auf zu neuen ufern werkzeug technik

Auf zu neuen Ufern

BESCHICHTEN

1 ● Werkzeug Technik 109 ● 15 September 2009

Abstract“Früher oder später ändert sich

etwas Grundsätzliches in deinem Geschäftsleben.“ [1.1].

Wenn das Geschäft boomt, kümmernsich die Eigentümer von KMUs in ersterLinie um Produktionskapazitäten, recht-zeitig liefern zu können.

In der Krise brauchen die Unterneh-men keine Kapazitätserhöhungen. DieKrise ist die Zeit für grundsätzliche Än-derungen, für neue innovative Techno-logien.

“Die Krise ist ein produktiver Zu-stand, man muss ihr nur den Beige-schmack der Katastrophe nehmen“ [1.2].

Die flexible In-House-Beschichtungist sicherlich eines der wichtigsten Geschäftsmodelle, mit deren Hilfe dieKrise vermieden und/oder beendet wer-den kann. Sie ermöglicht– den Wechsel von Lohnbeschichtung

zur Integration der Beschichtung indie eigene Fertigung, damit die Pro-duktion unabhängiger, stabiler und innovativer wird sowie

– das Eindringen in neue Märkte, dasVerlassen des überfüllten Marktes desroten Ozeans in die neuen Gewässerdes “Blue Ocean“ (Bild 1).

Dabei müssen die Schleifer den “si-cheren“ Hafen der Zerspanungstechnikzum Teil verlassen, aber “Schiffe sindhalt nicht für Häfen gebaut“ [1.3].

Die flexible In-House-Beschichtungkann nur auf kompakten Beschich-tungsanlagen basieren, die von der ein-fachen TiN über Nanocomposite undOxide bis zu DLC-Schichten praktischalle wichtigen PVD-Schichten abschei-den können. Die in erster Linie KMU-Kunden von Platit setzen die -Be-schichtungssysteme mit den extremflexiblen rotierenden Kathoden seit 2003weltweit ein. Der Beitrag stellt die neu-esten Entwicklungen dieser Anlagenfa-milie mit folgenden Schwerpunkten vor;– Oxidische und oxinitridische Schich-

ten sowie

Oxidische und DLC-Schichten auch als Upgrade

T. Cselle, M. Morstein, A. Lümkemann, O. Coddet, J. Prochazka - PLATIT AG, Selzach, Schweiz

Bild 1: Sprung in neue Märkte des “blauen Ozeans“.

– DLC-Schichten, wobei sie vorzugweise

– als Tripel-Schichten in Kombinationmit Nanocomposite-Schichten aufge-baut werden.

1. Was ist wichtig für den Schichtanwender?

“Schneidstoff und Werkzeuggeome-trie beherrschen alle führenden Werk-zeughersteller. Die Wettbewerbsfähig-keit wird durch die angewandteBeschichtungstechnologie entschieden“[1.4].

Demnach helfen die von den Lohn-beschichtungszentren angebotenen Stan-dardschichten nicht, die Konkurrenz zuschlagen. Im Prinzip kann jedermanndiese Standardschichten sogar weltweitbeziehen. Um die Aufträge zu bekom-men, muss man dedicated, an die Anwendung angepasste Schichten anbieten und dies möglichst exklusiv.Das ist nur dann möglich, wenn mandie Beschichtung in die eigene Fertigung integriert und diese dedicatedSchichten In-House entwickelt. Alle, diefür die Schichtanwender wichtige Kriterien unterstreichen diese Aussage[3]. Die entscheidenden Anforderungenlassen sich ausnahmslos mit Hilfe der In-House-Beschichtung am besten erfüllen (Bild 2).

Bild 2: Was ist wichtig für den Schichtanwender?

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Das ist der Grund dafür, dass die An-zahl der angewendeten Schichten stän-dig wächst. Heute kennt man über 80Schichten mit verschiedener chemischenZusammensetzung und weit mehr als250, falls man die unterschiedlichenStöchiometrien auch berücksichtigt [4].

