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BESCHICHTEN
Technologie von IHI Hauzer Techno Coating B.V.
Trends in der
Werkzeugbeschichtungstechnologie
Die Hauptgründe für die Beschichtung professioneller Schneid- und Formwerkzeuge ist die
Verbesserung der Lebensdauer der Werkzeuge. In diesem Artikel liefert das WerkzeugProduktteam von Hauzer, Michiel Eerden und Gabriela Negrea, einige Erkenntnisse über
die aktuellen Trends, die die Entwicklung von Werkzeugbeschichtungstechnologien beeinflussen.
Michiel Eerden und Gabriela Negrea.
ie Erzielung einer verbesserten
Lebensdauer von beschichteten
Werkzeugen erfordert je nach Beanspruchung des Werkzeugs eine Verbesserung
mehrerer Funktionalitäten. Härte, Temperaturbeständigkeit und der Kontakt
zwischen Werkzeug und Material, das
zerspant oder umgeformt werden muss,
sind dabei zu beachten. In manchen
Fällen erreichen beschichtete Werkzeuge
heutzutage eine zehnmal längere Lebensdauer als unbeschichtete Werkzeuge.
D
Leichtmetallen
Ein wichtiger Trend ist das zerspanen
von Leichtmetallen. In der Automobilindustrie werden leichte Materialien
gewählt, da diese zu weniger Kraftstoffverbrauch und geringeren CO2-Emissionen führen. Folglich gewinnen Leichtmetalle wie Aluminium, Magnesium und
kohlenfaserverstärkte Kunststoffe (CFK)
an Bedeutung. Neben der Gewichtsersparnis haben diese Materialien eines
gemeinsam: Sie haben die Tendenz, am
Werkzeug zu haften, was zu einer kürzeren Lebensdauer des Schneidwerkzeugs
führt. Die Entwicklung von diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen (DLCSchichten) führte zur Vermeidung des
Anhaftens auf diesen Schneidwerkzeugen. Insbesondere werden tetraedisch
amorpher Kohlenstoffbeschichtungen
(ta-C), einer wasserstofffreien DLC1
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Werkzeug Technik 150b
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30 Oktober 2015
Schicht mit geringem Reibungskoeffizient, eingesetzt.
Übertragung tribologischer
Bauteilschichtanwendungen auf
Werkzeuge
Der Einsatz von DLC-Schichten ist ein
praktisches Beispiel für die Übertragung
einer Technologie, die aus der Bauteilbeschichtung stammt und in der Werkzeugbeschichtung eingesetzt wurde. Bei
tribologischen Anwendungen werden
wasserstofffreie, diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen verwendet, um
Verschleiß und Reibung zu verringern.
In der Werkzeugbranche haben sich taC-Beschichtungen für das zerspanen
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leichter Metalle und kohlefaserverstärkter Kunststoffe als extrem geeignet
erwiesen. Da diese Materialien dazu tendieren, am Werkzeug zu haften, kann
durch eine ta-C Beschichtung die Lebensdauer erheblich verbessert werden. Mit
0,5 µm Schichtdicke sind diese Schichten
zur Zerspanung von Leichtmetallen
jedoch wesentlich dünner als üblich eingesetzte Werkzeugschichten. Die Schichten werden mittels runden Arcverdampfern erzeugt, womit eine gute
Schichthaftung sichergestellt wird.
Kosteneffizienz
In allen Branchen ist Kosteneffizienz
ein treibender Faktor, der immer berücksichtigt werden muss. Auch die Werkzeugbranche ist hier keine Ausnahme.
Die Schicht bildet ein wesentlicher Beitrag für die Funktion des Werkzeugs. Da
die Beschichtung erst am Ende der Produktionslinie ausgeführt wird ist eine
zuverlässige Produktion der Schichten
von großer Bedeutung für die Herstellung, obwohl die Beschichtungskosten
nur ein geringer Teil der Gesamtkosten
eines Werkzeugs bilden.
Mit der Entwicklung der neuen Lichtbogentechnologie CARC+ für Nitridbeschichtungen in der Flexicoat ®850Anlage realisierte Hauzer die Senkung
der Betriebskosten auf ein nie zuvor
erreichtes Niveau. CARC+ zeichnet sich
durch kurze Chargenzeiten, hohe Targetausnutzung und glatte Oberflächen, die
nur minimale Nachbehandlung erfordern, aus. CARC+ ist inzwischen eine
bewährte Technologie für Nitridbeschichtungen. Ein Beispiel ist die AlCrNBeschichtung für Wälzfräser, welche bei
der Fertigung von Zahnrädern eingesetzt
werden.
Nachhaltigkeit
Das Bewusstsein für nachhaltige Produktionsmethoden hat sich auch in der
Werkzeugbranche und verwandten
Gebieten in der gesamten Lieferkette
immer mehr etabliert. Wichtige Faktoren
sind hier die zukünftige Verfügbarkeit
von Rohmaterialien, Energiebedarf, Einsatz erneuerbarer Energien, Giftigkeit
der Materialien und Recycling in biologischen oder industriellen Kreisläufen. In
der Werkzeugbranche finden sich einige
Antworten auf diese Herausforderungen
in höher Geschwindigkeit und höherem
Vorschub. Beschichtete Werkzeuge
ermöglichen dies und führen so neben
niedriger Zerspanungskosten zu einem
geringeren Zeit und Energiebedarf. Das
Zerspanvolumen pro Minute ist entscheidend. Die Hauzer Flexicoat ®850 mit
CARC+ -Technologie ermöglicht hohe
Zerspanungsleistung, womit diese Technologie einen signifikanten Beitrag leistet. Ein weiterer Trend, der von Nachhaltigkeit sowie der Kosteneffizienz
angetrieben wird, ist die Minimierung
des Kühlmitteleinsatzes.
