Auf zu neuen Ufern Werkzeug Technik

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BESCHICHTEN
Auf zu neuen Ufern
Oxidische und DLC-Schichten auch als Upgrade
T. Cselle, M. Morstein, A. Lümkemann, O. Coddet, J. Prochazka PLATIT AG, Selzach, Schweiz
– DLC-Schichten,
wobei sie vorzugweise
– als Tripel-Schichten in Kombination
mit Nanocomposite-Schichten aufgebaut werden.
1. Was ist wichtig
für den Schichtanwender?
Bild 1: Sprung in neue Märkte
des “blauen Ozeans“.
Abstract
“Früher oder später ändert sich
etwas Grundsätzliches in deinem
Geschäftsleben.“ [1.1].
Wenn das Geschäft boomt, kümmern
sich die Eigentümer von KMUs in erster
Linie um Produktionskapazitäten, rechtzeitig liefern zu können.
In der Krise brauchen die Unternehmen keine Kapazitätserhöhungen. Die
Krise ist die Zeit für grundsätzliche Änderungen, für neue innovative Technologien.
“Die Krise ist ein produktiver Zustand, man muss ihr nur den Beigeschmack der Katastrophe nehmen“ [1.2].
Die flexible In-House-Beschichtung
ist sicherlich eines der wichtigsten
Geschäftsmodelle, mit deren Hilfe die
Krise vermieden und/oder beendet werden kann. Sie ermöglicht
– den Wechsel von Lohnbeschichtung
zur Integration der Beschichtung in
die eigene Fertigung, damit die Produktion unabhängiger, stabiler und
innovativer wird sowie
– das Eindringen in neue Märkte, das
Verlassen des überfüllten Marktes des
roten Ozeans in die neuen Gewässer
des “Blue Ocean“ (Bild 1).
Dabei müssen die Schleifer den “sicheren“ Hafen der Zerspanungstechnik
zum Teil verlassen, aber “Schiffe sind
halt nicht für Häfen gebaut“ [1.3].
Die flexible In-House-Beschichtung
kann nur auf kompakten Beschichtungsanlagen basieren, die von der einfachen TiN über Nanocomposite und
Oxide bis zu DLC-Schichten praktisch
alle wichtigen PVD-Schichten abscheiden können. Die in erster Linie KMUKunden von Platit setzen die  - Beschichtungssysteme mit den extrem
flexiblen rotierenden Kathoden seit 2003
weltweit ein. Der Beitrag stellt die neuesten Entwicklungen dieser Anlagenfamilie mit folgenden Schwerpunkten vor;
– Oxidische und oxinitridische Schichten sowie
Bild 2: Was ist wichtig für den Schichtanwender?
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“Schneidstoff und Werkzeuggeometrie beherrschen alle führenden Werkzeughersteller. Die Wettbewerbsfähigkeit wird durch die angewandte
Beschichtungstechnologie entschieden“
[1.4].
Demnach helfen die von den Lohnbeschichtungszentren angebotenen Standardschichten nicht, die Konkurrenz zu
schlagen. Im Prinzip kann jedermann
diese Standardschichten sogar weltweit
beziehen. Um die Aufträge zu bekommen, muss man dedicated, an die
Anwendung angepasste Schichten
anbieten und dies möglichst exklusiv.
Das ist nur dann möglich, wenn man
die Beschichtung in die eigene
Fertigung integriert und diese dedicated
Schichten In-House entwickelt. Alle, die
für die Schichtanwender wichtige
Kriterien unterstreichen diese Aussage
[3]. Die entscheidenden Anforderungen
lassen sich ausnahmslos mit Hilfe der
In-House-Beschichtung am besten
erfüllen (Bild 2).
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Schichtoberflächen sind u.a. dieser Doppelt-Shuttertechnik zu verdanken.
2.2 Breites Schichtspektrum
Das breite Schichtspektrum ist dann
möglich, wenn die Umstellung der Anlage von der einen Schicht auf die andere schnell und einfach durchführbar
ist, sowie wenn die Prozesszeiten kurz
sind.
2.2.1 Konventionelle Schichten
Bild 3: LARC ®-Kathoden und –Shutters.