2. Was ist flexibleBeschichtung?

Die flexiblen Beschichtungssystemewerden nur dann wirklich in die eigenenFertigungen integriert, wenn– schlüsselfertige Beschichtungssysteme

[5] geliefert werden können, inklusive• Vor- und Nachbehandlung der

Schneidkanten und Oberflächen [6], [7]

• Entschichtung• Reinigung und• Qualitätssicherung

– das System ohne hochqualifiziertesPersonal betrieben werden kann,

– das System innerhalb von 2 Jahrenauch für KMUs rentabel wird,

– das System ein breites Schichtspek-trum, von

• konventionellen bis zu letztenHochleistungsschichten abscheidenkann, sowie

• die Eigenentwicklung von dedica-ted der jeweiligen Anwendung an-gepasste Schichten ermöglicht.

2.1 Innovative Anlagentechnik

“Innovation ist, wenn der Kunde seinPortemonnaie öffnet“ [1.5].

Das Herz der -Technologie sinddie rotierenden Kathoden ([8], [9]) mitden doppelten Shutters (Bild 3a):– Die Targets werden mit Hilfe des Vir-

tual-Shutters vor dem Beschichtenohne Verschmutzen der Substrate(Werkzeuge) gereinigt:

• Der Tube-Shutter ist geschlossenum die Werkzeuge vom Schmutzdes vorherigen Prozesses zu schüt-zen.

• der ARC brennt zur Rückseite; derVirtual Shutter® ist eingeschaltet.

– Abscheidung (Beschichten) beginntmit sauberen Targets• der Virtual Shutter® ist ausge-

schaltet,• die Tube Shutters sind geöffnet,• der ARC brennt zu den Werkzeu-

gen.Die sehr gute Haftung (ohne langes

Ätzen) und die glatten, dropletarmen

Bild 3: LARC ®-Kathoden und –Shutters.

Schichtoberflächen sind u.a. dieser Dop-pelt-Shuttertechnik zu verdanken.

2.2 Breites Schichtspektrum

Das breite Schichtspektrum ist dannmöglich, wenn die Umstellung der An-lage von der einen Schicht auf die an-dere schnell und einfach durchführbarist, sowie wenn die Prozesszeiten kurzsind.

2.2.1 Konventionelle Schichten

Bei der LARC-(LAteral Rotating Cathodes)-Technologie arbeiten die Kathoden dicht nebeneinander, was dieVerwendung von unlegierten Targetsund die Abscheidung einer grossen An-zahl von Schichten ohne Kathoden-wechsel ermöglicht. Die Zusammenset-zung und die Stöchiometrie der Schichtwerden per freiprogrammierbare Soft-ware bestimmt. Die im Bild 3b abgebil-dete EINE mögliche Kathodenkonfigu-ration (Cr-Al-Ti) produziert z.B. fast allemarktgängigen PVD-Schichten.

– TiN, TiCN, TiCN-MP, Ti2N, Super-TiN;

– TiAlN (50/50%) , AlTiN (60/40 ,67/33%);

– TiAlCN (75/25, 80/20%)

– C r N , C r Ti N , A l C r N ( 7 0 / 3 0 ,80/20%)

– TiAlCrN = All-in-One

– alle Schichten auch mit DLC-Top-Schicht.

Bild 4: TripleCoating3 ®; Kombination vonkonventionellen und Nanocomposite-Schichten.

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2.2.2 Nanocomposite-Schichten

Zur Abscheidung von Nanocompo-site-Schichten wird die Al-Kathode (Bild3b) durch eine AlSi-Kathode ersetzt. Diezur Nanokomposite-Bildung notwen-dige Spinodal-Segregation [9] kann dankder Nähe der Kathoden Ti-AlSi bzw. Cr-AlSi verwirklicht werden.

Die nanocrystalline TiAlN oder Al-CrN-Körner werden in die amorphe SiN-Matrix eingebettet. wodurch die Na-nocomposite-Struktur und die Nano-composite-Schichten [8] entstehen:– nACo®: TiAlN/SiN– nACRo®: CrAlN/SiN– nATCRo®: AlTiCrN/SiN

Die Steigerung der Härte wird alleindurch die Struktur erreicht. Die SiN-Matrix umhüllt die harten Körner undverhindert das Kornwachstum [10].

2.2.3 Tripel-Schichten(TripleCoatings®)

Die Tripel-Schichten [3], [8], [10] sindKombinationen von konventionellenund Nanocomposite-Schichten. – nACo3® : TiN + AlTiN + nACo®

– nACRo3® : CrN + AlTiCrN + nACRo®

– n A T C R o 3 ® : C r T i N + A l T i N+ nATCRo®.

