Der Anwendung angepast

Der Anwendung angepast

Erweiterung des Schichtspektrums

durch Oxinitride und DLC

Werkstatt + Betrieb

Zeitschrift für spanende Fertigung

SPECIAL: Drehen // Seite 49

November 2009 / 142. Jahrgang www.werkstatt-betrieb.de

11/09

>

> EMO-RÜCKBLICKHoffnungsträger Innovation:Flucht aus der Krise mithilfeneuer Produkte // Seite 14

> WB-BRANCHENSTUDIEParole Zweckoptimismus:So sehen deutsche Zerspanerdie kommenden Jahre // Seite 24

> PROZESSMANAGEMENTDank ERP und PPS mehrTransparenz, Produktivitätund Datenqualität // Seite 73

© Carl Hanser Verlag, München. 2010. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen

Wiedergabe dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.

Sonderdruck aus der Fachzeitschrift WB Werkstatt+Betrieb 11/2009

PLATIT AGEichholzst. 9 - P.O.Box 151CH-2545 Selzach / SO, SchweizTel.: +41 (32) 544 62 00Fax: +41 (32) 544 62 20eMail: [email protected]

2 > BeschichtungW E R K Z E U G E

> »Die Krise ist ein produktiver Zustand,man muss ihr nur den Beigeschmack derKatastrophe nehmen« [1.1]. Innerhalbder Krise brauchen Unternehmen keineKapazitätserhöhung. Aus der Krise kannman nur mithilfe innovativer Technolo-gien herauskommen, die das bisherigeProdukt mit höherer Qualität herstellenoder die mit ihrer hohen Flexibilität dasEindringen in neue Märkte ermöglichen.Die flexible Inhouse-Beschichtung ist si-cherlich eines der wichtigsten Geschäfts-modelle, mit deren Auswirkungen dieKrise gemindert werden kann. Sie basiertauf kompakten Beschichtungsanlagen, dievon der einfachen TiN- über Nanocom-posite- und Oxid- bis zu DLC-Schichtenpraktisch alle wichtigen PVD-Schichtenabscheiden können. Die Kunden von Pla-tit, in erster Linie KMUs, setzen die π-Be-

schichtungssysteme mit den flexiblen ro-tierenden Kathoden seit 2003 weltweitein. Der Beitrag präsentiert die neuestenEntwicklungen der Anlagenfamilie in denSchwerpunkten: oxidische und oxinitri-dische Schichten sowie DLC-Schichten,die vorzugsweise als Tripel-Schichten inKombination mit Nanocomposite-Schich-ten aufgebaut werden.

Der Anwender

braucht angepasste Schichten

»Schneidstoff und Werkzeuggeometriebeherrschen alle führenden Werkzeug-hersteller. Die Wettbewerbsfähigkeit wirddurch die angewandte Beschichtungstech-nologie entschieden« [1.2]. Demnach hel-fen die von den Lohnbeschichtungszen-tren angebotenen Standardschichten nicht,die Konkurrenz zu schlagen. Im Prinzip

kann jedermann diese Standardschichtensogar weltweit beziehen. Um die Aufträgezu bekommen, muss man ›dedicated‹ – andie Anwendung angepasste – Schichtenanbieten,und dies möglichst exklusiv.Diesist nur möglich, wenn man die Beschich-tung in die eigene Fertigung integriert unddedicated Schichten inhouse entwickelt.Alle für die Schichtanwender wichtigenKriterien unterstreichen diese Aussage [2].Die entscheidenden Anforderungen lassensich ausnahmslos mithilfe der Inhouse-Beschichtung am besten erfüllen. Das istder Grund, weshalb die Zahl der angewen-deten Schichten ständig wächst. Heutekennt man über 80 Schichten mit verschie-dener chemischer Zusammensetzung. Be-rücksichtigt man die unterschiedlichenStöchiometrien, kommt man sogar aufmehr als 250 [3].

Flexible Beschichtungssysteme werdennur dann wirklich in die eigenen Fertigun-gen integriert, wenn:■ schlüsselfertige Beschichtungssysteme

[4] geliefert werden können, inklusiveVor- und Nachbehandlung der Schneid-kanten und Oberflächen [5, 6, 7], Ent-schichtung, Reinigung und Qualitätssi-cherung,

■ das System ohne hochqualifiziertes Per-sonal betrieben werden kann,

■ das System innerhalb von zwei Jahrenauch für KMUs rentabel wird,

Erweiterung des Schichtspektrums durch Oxinitride und DLC

Der Anwendung angepasstOxidische und oxinitridische Schichten sowie DLC-Schichten, letztere vorzugsweise

als Tripel-Schichten in Kombination mit Nanocomposite-Schichten aufgebaut,

sind die neuesten Beschichtungsmöglichkeiten der π-Anlagenfamilie von Platit.

