Erweiterung des Schichtspektrums durch Oxinitride und DLC
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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
> »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
er: P
latit
Das Herz der π-Beschichtungs-technologie von Platit sind dierotierenden Kathoden mit den dop-pelten Shutters, die eine flexibleKonfiguration erlauben
VON TIBOR CSELLE, MARCUS MORSTEIN, ANDRES LÜMKEMANN,
OLIVIER CODDET UND JAN PROCHAZKA
3
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
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
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-
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,
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