Das ist der Grund dafür, dass die Anzahl der angewendeten Schichten ständig wächst. Heute kennt man über 80
Schichten mit verschiedener chemischen
Zusammensetzung und weit mehr als
250, falls man die unterschiedlichen
Stöchiometrien auch berücksichtigt [4].
2. Was ist flexible
Beschichtung?
Die flexiblen Beschichtungssysteme
werden nur dann wirklich in die eigenen
Fertigungen 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 hochqualifiziertes
Personal betrieben werden kann,
– das System innerhalb von 2 Jahren
auch für KMUs rentabel wird,
– das System ein breites Schichtspektrum, von
• konventionellen bis zu letzten
Hochleistungsschichten abscheiden
kann, sowie
• die Eigenentwicklung von dedicated der jeweiligen Anwendung angepasste Schichten ermöglicht.
Das Herz der  - Technologie sind
die rotierenden Kathoden ([8], [9]) mit
den doppelten Shutters (Bild 3a):
– Die Targets werden mit Hilfe des Virtual-Shutters vor dem Beschichten
ohne Verschmutzen der Substrate
(Werkzeuge) gereinigt:
• Der Tube-Shutter ist geschlossen
um die Werkzeuge vom Schmutz
des vorherigen Prozesses zu schützen.
• der ARC brennt zur Rückseite; der
Virtual Shutter® ist eingeschaltet.
– Abscheidung (Beschichten) beginnt
mit sauberen Targets
• der Virtual Shutter ® ist ausgeschaltet,
• die Tube Shutters sind geöffnet,
• der ARC brennt zu den Werkzeugen.
Die sehr gute Haftung (ohne langes
Ätzen) und die glatten, dropletarmen
2.1 Innovative Anlagentechnik
“Innovation ist, wenn der Kunde sein
Portemonnaie öffnet“ [1.5].
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Bei der LARC-(LAteral Rotating
Cathodes)-Technologie arbeiten die
Kathoden dicht nebeneinander, was die
Verwendung von unlegierten Targets
und die Abscheidung einer grossen Anzahl von Schichten ohne Kathodenwechsel ermöglicht. Die Zusammensetzung und die Stöchiometrie der Schicht
werden per freiprogrammierbare Software bestimmt. Die im Bild 3b abgebildete EINE mögliche Kathodenkonfiguration (Cr-Al-Ti) produziert z.B. fast alle
marktgängigen PVD-Schichten.
– TiN, TiCN, TiCN-MP, Ti2N, SuperTiN;
– Ti A l N ( 5 0 / 5 0 % ) , A l Ti N ( 6 0 / 4 0 ,
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-TopSchicht.
Bild 4: TripleCoating3 ®; Kombination von
konventionellen und Nanocomposite-Schichten.
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2.2.2 Nanocomposite-Schichten
Zur Abscheidung von Nanocomposite-Schichten wird die Al-Kathode (Bild
3b) durch eine AlSi-Kathode ersetzt. Die
zur Nanokomposite-Bildung notwendige Spinodal-Segregation [9] kann dank
der Nähe der Kathoden Ti-AlSi bzw. CrAlSi verwirklicht werden.
Die nanocrystalline TiAlN oder AlCrN-Körner werden in die amorphe SiN
-Matrix eingebettet. wodurch die Nanocomposite-Struktur und die Nanocomposite-Schichten [8] entstehen:
– nACo®: TiAlN/SiN
– nACRo®: CrAlN/SiN
– nATCRo®: AlTiCrN/SiN
Die Steigerung der Härte wird allein
durch die Struktur erreicht. Die SiNMatrix umhüllt die harten Körner und
verhindert das Kornwachstum [10].
2.2.3 Tripel-Schichten
(TripleCoatings®)
Die Tripel-Schichten [3], [8], [10] sind
Kombinationen von konventionellen
und Nanocomposite-Schichten.
– nACo3® : TiN + AlTiN + nACo®
– nACRo3® : CrN + AlTiCrN + nACRo®
– n AT 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 Titan
und/oder Chrom, ohne Einbeziehung
von legierten Targets zu erreichen. Der
Haftlayer bildet mit dem ähnlichen
E-Modul einen weichen Übergang zwischen Substrat und Schicht.