Bild

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latit

Das Herz der π-Beschichtungs-technologie von Platit sind dierotierenden Kathoden mit den dop-pelten Shutters, die eine flexibleKonfiguration erlauben

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© Carl Hanser Verlag, München WB 11/2009

VON TIBOR CSELLE, MARCUS MORSTEIN, ANDRES LÜMKEMANN,

OLIVIER CODDET UND JAN PROCHAZKA

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WB 11/2009

■ das System ein breites Schichtspektrumvon konventionellen bis zu letzten Hoch-leistungsschichten abscheiden kann unddie Eigenentwicklung von dedicatedSchichten ermöglicht.

Innovative Anlagentechnik

für ein breites Schichtspektrum

»Innovation ist, wenn der Kunde sein Por-temonnaie öffnet« [1.3]. Das Herz der π-Technologie sind die rotierenden Katho-den [4, 8] mit den doppelten Shutters(Bild 1, links). Die Targets werden mit-hilfe des ›Virtual Shutters‹ vor dem Be-schichten ohne Verschmutzen der Sub-strate (Werkzeuge) gereinigt:■ Der ›Tube Shutter‹ ist geschlossen, um

die Werkzeuge vor Schmutz des vorhe-rigen Prozesses zu schützen.

■ Der ARC brennt zur Rückseite; der Vir-tual Shutter ist eingeschaltet.

Die Abscheidung (Beschichten) beginntmit 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 Schichtober-flächen sind unter anderem dieser Dop-pelt-Shutter-Technik zu verdanken.

Ein breites Schichtspektrum ist dannmöglich, wenn die Umstellung der Anla-ge von der einen Schicht auf die andereschnell und einfach durchführbar ist undwenn die Prozesszeiten kurz sind.

Bei der ›LARC‹-Technologie (LAteralRotating Cathodes) arbeiten die Kathodendicht nebeneinander, was die Verwendung

unlegierter Targets und die Abscheidungeiner großen Anzahl von Schichten ohneKathodenwechsel ermöglicht. Die Zusam-mensetzung und die Stöchiometrie derSchicht werden per frei programmierba-rer Software bestimmt. Mit der Kathoden-konfiguration Cr-Al-Ti (Bild 1,rechts) pro-duziert die Maschine ›π300‹ fast alle amMarkt gängigen PVD-Schichten:■ TiN, TiCN, TiCN-MP, Ti2N, SuperTiN,■ TiAlN (50/50 Prozent), AlTiN (60/40,

67/33 Prozent),■ TiAlCN (75/25, 80/20 Prozent),

■ CrN, CrTiN, AlCrN (70/30, 80/20 Pro-zent),

■ TiAlCrN = All-in-One,■ sämtliche Schichten auch mit DLC-Top-

Schicht.Zur Abscheidung von Nanocomposite-Schichten wird die Al-Kathode (Bild 1,rechts) durch eine AlSi-Kathode ersetzt.Die zur Nanocomposite-Bildung notwen-dige Spinodal-Segregation [9] kann dankder minimalen Entfernung zwischen denKathoden Ti-AlSi beziehungsweise Cr-Al-Si verwirklicht werden. Die nanocrystalli-ne TiAlN oder AlCrN-Körner werden in dieamorphe SiN-Matrix eingebettet,wodurchdie Nanocomposite-Struktur und die Na-nocomposite-Schichten [8] entstehen:

■ ›nACo‹: TiAlN/SiN,■ ›nACRo‹: CrAlN/SiN,■ ›nATCRo‹: AlTiCrN/SiN.Die Steigerung der Härte wird allein durchdie Struktur erreicht. Die SiN-Matrix um-hüllt die harten Körner und verhindert dasKornwachstum (Bild 2).