Sie werden in 3 Phasen abgeschieden(Bild 4):

– Die beste Haftung ist immer mit Titanund/oder Chrom, ohne Einbeziehungvon legierten Targets zu erreichen. DerHaftlayer bildet mit dem ähnlichenE-Modul einen weichen Übergang zwi-schen Substrat und Schicht.

– Der Kernlayer gewährt dank seinerniedrigen internen Spannung einenzähen Kern mit gutem Verschleiss-widerstand und guter Härte. Dabeiwird auch die Zentralkathode (CERC®:Central Rotating Cathode [5]) mit ein-bezogen, um höchste Abscheiderate,d.h. Produktivität zu erreichen.

– Der Nanocomposite-Toplayer weisteine sehr hohe Härte und eine exzel-lente thermische Isolierung (Silizium!) bei hohem Widerstand gegen abrasi-ven Verschleiss auf.

Die Triple-Schichten streben durchdie Kombination verschiedener Schicht-strukturen eine universelle Anwend-barkeit an, wobei Spitzenergebnisse ([4],[9], [11]) sich auch sehen lassen (Bild5).

2.2.4 Oxidische und oxinitridische Schichten

“Kreativität ist die Verbindung vonIdeen“ [1.5].

Die erfolgreiche PVD-Abscheidungund Anwendung von oxidischen undoxinitridischen Schichten ist nur in Ver-bindung mit anderen Schichten mög-lich. Ansonsten können keine gute Haf-tung, Kohäsion und Härte erzieltwerden. In Verbindung mit konventio-nellen Nitriden, und besonders in Kom-bination mit Nanocomposite-Schichteneröffnen sich wichtige Anwendungsge-biete.

Die oxidischen und oxinitridischenSchichten bilden den Separator zwischenWerkzeug/Bauteil und Werkstück umin erster Linie in trockenen Zerspan-prozessen (Bild 5), bei hohen Tempera-turen eine niedrige Affinität zwischenden beiden zu erreichen [12]. Sie bietendabei – hohen Verschleissschutz

• gegen adhäsiven Verschleiss• gegen abrasiven Verschleiss• gegen Oxidation, Sauerstoff-Diffu-

sion (die Schicht ist ja bereits einOxid)

– Chemische und thermische Isolationund chemische Indifferenz

– Reibungsreduzierung • auch bei Temperaturen über 1000°C

– Reduzierung von Aufbauschneiden

Bild 5: TripleCoating3® und Oxinitrid-Schicht beim Trockendrehen mit hoherSchnittgeschwindigkeit.

Bild 6: Strukturen der oxidischen undoxinitridischen PLATIT-Schichten.

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und Material-Interdiffusion in derTribo-Kontakt-Zone.Die Schichten werden (wie bei CVD)

in Multilayer-Struktur aufgebaut, da eineMetall-Nitrid-Basis zur Vermeidung vonRissen und von plastischen Deforma-tionen notwendig ist (Bild 6).

Unsere bisher entwickelten oxidischeSchichten bauen wir durch die Erweite-rung des Tripel-Prinzipes auf:– AlCrNoX : CrN + AlCrN + AlCrON

(optional + AlCrN)– nACoX®: TiN + nACo + AlCrN +

AlCrON (optional + AlCrN)Die ARC-Prozesse mit sauerstoffhalti-gen Gasgemischen sind durch die ro-tierenden LARC®-Kathoden besondersstabil:

– Während des Prozesses steigt die ARC-Spannung nicht an.

– Es können hohe Ionenströme und damit hohe Beschichtungsraten gefah-ren werden.

– Die Anwendung von DC-BIAS-Ver-stärkern ist bei kleinen O2-Gehalten möglich, wobei mit Hilfe von MF-gepulsten BIAS (bis zu 350 kHz) jegli-che Aufladungen vermieden werdenkönnen.

– Das bevorzugte Verhältnis von Stick-stoff zu Sauerstoff beträgt: N/O:50/50% – 80/20%.

– Typische Schichtdicke an Drehplatten:7 - 18 µm

– Typische Gesamthärte: 30 GPa

– Typisches E-Modul: ~400 GPa.

2.2.5 DLC-Schichten

(Diamond-Like-Carbon)

Diamond-Like Coating (DLC) ist einemetastabile Form von amorpher Kohlemit einem bedeutenden Anteil von ku-bischen sp3 –Elementen (Bild 7).