Bild 5: TripleCoating3® und Oxinitrid-Schicht
beim Trockendrehen mit hoher
Schnittgeschwindigkeit.
– Der Kernlayer gewährt dank seiner
niedrigen internen Spannung einen
zähen Kern mit gutem Verschleisswiderstand und guter Härte. Dabei
wird auch die Zentralkathode (CERC®:
Central Rotating Cathode [5]) mit einbezogen, um höchste Abscheiderate,
d.h. Produktivität zu erreichen.
– Der Nanocomposite-Toplayer weist
eine sehr hohe Härte und eine exzellente thermische Isolierung (Silizium!)
bei hohem Widerstand gegen abrasiven Verschleiss auf.
Die Triple-Schichten streben durch
die Kombination verschiedener Schichtstrukturen eine universelle Anwendbarkeit an, wobei Spitzenergebnisse ([4],
[9], [11]) sich auch sehen lassen (Bild
5).
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Bild 6: Strukturen der oxidischen und
oxinitridischen PLATIT-Schichten.
2.2.4 Oxidische und
oxinitridische Schichten
“Kreativität ist die Verbindung von
Ideen“ [1.5].
Die erfolgreiche PVD-Abscheidung
und Anwendung von oxidischen und
oxinitridischen Schichten ist nur in Verbindung mit anderen Schichten möglich. Ansonsten können keine gute Haftung, Kohäsion und Härte erzielt
werden. In Verbindung mit konventionellen Nitriden, und besonders in Kombination mit Nanocomposite-Schichten
eröffnen sich wichtige Anwendungsgebiete.
Die oxidischen und oxinitridischen
Schichten bilden den Separator zwischen
Werkzeug/Bauteil und Werkstück um
in erster Linie in trockenen Zerspanprozessen (Bild 5), bei hohen Temperaturen eine niedrige Affinität zwischen
den beiden zu erreichen [12]. Sie bieten
dabei
– hohen Verschleissschutz
• gegen adhäsiven Verschleiss
• gegen abrasiven Verschleiss
• gegen Oxidation, Sauerstoff-Diffusion (die Schicht ist ja bereits ein
Oxid)
– Chemische und thermische Isolation
und chemische Indifferenz
– Reibungsreduzierung
• auch bei Temperaturen über 1000°C
– Reduzierung von Aufbauschneiden
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– 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 eine
metastabile Form von amorpher Kohle
mit einem bedeutenden Anteil von kubischen sp3 –Elementen (Bild 7).
und Material-Interdiffusion in der
Tribo-Kontakt-Zone.
Die Schichten werden (wie bei CVD)
in Multilayer-Struktur aufgebaut, da eine
Metall-Nitrid-Basis zur Vermeidung von
Rissen und von plastischen Deformationen notwendig ist (Bild 6).
Unsere bisher entwickelten oxidische
Schichten bauen wir durch die Erweiterung des Tripel-Prinzipes auf:
– AlCrNoX : CrN + AlCrN + AlCrON
(optional + AlCrN)
– nACoX ®: TiN + nACo + AlCrN +
AlCrON (optional + AlCrN)
Die ARC-Prozesse mit sauerstoffhaltigen Gasgemischen sind durch die rotierenden LARC®-Kathoden besonders
stabil:
Bild 7:
Strukturen der PLATIT-DLC-Schichten.
Die metalldotierte erste Generation
der PLATIT-DLC-Schichten (CBC; MeC:H) wird in einem reinem PVD-Prozess abgeschieden. Um eine gute Haftung zu erzielen, werden sie in
Kombination mit Hartschichten in einer
Charge hergestellt, wie ihre Namen es
auch beschreiben:
– CROMVIc ® = CrN+CBC
– cVIc ® = TiCN+CBC
– Während des Prozesses steigt die ARCSpannung nicht an.
– Es können hohe Ionenströme und
damit hohe Beschichtungsraten gefahren werden.
– Die Anwendung von DC-BIAS-Verstärkern ist bei kleinen O2-Gehalten
möglich, wobei mit Hilfe von MFgepulsten BIAS (bis zu 350 kHz) jegliche Aufladungen vermieden werden
können.
– Das bevorzugte Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff beträgt: N/O:
50/50% – 80/20%.
