ocean Strategie; Neue Anwendungsfelder

Quelle: LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek

IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

Dedicated (an die Anwendung angepasste) Schichten können die Leistung enorm steigern( g g ) g g

Dedicated Schicht-2

stu

ng

Dedicated Schicht 2

Lei

s

Dedicated Schicht-1

Universalschicht

Anwendungsbereich

27

LMT-NANOSPHERE: Massgeschneiderte Werkzeugbeschichtung für Abwälzfräser


g g g

Referenz: Gemeinschaftsprojekt LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek - TU Magdeburg, IFQ – PLATIT AG, Selzach (CH)

Was zeichnet NANOSPHERE aus ?



1. Optimale Haftungdurch Cr-CrN-Haftlayer

it d i htl i t C K th dmit der nichtlegierten Cr-Kathode

2. Verbesserte Wärmedämmungdurch hohen Al Gehaltdurch hohen Al-Gehalt

3. Hohe abrasive Verschleissfestigkeitdurch Crdurch Cr

4. Mikro-Elastizitätdurch Multilayer-Strukturdurch Multilayer Struktur

5. Riss-Stopdurch Multilayer-Struktury

6. Hohe Härte durch Nanolayer-Struktury

28



Mehrlagiger nanostrukturiere Aufbau

Multilayer-Grundstruktur Nanolayer in Multilayer

Aaluminiumreicher

od

e ~

7 n

m

Baluminiumärmer

Per

io

A

C Al

Bestimmt durch Kathodenanordung

und

Periode

Cr Al

undSubstrate-Rotation

Erzeugt durch ARC-Steuerung

Verschleiss erla f beim trockenen Schlag ahnfräsen


Verschleissverlauf beim trockenen Schlagzahnfräsen

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Standlänge [m/Zahn]

1600 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

VBmax = 130 µm

]

120

Nanosphere

AlCrNMonoblock

AlTiN

ersc

hlei

ß [µ

m

WerkzeugSchneidstoff: PM-HSSGangzahl: 2

Werkstück

80

Fre

ifläc

henv

e

WerkstückWerkstoff: 20 MnCrB5Modul: 2,7 mm

TechnologieGleichlauffräsen / trocken

40max

.

vc = 220 m/minfa = 3,6 mm/WU

00 5 10 15 20 25 30

gefertigte Werkstückegefertigte Werkstücke


29

E b i üb bli k L b h IFQ k


Ergebnisüberblick Laborversuche IFQ trocken

Schnittwerte HM:Schnittgeschwindigkeit: 380 m/min

160

200Schnittgeschwindigkeit: 380 m/minVorschub: 3 mm / WU

Schnittwerte PM-HSS:Schnittgeschwindigkeit: 220 m/minVorschub: 3,6 mm / WU 176 %

120

160

ge

in %

127 %

80Sta

ndm

eng

PM-HSS HM

100 % 100 %

40

0AlCrN Nanosphere AlCrN Nanosphere


Wichtigste Vorteile von NANOSPHERE


Wichtigste Vorteile von NANOSPHERE

• Dedicated Schicht für Wälzfräser mit dem Anwendungs-Know-How von LMT-FETTE

• Nanostrukturierter Multilagen-Aufbau bietet eine höhereElastizität der Schicht bei gleicher Verschleißfestigkeit

Bis zu 30% günstigere Verschleißwerte bei gleichen Anwendungsbedingungen• Bis zu 30% günstigere Verschleißwerte bei gleichen Anwendungsbedingungen

• Bei Wälzfräsen mit HM Schnittgeschwindigkeiten bis zu 500 m/min möglich

• Nanostrukturierte Schicht ist für Schlagbelastung besser geeignet

• Für PM-HSS und Hartmetall-Substrate gleichermaßen geeignet

• Entschichtbarkeit

W H ft hi ht i d HSS W k bi 3 l üb b hi htb• Wegen Haftschicht sind HSS-Werkzeuge bis 3 mal überbeschichtbar

• Aufbereitung in Hersteller-Qualität an mehreren Standorten


30

IIIb, Blue Ocean-Strategie , neue Anwendungsfelder

Blue Ocean Märkte für Integration von Beschichtungssystemen

2000 - ; KMU- Werkzeughersteller, Nachschleifer

g g y

2009 - ; ?

Energiewirtschaft:Energiewirtschaft:Turbinen-Blisks

Medizin:WerkzeugeImplantate

Werkzeug-maschinenbauSpez TeileSpez. Teile

Stanz- und

Die Beschichtungstechnologie wird in der Zerspanungstechnik dann richtig verbreitet sein,wenn sich jeder CNC-Nachschleifer die Integration der Beschichtung leisten kann.