Die metalldotierte erste Generationder PLATIT-DLC-Schichten (CBC; Me-C:H) wird in einem reinem PVD-Pro-zess abgeschieden. Um eine gute Haf-tung zu erzielen, werden sie inKombination mit Hartschichten in einerCharge hergestellt, wie ihre Namen esauch beschreiben:

– CROMVIc® = CrN+CBC

– cVIc®= TiCN+CBC

– nACVIc®: nACRo+CBC usw.

Die CBC-Schichten zielen auf die Ver-besserung des Einlaufverhaltens vonZerspanungs- und Umformwerkzeugen.Es ist besonders wichtig bei der Bear-beitung von weichen, klebenden Mate-rialien, die leicht eine Aufbauschnei-denbildung verursachen.

Die metallfreie zweite Generation derPLATIT-DLC-Schichten (CBC2: a-C:H:Si)wird in einem kombinierten PVC –PECVD-Prozess abgeschieden [5]. Wirverwenden spezielle siliziumhaltigeGase, wodurch die Schichten bedeutendverbesserte Eigenschaften aufweisen:

– Stabilität

– Optische Transparenz

– für DLC-Schichten extrem gute Haf-tung (Lc1> 55 N, Lc2 > 75 N,

Lc3> 100 N)

– Hohe mechanische Härte (> 25 GPa)

– glatte Oberfläche ( Sa < 0.03 µm)

– niedriger Reibungskoeffizient (µ<0.1für eine lange Zeit ohne Durchbruch; Bild 8).

Bild 7:Strukturen der PLATIT-DLC-Schichten.

Bild 8: Vergleich der Reibungskoeffizienten derPLATIT-DLC-Schichten.

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DLC-Schichten werden heute in er-ster Linie für in Grossserie gefertigteBauteile zum Verschleissschutz durchReibungsreduzierung eingesetzt. PLA-TIT will aber weiterhin nicht bei Gross-kunden in die Massenfertigung einstei-gen. Die neuen Anlagen ( 111+DLC, 300+DLC, PL1001+DLC, Bild 10) wei-sen die folgenden wichtigsten zusätzli-

chen Merkmale gegenüber den Stan-dardanlagen auf [5]:

– Virtual Shutter® in Kombination mit Tube Shutters®

– 350 kHz BIAS-Verstärker

– Gepulster ARC-Verstärker als Option

– Zusätzliche Gastanks und Gasleitun-gen mit Mass Flow Controllers

– spezielle Heizung mit Schmutzfiltern

– Upgrade durchführbar beim Anwen-der

Die mit diesen Anlagen abscheidbarenCBC2-Schichten werden zur Beschich-tung von hochwertigen Werkzeugen undBauteilen verwendet, die besonders hoheAnsprüche in High-Tech-Anlagen er-füllen müssen (Bild 9):

– für Schnitt-, Stempel- und Umform-werkzeuge,

– für Gewindeformer

– für medizinische Instrumente und Implantate

– für hochbeanspruchte Teile im Motor-sport; Ventilschäfte, Steuerhebel, usw.

– für Teile des allgemeinen Maschinen-baus, wie Turbinenschaufel, Spulen fürNähmaschinen usw.

Die CBC2-Schichten werden immerzumindest mit einem dünnen PVD-Haft-layer, aber auch in Kombination mitkompletten PVD-Schichten in einerCharge hergestellt. Die wichtigstenStrukturen mit ihren wichtigsten An-wendungsgebieten sind die folgenden:

– cViC2®: TiCN + CBC2; Schnitt- und Um-formwerkzeuge, medizinische Werk-zeuge und Implantate

– CROMVIc2®: CrN +CBC2; Bauteile auchmit niedriger Beschichtungstemperatur

Bild 9: DLC-Schichten (Diamond Like Carbon) – Anwendungsbeispiele.

Bild 10: PLATIT-Beschichtungsanlagen zur Abscheidung von OXI und DLC-Schichten.

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[1] Zitate:

[1.1] Andrew Groove, Intel Corp., [1.2]; Max Frisch,Schweizer Schriftsteller.

[1.3] Grace Hopper, US Navy - [1.4]; Michael Müller, Walter AG.

[1.5] Steve Jobs, Apple Inc - [1.6]; Renée Mauborgne, W. Chan Kim, INSEAD.

[2] Groove, A.: Only the paranoid survive – Doubleday, New York, 1996.

[3] Thin-Film Coating Market – Study – LEK ConsultingGmbH, München, 2007.