Temperaturbeständigkeit
Die Trends in der Werkzeugbranche
stehen miteinander in Verbindung. Kosteneffizienz und Umweltbewusstsein
führen zur Verwendung von weniger
Kühlflüssigkeiten, was wiederum zu
höheren Temperaturen beim Zerspanen
führt. Die Industrie antwortet darauf mit
dem Einsatz neuer Substratmaterialien
und Beschichtungen mit höherer Temperaturbeständigkeit. Werkstückmaterialien wie Titan- und Nickel-Legierungen
sind wegen ihrer Härte und Tendenz zu
haften schwer zu zerspanen. Hier liefern
ta-C-Beschichtungen keine Lösung, da
die maximale Betriebstemperatur bei ca.
Abbildung 1: Verbesserte Fräslänge von Titan mit TiAlN Beschichtung.
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500 °C liegt. CARC+-Nitridbeschichtungen sind in diesem Fall besser geeignet.
Die Betriebstemperaturen solcher Nitridbeschichtungen liegen bei bis zu 1100 °C
oder gar 1500 °C. Es wurde eine anwendungsorientierte Entwicklung durchgeführt, um die mit CARC+-Technologie
hergestellten Beschichtungen, an spezifische Anwendungen, wie zum Beispiel
Hochgeschwindigkeitsfräsen und
Schruppschlichten, anzupassen. Für das
Zerspanen von Titan liefern TiAlNBeschichtungen ausgezeichnete Ergebnisse, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Durch die Entwicklung Silizium-haltiger
Nanokomposite ist Hauzer in der Lage
Beschichtungen auf spezielle Anwendungen anzupassen.
Übersicht der
Temperaturbereiche von
Werkzeugbeschichtungen
In Abbildung 2 wird ein Überblick
gegeben über Beschichtungen für Werkzeuge und die Bereiche der Einsatztemperaturen. Diese Werkzeugbeschichtungen werden mit konventionellen runden
oder rechteckigen Lichtbogenkathoden,
CARC+, DMS, T-Mode hergestellt. Die
Wahl der Beschichtungstechnologie
hängt von der Anwendung und den
funktionellen Anforderungen an die
Beschichtung ab. Die Prozesstemperaturen werden auf einen Wert unter der
maximal möglichen Produkttemperatur
eingestellt.
sowie die Notwendigkeit hoher Temperaturbeständigkeit, beeinflussen die
Entwicklung von Werkzeugbeschichtungen ebenso wie das Vorantreiben von
Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit.
Hauzer ist überzeugt, dass durch die
Zusammenführung von Werkzeugproduktions- und Anwendungswissen wie
Geometrie, Substratmaterialien und
Schneidmaterialien mit Kompetenzen in
den Bereichen Beschichtungstechnologie,
Beschichtungen und der Herstellung von
Anlagen mit geringen Gesamtbetriebskosten große Fortschritte erzielt werden
können. Das Ergebnis werden innovative, hochfunktionale und kostengünstige Beschichtungen sein. Möchten Sie
Aluminiumoxid-Beschichtungen
Eine weitere Möglichkeit, eine hohe
Temperaturbeständigkeit zu erreichen,
ist die Verwendung von Aluminiumoxid
(Al 2O 3)-Beschichtungen. Die größte
Herausforderung bei der Verwendung
von Oxidschichten ist die Kontrolle des
Sputter-Prozesses. Al2O3-Beschichtungen
werden durch Sputtern eines Aluminium
Targets in einer Argon (Ar)-und Sauerstoff (O2)-Atmosphäre hergestellt. Bei
Verwendung einer Single-MagnetronKathode während des Beschichtungsprozesses wird der Anodenbereich rund um
die Kathode mit der Zeit isolierend, was
zu einem instabilen Kathodenverhalten
führt. Um dieses Problem zu bewältigen,
hat sich Hauzer für die Dual Magnetron
Sputtering (DMS)-Technologie entschieden. Bei dieser Technologie werden zwei
Magnetron-Sputtering-Kathoden auf entgegengesetzten Seiten des PVD-Systems
mit einer Wechselstromquelle betrieben.
Liegt eine Elektrode auf negativem
Potenzial, fungiert die gegenüberliegende Elektrode effektiv als Anode.
Durch Bombardierung mit Argonionen
wird die isolierende Schicht wechselseitig abgetragen und so ein stabiler Prozess
gewährleistet. Die bewährte T-ModeTechnologie von Hauzer behandelt eine
weitere Herausforderung von Al 2O 3Beschichtungen: eine ausgewogene Sauerstoffströmung. Um starken Sauerstoffschwankungen entgegen zu wirken,
wird an beiden Kathoden durch eine
schnelle Regelung der Sauerstofffluss
kontrolliert und so verhindert, dass die
Sputtertargets oxidieren.
Abbildung 2: Überblick über Werkzeugbeschichtungen und ihre maximalen Temperaturen.
Zusammenfassung
Die Trends in der Werkzeugbranche
hängen eng mit den Trends in den jeweiligen Märkten, wie zum Beispiel der
Automobilindustrie zusammen. Der Einsatz leichter und hochfester Materialien,
Ihre eigenen Herausforderungen auf
diesem Gebiet besprechen, wenden Sie
sich bitte an Michiel Eerden unter
+31 77 355 9704
oder [email protected]
(150b15-??)
Abbildung 3: Werkzeuge während des Produktionsprozesses
in einer Vakuumkammer mit Plasma.
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Werkzeug Technik 150b
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20 Oktober 2015