– nACVIc®: nACRo+CBC usw.
Die CBC-Schichten zielen auf die Verbesserung des Einlaufverhaltens von
Zerspanungs- und Umformwerkzeugen.
Es ist besonders wichtig bei der Bearbeitung von weichen, klebenden Materialien, die leicht eine Aufbauschneidenbildung verursachen.
Die metallfreie zweite Generation der
PLATIT-DLC-Schichten (CBC2: a-C:H:Si)
wird in einem kombinierten PVC –
PECVD-Prozess abgeschieden [5]. Wir
verwenden spezielle siliziumhaltige
Gase, wodurch die Schichten bedeutend
verbesserte Eigenschaften aufweisen:
– Stabilität
– Optische Transparenz
– für DLC-Schichten extrem gute Haftung (L c1> 55 N, L c2 > 75 N,
Lc3> 100 N)
– Hohe mechanische Härte (> 25 GPa)
– glatte Oberfläche ( Sa < 0.03 µm)
– niedriger Reibungskoeffizient (µ<0.1
für eine lange Zeit ohne Durchbruch;
Bild 8).
Bild 8: Vergleich der Reibungskoeffizienten der
PLATIT-DLC-Schichten.
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Die mit diesen Anlagen abscheidbaren
CBC 2-Schichten werden zur Beschichtung von hochwertigen Werkzeugen und
Bauteilen verwendet, die besonders hohe
Ansprüche in High-Tech-Anlagen erfüllen müssen (Bild 9):
– für Schnitt-, Stempel- und Umformwerkzeuge,
– für Gewindeformer
– für medizinische Instrumente und
Implantate
– für hochbeanspruchte Teile im Motorsport; Ventilschäfte, Steuerhebel, usw.
– für Teile des allgemeinen Maschinenbaus, wie Turbinenschaufel, Spulen für
Nähmaschinen usw.
Bild 9: DLC-Schichten
(Diamond Like Carbon) – Anwendungsbeispiele.
DLC-Schichten werden heute in erster Linie für in Grossserie gefertigte
Bauteile zum Verschleissschutz durch
Reibungsreduzierung eingesetzt. PLATIT will aber weiterhin nicht bei Grosskunden in die Massenfertigung einsteigen. Die neuen Anlagen ( 111+DLC,
 300+DLC, PL1001+DLC, Bild 10) weisen die folgenden wichtigsten zusätzli-
chen Merkmale gegenüber den Standardanlagen auf [5]:
– Virtual Shutter® in Kombination mit
Tube Shutters®
Die CBC 2-Schichten werden immer
zumindest mit einem dünnen PVD-Haftlayer, aber auch in Kombination mit
kompletten PVD-Schichten in einer
Charge hergestellt. Die wichtigsten
Strukturen mit ihren wichtigsten Anwendungsgebieten sind die folgenden:
– Gepulster ARC-Verstärker als Option
– cViC2®: TiCN + CBC2; Schnitt- und Umformwerkzeuge, medizinische Werkzeuge und Implantate
– Zusätzliche Gastanks und Gasleitungen mit Mass Flow Controllers
– CROMVIc2®: CrN +CBC2; Bauteile auch
mit niedriger Beschichtungstemperatur
– 350 kHz BIAS-Verstärker
– spezielle Heizung mit Schmutzfiltern
– Upgrade durchführbar beim Anwender
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Bild 10: PLATIT-Beschichtungsanlagen
zur Abscheidung von OXI und DLC-Schichten.
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– CROMTIVIc2®: CrTiN + CBC2; Bauteile
mit Korrosionsschutz, Werkzeuge zur
Aluminiumzerspanung
– nACVIc2®: nACRo® + CBC2; Zerspanund Umformwerkzeuge für schwierig
zu bearbeitende Materialien (Inconel,
Titanlegierungen usw.)
– Fi-VIc 2®: nACo ® + CBC 2; hochbeanspruchte Bauteile (z.B. Ventilschäfte)
3. Zusammenfassung
und Ausblick
Wenn als KMU eine hochwertige Anlage kauft, erwartet man neben der tagtäglichen Service-Unterstützung die kon-
tinuierliche Weiterentwicklung des Produktes. Z.B. die Herstellung von dedicated, an die jeweiligen Anwendungen
angepassten Schichten [12]. So kann das
KMU immer wieder mit den grossen
Anbietern mithalten und sie sogar überholen.