[4] Cselle, T. u.a.: TripleCoatings – eine neue Generation vonPVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge - Spanende Ferti-gung, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.258-268.

[5] Compendium 2009 – PLATIT AG, Grenchen, 2009 – Download: www.platit.com

[6] Preiß, P.; u.a.: Einfluss der Schneidkantenpräparation undBeschichtung auf das Leistungsvermögen von Präzisions-zerspanungswerkzeugen - 8. Schmalkaldener Werkzeug-tagung, 05./06.11.2008.

[7] Lümkemann, A., u.a.: Nanocomposite Coatings and TripleCoatings on High Performance Tools with DedicatedEdge Preparation - ICTCMF, GP-1, San Diego, April/2009.

[8] Holubar, P., Jilek, M.: Success of nanostructured coatingsprepared by novel ARC-technology - E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, Mai/2004.

– CROMTIVIc2®: CrTiN + CBC2; Bauteilemit Korrosionsschutz, Werkzeuge zurAluminiumzerspanung

– nACVIc2®: nACRo® + CBC2; Zerspan-und Umformwerkzeuge für schwierigzu bearbeitende Materialien (Inconel,Titanlegierungen usw.)

– Fi-VIc2®: nACo® + CBC2; hochbean-spruchte Bauteile (z.B. Ventilschäfte)

3. Zusammenfassung und Ausblick

Wenn als KMU eine hochwertige An-lage kauft, erwartet man neben der tag-täglichen Service-Unterstützung die kon-

tinuierliche Weiterentwicklung des Pro-duktes. Z.B. die Herstellung von dedi-cated, an die jeweiligen Anwendungenangepassten Schichten [12]. So kann dasKMU immer wieder mit den grossenAnbietern mithalten und sie sogar über-holen.

Der Beitrag stellt die aktuelle Weiter-entwicklung der -Beschichtungsanla-gen-Familie von PLATIT vor. Die beste-henden Anlagen sind mit Hilfe vonHard- und Software-Upgrades vor Orterweiterbar um oxidische, oxinitridischeund eine neue Generation von DLC-Schichten herstellen zu können.

Diese Upgrades ermöglichen demAnwender – Zerspanwerkzeuge für neue Bearbei-

tungsgebiete zu beschichten, sowie– in neue Märkte einzudringen [13].

Dies ist sogar für Lohnbeschichtersehr hilfsreich. Mit Hilfe der kompaktenAnlagen können sie auch Aufträge mitkleineren Mengen ohne Aufpreis an-nehmen und mit dedicated Schichtenversehen.

Denn “nachhaltige Erfolge könnennur durch Entwicklung innovativer,neuer Märkte erzielt werden, die denKunden wirklich differenzierende undrelevante Nutzen bieten.“ [1.6], [15], [16].

(10909-91)

[9] Morstein, M. a.o.: Rotating ARC PVD Cathodes – Five

Years of Dependable High Performance - ICTCMF,

G7-6, San Diego, April/2007 .

[10] Veprek, S., a.o.: Different Approaches to Superhard Coat-

ings and Nanocomposites - Thin Solid Films, Elsevier,

Amsterdam, 476 (2005) p. 1-29.

[11] Cselle, T., u.a.: TripleCoatings – New Generation of PVD-

Coatings for Cutting Tools - Machine Manufacturing,

Budapest, 1/2009, p.19-25.

[12] Morstein, M. u.a.: Influence of the Chemical Composition

on the Tribological Properties of Nitride-Based Nanocom-

posite Coatings - ICTCMF, B6-3-3, San Diego, May/2009.

[13] FETTE-IFT-PLATIT: LMT-NANOSPHERE: Massge-

schneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die

Lebensdauerkosten - LMT-Symposium, Oberkochen,

März/2009.

[14] Cselle, T. u.a.: Flexible Beschichtung von TiN über

Nanocomposite und Oxide zu DLC – Industrie-Work-

shop, Schmalkalden, 16.06.2009.

[15] Mauborgne, R., Kim C.W.: Blue Ocean Strategy: How

to Create Uncontested Market Space and Make Compe-

tition Irrelevant, Harvard, Boston, 2005.

[16] Förster, A., Kreuz, P.: Different Thinking!: So erschliessen

Sie Marktchancen mit coolen Produktideen – Redline

Wirtschaftsverlag, München, 2005.

Referenzen

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