Tripel-Schichten [3, 8, 10] sind Kombi-nationen von konventionellen und Nano-composite-Schichten:■ ›nACo3‹: TiN + AlTiN + nACo,■ ›nACRo3‹: CrN + AlTiCrN A nACRo,■ ›nATCRo3‹: CrTiN + AlTiN + nACTRo.Sie werden in drei Phasen abgeschieden(Bild 2). Die beste Haftung ist immer mitTitan und/oder Chrom ohne Einbeziehunglegierter Targets zu erreichen. Der Haft-layer bildet mit dem ähnlichen E-Moduleinen weichen Übergang zwischen Sub-strat und Schicht. Der Kernlayer gewährtdank seiner niedrigen internen Spannung

In drei Phasen abgeschieden, sind ›TripleCoating3s‹ eine Kombination vonkonventionellen und Nanocomposite-Schichten2

Nachgewiesen: Eine TripleCoating3 und eine Oxinitrid-Schicht erlauben beimTrockendrehen hohe Schnittgeschwindigkeiten3

HERSTELLERiPLATIT AGCH-2545 Selzach Tel. +41 32 5446200Fax +41 32 5446220> www.platit.com

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einen zähen Kern mit gutem Verschleiß-widerstand und guter Härte. Um höchsteAbscheiderate – das heißt Produktivität –zu erreichen, wird dabei auch die Zentral-kathode ›CERC‹ (CEntral Rotating Catho-de [4]) einbezogen. Der Nanocomposite-Toplayer weist eine sehr hohe Härte undexzellente thermische Isolierung (Silizi-um) bei hohem Widerstand gegen abra-siven Verschleiß auf. Die Triple-Schichtenstreben durch die Kombination verschie-dener Schichtstrukturen eine universelleAnwendbarkeit an, wobei auch Spitzen-ergebnisse [3, 8, 10] zustande kommen(Bild 3).

Neue Beschichtungen erweitern

das Anwendungsspektrum

»Kreativität ist die Verbindung von Ideen«[1.3]. Die erfolgreiche PVD-Abscheidungund Anwendung oxidischer und oxinitri-discher Schichten ist nur in Verbindungmit anderen Schichten möglich. Andern-falls können keine gute Haftung, Kohäsionund Härte erzielt werden. In Kombinationmit konventionellen Nitriden – beson-ders in Verbindung mit Nanocomposite-Schichten – eröffnen sich wichtige Anwen-dungsgebiete.Oxidische und oxinitridischeSchichten bilden den Separator zwischenWerkzeug/Bauteil und Werkstück, umvor allem in trockenen Zerspanprozessen(Bild 3) bei hohen Temperaturen eineniedrige Affinität zwischen Werkstückund Werkzeug zu erreichen [11]. Sie bie-ten dabei:

■ hohen Schutz gegen adhäsiven und ab-rasiven Verschleiß sowie gegen Oxida-tion und Sauerstoff-Diffusion (Schichtist bereits ein Oxid),

■ chemische und thermische Isolationund chemische Indifferenz,

■ Reibungsreduzierung auch bei Tempe-raturen über 1000° C,

■ Reduzierung von Aufbauschneiden undMaterial-Interdiffusion in der Tribo-Kontakt-Zone.

Die Schichten werden (wie bei CVD) inMultilayer-Struktur aufgebaut, da eineMetall-Nitrid-Basis zur Vermeidung vonRissen und plastischen Deformationennotwendig ist (Bild 4). Die bei Platit inSelzach/Schweiz entwickelten Schichten

bauen sich nach dem Tripel-Prinzip auf:■ ›AlCrNoX‹: CrN + AlCrN + AlCrON

(optional + AlCrN),■ ›nACoX‹: TiN + nACo + AlCrN + Al-

CrON (optional + AlCrN).Die ARC-Prozesse mit sauerstoffhaltigenGasgemischen sind durch die rotierendenLARC-Kathoden besonders stabil. Wäh-rend des Prozesses steigt die ARC-Span-nung nicht an. Es können hohe Ionenströ-me und damit hohe Beschichtungsratengefahren werden.Die Anwendung von DC-BIAS-Verstärkern ist bei kleinen O2-Ge-halten möglich, wobei sich mithilfe vonMF-gepulsten BIAS (bis zu 350 kHz) jeg-liche Aufladungen vermeiden lassen. Dasbevorzugte Verhältnis von Stickstoff zuSauerstoff (N/O) beträgt 50/50 bis 80/20Prozent.Die typische Schichtdicke an Dreh-

platten beläuft sich auf 7 bis 18 µm. Dietypische Gesamthärte ist 30 GPa und dertypische E-Modul rund 400 GPa.

Diamond-Like Coating (DLC) ist einemetastabile Form von amorpher Kohlemit einem bedeutenden Anteil kubischersp3-Elemente. Die metalldotierte erste Ge-neration der Platit-DLC-Schichten (CBC;Me-C:H) wird in einem reinen PVD-Pro-zess abgeschieden. Um eine gute Haftungzu erzielen,werden sie in Kombination mitHartschichten in einer Charge hergestellt,wie es ihre Namen auch beschreiben:›CROMVIc‹: CrN + CBC, ›cVIc‹: TiCN +CBC oder auch ›nACVIc‹: nACRo + CBC.