Der Beitrag stellt die aktuelle Weiterentwicklung der  -Beschichtungsanlagen-Familie von PLATIT vor. Die bestehenden Anlagen sind mit Hilfe von
Hard- und Software-Upgrades vor Ort
erweiterbar um oxidische, oxinitridische
und eine neue Generation von DLCSchichten herstellen zu können.
Diese Upgrades ermöglichen dem
Anwender
– Zerspanwerkzeuge für neue Bearbeitungsgebiete zu beschichten, sowie
– in neue Märkte einzudringen [13].
Dies ist sogar für Lohnbeschichter
sehr hilfsreich. Mit Hilfe der kompakten
Anlagen können sie auch Aufträge mit
kleineren Mengen ohne Aufpreis annehmen und mit dedicated Schichten
versehen.
Denn “nachhaltige Erfolge können
nur durch Entwicklung innovativer,
neuer Märkte erzielt werden, die den
Kunden wirklich differenzierende und
relevante Nutzen bieten.“ [1.6], [15], [16].
(10909-91)
Referenzen
[9] Morstein, M. a.o.: Rotating ARC PVD Cathodes – Five
[1] Zitate:
[1.1] Andrew Groove, Intel Corp., [1.2]; Max Frisch,
Schweizer Schriftsteller.
Years of Dependable High Performance - ICTCMF,
[1.3] Grace Hopper, US Navy - [1.4]; Michael Müller,
Walter AG.
[10] Veprek, S., a.o.: Different Approaches to Superhard Coat-
[1.5] Steve Jobs, Apple Inc - [1.6]; Renée Mauborgne,
W. Chan Kim, INSEAD.
G7-6, San Diego, April/2007 .
ings and Nanocomposites - Thin Solid Films, Elsevier,
Amsterdam, 476 (2005) p. 1-29.
[11] Cselle, T., u.a.: TripleCoatings – New Generation of PVD-
[2] Groove, A.: Only the paranoid survive – Doubleday,
New York, 1996.
Coatings for Cutting Tools - Machine Manufacturing,
[3] Thin-Film Coating Market – Study – LEK Consulting
GmbH, München, 2007.
[12] Morstein, M. u.a.: Influence of the Chemical Composition
[4] Cselle, T. u.a.: TripleCoatings – eine neue Generation von
PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge - Spanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.258-268.
posite Coatings - ICTCMF, B6-3-3, San Diego, May/2009.
[13] FETTE-IFT-PLATIT: LMT-NANOSPHERE: Massge-
[5] Compendium 2009 – PLATIT AG, Grenchen, 2009 –
Download: www.platit.com
Lebensdauerkosten - LMT-Symposium, Oberkochen,
[6] Preiß, P.; u.a.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und
Beschichtung auf das Leistungsvermögen von Präzisionszerspanungswerkzeugen - 8. Schmalkaldener Werkzeugtagung, 05./06.11.2008.
[14] Cselle, T. u.a.: Flexible Beschichtung von TiN über
[7] Lümkemann, A., u.a.: Nanocomposite Coatings and Triple
Coatings on High Performance Tools with Dedicated
Edge Preparation - ICTCMF, GP-1, San Diego, April/2009.
[8] Holubar, P., Jilek, M.: Success of nanostructured coatings
prepared by novel ARC-technology - E-MRS Spring
Meeting, Strasbourg, Mai/2004.
6
●
Budapest, 1/2009, p.19-25.
on the Tribological Properties of Nitride-Based Nanocom-
schneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die
März/2009.
Nanocomposite und Oxide zu DLC – Industrie-Workshop, Schmalkalden, 16.06.2009.
[15] Mauborgne, R., Kim C.W.: Blue Ocean Strategy: How
to Create Uncontested Market Space and Make Competition Irrelevant, Harvard, Boston, 2005.
[16] Förster, A., Kreuz, P.: Different Thinking!: So erschliessen
Werkzeug Technik 109
Sie Marktchancen mit coolen Produktideen – Redline
Wirtschaftsverlag, München, 2005.
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