Umformtechnik

„Nachhaltige Erfolge können nur durch Entwicklung innovativer, neuer Märkte, die Kundenwirklich differenzierende und relevante Nutzen bieten, erzielt werden.“ Renée Mauborgne, W.Chan Kim

Flexible Beschichtung von TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC

T. Cselle, C. Büchel, O. Coddet, A. Lümkemann, M. Morstein, A. Moschko, J. Prochazka - PLATIT AG, Selzach, Schweiz – www.platit.com

Referenzen:

[1] Barnett, S., Madan, A.: Stability of Nanometer-Thick Layers in Hard Coatings - MRS Bulletin, Chicago, March/2003, p.169.-171[2] Mauborgne, R., Kim, W.C.:Blue Ocean Strategy. How to Create Uncontested Market Space and Make the Competition Irrelevant

Boston, Massachusetts: Harvard Business School Press, 2005[3] Veprek S a o : Different Approaches to Superhard Coatings and Nanocomposites - Thin Solid Films Elsevier Amsterdam 476 (2005) p 1-29[3] Veprek, S., a.o.: Different Approaches to Superhard Coatings and Nanocomposites Thin Solid Films, Elsevier, Amsterdam, 476 (2005) p. 1 29[4] Wikus: Futuristische Sägebänder – maschine + werkzeug, Gilching, Juni/2006[5] Thin-Film Coating Market – Study – LEK Consulting GmbH, München, 2007[6] Voigt, K.: Neue Beschichtungen verschieben Leistungsgrenzen in der Zerspanung - LMT-Symposium, Oberkochen, März, 2007[7] Cselle, T.: Influence of Edge Preparation on the Performance of Coated Cutting Tools

Invited talk on the International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films - San Diego, April/2007 – Download: www.platit.com[8] M t i M R t ti ARC PVD C th d Fi Y f D d bl Hi h P f ICTCMF G7 6 S Di A il/2007[8] Morstein, M. a.o.: Rotating ARC PVD Cathodes – Five Years of Dependable High Performance - ICTCMF, G7-6, San Diego, April/2007[9] Kruszynski, J.: Nanostrukturierte Schneidstoffe und Beschichtungen bergen großes Rationalisierungspotenzial

LMT-Symposium, Oberkochen, März, 2008[10] Preiß, P.; Cselle, T.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und Beschichtung

auf das Leistungsvermögen von Präzisionszerspanungswerkzeugen - 8. Schmalkalder Werkzeugtagung, 05./06.11.2008, Schmalkalden[11] Cselle,T. u.a.: TrripleCoatings – eine neue Generation von PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge[ ] , p g p g

Spanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.258-268[12] Karpuschewski, B., Knoche, H-J.; Hipke, M.: Gear finishing by abrasive processes

CIRP Annals . - Oxford : Elsevier, Bd. 57.2008, 2, S. 621-640[13] Holubar, P.: Large-Scale Industrial Applications of Superhard Nanocomposites and Development of Advanced Coating Technology,

Conference Nanocoatings, Budapest, April/2008[14] Frank H Reich S :Beschichtung von CBN Schneideinsätzen Thüringer Grenz und Oberflächentage Sept/2008[14] Frank, H., Reich, S.:Beschichtung von CBN Schneideinsätzen - Thüringer Grenz- und Oberflächentage, Sept/2008[15] Preiß, P.; Cselle, T.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und Beschichtung

auf das Leistungsvermögen von Präzisionszerspanungswerkzeugen - 8. Schmalkalder Werkzeugtagung, 05./06.11.2008, Schmalkalden[16] Cselle, T., Büchel, C., Coddet, O., Lümkemann, A., Morstein, M., Prochazka, J.: Die Bedeutung der Schneiden-Mikrogeometrie

für beschichtete Hochleistungswerkzeuge - Swissmem – 8. Zerspanungsseminar, Zürich, Olten, Yverdon, Jan/2009[17] Momper, F., Kohlscheen, J., Knoche, H.-J., Lümkemann, A.: NANOSPHERE – eine Hochleistungsschicht für Wälzfräswerkzeuge

Vortrag am Kongress zur Getriebeproduktion; GETPRO09 – Würzburg, 11.-12. März, 2009[18] Cselle, T. u.a.: LMT-NANOSPHERE: Massgeschneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die Lebensdauerkosten

LMT-Symposium, Oberkochen, März/2009[19] Lümkemann, A., u.a.: Nanocomposite Coatings and Triple Coatings on High Performance Tools with Dedicated Edge Preparation

ICTCMF, GP-1, San Diego, April/2009[20] Morstein, M. u.a.: Influence of the Chemical Composition on the Tribological Properties of Nitride-Based Nanocomposite Coatings[20] Morstein, M. u.a.: Influence of the Chemical Composition on the Tribological Properties of Nitride Based Nanocomposite Coatings

ICTCMF, B6-3-3, San Diego, May/2009

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Documents

Flexible Beschichtung