Die CBC-Schichten zielen auf die Ver-besserung des Einlaufverhaltens von Zer-

Strukturen der oxidischen und oxinitridischen Platit-Schichten4

Beschichtungsanlagen ›Platit+‹ zur Abscheidung von OXI- und DLC-Schichten5

spanungs- und Umformwerkzeugen. Be-sonders wichtig ist dieses Verhalten bei derBearbeitung weicher, klebender Materia-lien, die leicht eine Aufbauschneidenbil-dung verursachen. Die metallfreie zwei-te Generation der Platit-DLC-Schichten(CBC2: a-C:H:Si) wird in einem kombi-nierten PVC-PECVD-Prozess abgeschie-den [4]. Platit verwendet spezielle silizi-umhaltige Gase, wodurch die Schichtenbedeutend verbesserte Eigenschaften auf-weisen:■ chemische 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 < 0,1

für eine lange Zeit ohne Durchbruch).DLC-Schichten werden heute in erster Li-nie für in Großserie gefertigte Bauteile ein-gesetzt,um durch Reibungsreduzierung vorVerschleiß zu schützen. Platit will aberweiterhin nicht bei Großkunden in dieMassenfertigung einsteigen.

Die neuen Anlagen des Schweizer Un-ternehmens (›π111+DLC‹, ›π300+DLC‹,›PL1001+DLC‹, Bild 5) weisen gegenüberden Standardanlagen folgende zusätzlicheMerkmale auf [4]:■ Virtual Shutter in Kombination mit

Tube Shutters,■ 350 kHz BIAS-Verstärker,■ gepulster ARC-Verstärker als Option,■ zusätzliche Gastanks und Gasleitung

mit Mass Flow Controller,■ spezielle Heizung mit Schmutzfiltern,■ Upgrade durchführbar beim Anwender.Mithilfe dieser Anlagen werden hochwer-tige Werkzeuge und Bauteile mit CBC2-Schichten ausgerüstet, die besonders hoheAnsprüche an Hightech-Anlagen stellen.Angefangen bei Schnitt-, Stempel- undUmformwerkzeugen umfasst das auchGewindeformer,medizinische Instrumen-te und Implantate bis hin zu hoch bean-spruchten Teilen im Motorsport oder imallgemeinen Maschinenbau.

Die CBC2-Schichten werden immer mitmindestens einem dünnen PVD-Haftlay-er hergestellt, aber auch in Kombinationmit kompletten PVD-Schichten in einerCharge. Die wichtigsten Strukturen undzugehörigen Anwendungsgebiete sind:■ ›cViC2‹:TiCN + CBC2;Schnitt- und Um-

formwerkzeuge, medizinische Werk-zeuge und Implantate,

■ ›CROMVIc2‹: CrN +CBC2; Bauteile auchmit niedriger Beschichtungstemperatur,

■ ›CROMTIVIc2‹: CrTiN + CBC2; Bautei-le mit Korrosionsschutz,Werkzeuge zurAluminiumzerspanung,

■ ›nACVIc2‹: nACRo + CBC2; Zerspan-und Umformwerkzeuge für schwierigzu bearbeitende Materialien (Inconel,Titanlegierungen et cetera),

■ ›Fi-VIc2‹: nACo + CBC2; hoch bean-spruchte Bauteile (wie Ventilschäfte).

Zusammenfassung und Ausblick

Wenn ein KMU eine hochwertige Anlagekauft, erwartet es neben der tagtäglichenService-Unterstützung die kontinuierlicheWeiterentwicklung des Produktes. Dazugehört auch die Herstellung von dedica-ted Schichten [12].So kann das KMU auchmit großen Anbietern mithalten oder siegar überholen.Die aktuelle Weiterentwick-lung der π-Beschichtungsanlagen-Familievon Platit kann dazu einen Beitrag leisten.Bestehende Anlagen sind über Hard- undSoftware-Upgrades vor Ort erweiterbar,um oxidische,oxinitridische und eine neueGeneration von DLC-Schichten herstellenzu können. Die Upgrades ermöglichen esdem Anwender,Zerspanwerkzeuge für neueBearbeitungsgebiete zu beschichten undin neue Märkte einzudringen [13]. Denn:»Nachhaltige Erfolge können nur durchEntwicklung innovativer, neuer Märkteerzielt werden, die Kunden wirklich diffe-renzierenden und relevanten Nutzen bie-ten.« [1.5, 14] ❚

LITERATUR

1.1 Max Frisch, Schweizer Schriftsteller

1.2 Michael Müller, Walter AG

1.3, 1.4 Steve Jobs, Apple Inc.

1.5 Renée Mauborgne, W. Chan Kim, Insead

2 Thin-Film Coating Market, Study, LEK Consul-

ting GmbH, München 2007

3 Cselle, T. u. a.: TripleCoatings – eine neue Ge-

neration von PVD-Schichten für Zerspanwerk-

zeuge – Spanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Es-

sen 2008, S. 258-268

4 Compendium 2010, PLATIT AG, Selzach, 2010,

www.platit.com

5 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,

www.platit.com

6 Preiß, P. u. a.: Einfluss der Schneidkantenpräpa-

ration und Beschichtung auf das Leistungsvermö-

gen von Präzisionszerspanungswerkzeugen, 8.

Schmalkaldener Werkzeugtagung, 05./06.11.2008

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 Morstein, M. u. a.: Rotating ARC PVD Catho-

des, Five Years of Dependable High Performance,

ICTCMF, G7-6, San Diego, April/2007

9 Veprek, S. u. a.: Different Approaches to Super-

hard Coatings and Nanocomposites, Thin Solid

Films, Elsevier, Amsterdam, 476 (2005), S. 1-29

10 Cselle, T. u. a.: TripleCoatings – New Genera-

tion of PVD-Coatings for Cutting Tools Machine

Manufacturing, Budapest, 1/2009, S. 19-25

11 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

12 Fette-IFT-Platit: LMT-Nanosphere: Maßge-

schneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die

Lebensdauerkosten, LMT-Symposium, Oberko-

chen, März/2009

13 Cselle, T. u. a.: Flexible Beschichtung von TiN

über Nanocomposite und Oxide zu DLC – Indus-

trie-Workshop, Schmalkalden, 16.06.2009

14 Mauborgne, R.; Kim, C. W.: Blue Ocean Stra-

tegy: How to Create Uncontested Market Space

and Make Competition Irrelevant, Harvard, Bos-

ton 2005

Artikel als PDF unter www.werkstatt-betrieb.de

Suchbegriff > WB110127

Dr.-Ing. Tibor Cselle ist Geschäftsführer beiPlatit in Selzach/Schweiz

> [email protected]

Dr.-Chem. Marcus Morstein ist Leiter derAbteilung F&E bei Platit

> [email protected]

Dr.-Phys. Andreas Lümkemann ist Mitarbeiter in der Abteilung F&E bei Platit

> [email protected]

Dipl.-Phys. Olivier Coddet ist Mitarbeiter inder Abteilung F&E bei Platit

> [email protected]

Dr. Jan Prochazka ist Mitarbeiter in der Abteilung F&E bei Platit

> [email protected]

5 > BeschichtungW E R K Z E U G E

© Carl Hanser Verlag, München WB 11/2009

®3TripleCoatingsAngepasst an Anwendungen und Anwender

Material: 1.2080 - X210Cr12 (Härte = 60,5 HRC)

Werkzeuge: VHM-Kugelkopffräser - d=10 mm – z=2

n =10445 min-1, ap = 0.14mm, ae = 0.1mm, fz = 0.1mm, externe Kaltluftdüse

Hartfräsen mit dedicated Schichten

®3Mikro-Abwälzfräsen mit dedicated Schicht: AlXN

Trockenes Mikro-Abwälzfräsen – vc=200 m/min

Quelle: WZ-Hersteller, Japan

Standard-

schicht

des WZ-

Herstellers

3®AlX N1

AlX N2

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® 3Hartdrehen mit beschichteten CBN-WSP: nACo mit speziellem Haftlayer

Mat: 100Cr6 – 63 HRC – vc=140 m/min – f=0.12mm

ap=0.2mm trocken - Quelle: GFE, Schmalkalden

Standweg Lf [m]

Nach Fräsweg: Lf=444 m

Nach Fräsweg: Lf=888 m

Haftlayer mit verschiedenen InterfacesMultilayer Schicht; AlTiN

Top-Layer; nACo

Haftlayer 0 Haftlayer 1Haftlayer 2

Gradienter Haftlayer

CBN CBN CBN

Spezielle Marktschicht-1für Hartfräsen



3®nACo


nACo3®

Der Anwendung angepast

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