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Sonderdruck aus der Fachzeitschrift WB Werkstatt+Betrieb 11/2009

Der Anwendung angepast Erweiterung des Schichtspektrums durch Oxinitride und DLC

Werkstatt + Betrieb Zeitschrift für spanende Fertigung

11/09

> > EMO-RÜCKBLICK Hoffnungsträger Innovation: Flucht aus der Krise mithilfe neuer Produkte // Seite 14

SPECIAL:

Drehen // Seite 49

> WB-BRANCHENSTUDIE Parole Zweckoptimismus: So sehen deutsche Zerspaner die kommenden Jahre // Seite 24

> PROZESSMANAGEMENT Dank ERP und PPS mehr Transparenz, Produktivität und Datenqualität // Seite 73

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

PLATIT AG Eichholzst. 9 - P.O.Box 151 CH-2545 Selzach / SO, Schweiz Tel.: +41 (32) 544 62 00 Fax: +41 (32) 544 62 20 eMail: info@platit.com www.platit.com

© Carl Hanser Verlag, München. 2010. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen Wiedergabe dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.


WERKZEUGE

> Beschichtung

Erweiterung des Schichtspektrums durch Oxinitride und DLC

Der Anwendung angepasst Oxidische 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.

1 Das Herz der π-Beschichtungstechnologie von Platit sind die rotierenden Kathoden mit den doppelten Shutters, die eine flexible Konfiguration erlauben

VON TIBOR CSELLE, MARCUS MORSTEIN, ANDRES LÜMKEMANN, OLIVIER CODDET UND JAN PROCHAZKA

> »Die Krise ist ein produktiver Zustand, man muss ihr nur den Beigeschmack der Katastrophe nehmen« [1.1]. Innerhalb der Krise brauchen Unternehmen keine Kapazitätserhöhung. Aus der Krise kann man nur mithilfe innovativer Technologien herauskommen, die das bisherige Produkt mit höherer Qualität herstellen oder die mit ihrer hohen Flexibilität das Eindringen in neue Märkte ermöglichen. Die flexible Inhouse-Beschichtung ist sicherlich eines der wichtigsten Geschäftsmodelle, mit deren Auswirkungen die Krise gemindert werden kann. Sie basiert auf kompakten Beschichtungsanlagen, die von der einfachen TiN- über Nanocomposite- und Oxid- bis zu DLC-Schichten praktisch alle wichtigen PVD-Schichten abscheiden können. Die Kunden von Platit, in erster Linie KMUs, setzen die π-Be-

schichtungssysteme mit den flexiblen rotierenden Kathoden seit 2003 weltweit ein. Der Beitrag präsentiert die neuesten Entwicklungen der Anlagenfamilie in den Schwerpunkten: oxidische und oxinitridische Schichten sowie DLC-Schichten, die vorzugsweise als Tripel-Schichten in Kombination mit Nanocomposite-Schichten aufgebaut werden.

Der Anwender braucht angepasste Schichten »Schneidstoff und Werkzeuggeometrie beherrschen alle führenden Werkzeughersteller. Die Wettbewerbsfähigkeit wird durch die angewandte Beschichtungstechnologie entschieden« [1.2]. 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. Dies ist nur möglich, wenn man die Beschichtung in die eigene Fertigung integriert und dedicated Schichten inhouse entwickelt. Alle für die Schichtanwender wichtigen Kriterien unterstreichen diese Aussage [2]. Die entscheidenden Anforderungen lassen sich ausnahmslos mithilfe der InhouseBeschichtung am besten erfüllen. Das ist der Grund, weshalb die Zahl der angewendeten Schichten ständig wächst. Heute kennt man über 80 Schichten mit verschiedener chemischer Zusammensetzung. Berücksichtigt man die unterschiedlichen Stöchiometrien, kommt man sogar auf mehr als 250 [3]. Flexible Beschichtungssysteme werden nur dann wirklich in die eigenen Fertigungen integriert, wenn: ■ schlüsselfertige Beschichtungssysteme [4] geliefert werden können, inklusive Vor- und Nachbehandlung der Schneidkanten und Oberflächen [5, 6, 7], Entschichtung, Reinigung und Qualitätssicherung, ■ das System ohne hochqualifiziertes Personal betrieben werden kann, ■ das System innerhalb von zwei Jahren auch für KMUs rentabel wird, © Carl Hanser Verlag, München WB 11/2009

Bilder: Platit

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2 In drei Phasen abgeschieden, sind ›TripleCoating3s‹ eine Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten

CrN, CrTiN, AlCrN (70/30, 80/20 Prozent), ■ TiAlCrN = All-in-One, ■ sämtliche Schichten auch mit DLC-TopSchicht. Zur Abscheidung von NanocompositeSchichten wird die Al-Kathode (Bild 1, rechts) durch eine AlSi-Kathode ersetzt. Die zur Nanocomposite-Bildung notwendige Spinodal-Segregation [9] kann dank der minimalen Entfernung zwischen den Kathoden Ti-AlSi beziehungsweise Cr-AlSi 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:

das System ein breites Schichtspektrum von konventionellen bis zu letzten Hochleistungsschichten abscheiden kann und die Eigenentwicklung von dedicated Schichten ermöglicht.

Innovative Anlagentechnik für ein breites Schichtspektrum »Innovation ist, wenn der Kunde sein Portemonnaie öffnet« [1.3]. Das Herz der πTechnologie sind die rotierenden Kathoden [4, 8] mit den doppelten Shutters (Bild 1, links). Die Targets werden mithilfe des ›Virtual Shutters‹ vor dem Beschichten ohne Verschmutzen der Substrate (Werkzeuge) gereinigt: ■ Der ›Tube Shutter‹ ist geschlossen, um die Werkzeuge vor Schmutz des vorherigen Prozesses zu schützen. ■ Der ARC brennt zur Rückseite; der Virtual Shutter ist eingeschaltet. Die 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 Schichtoberflächen sind unter anderem dieser Doppelt-Shutter-Technik zu verdanken. Ein breites Schichtspektrum ist dann möglich, wenn die Umstellung der Anlage von der einen Schicht auf die andere schnell und einfach durchführbar ist und wenn die Prozesszeiten kurz sind. Bei der ›LARC‹-Technologie (LAteral Rotating Cathodes) arbeiten die Kathoden dicht nebeneinander, was die Verwendung WB 11/2009

3 Nachgewiesen: Eine TripleCoating3 und eine Oxinitrid-Schicht erlauben beim Trockendrehen hohe Schnittgeschwindigkeiten

unlegierter Targets und die Abscheidung einer großen Anzahl von Schichten ohne Kathodenwechsel ermöglicht. Die Zusammensetzung und die Stöchiometrie der Schicht werden per frei programmierbarer Software bestimmt. Mit der Kathodenkonfiguration Cr-Al-Ti (Bild 1,rechts) produziert die Maschine ›π300‹ fast alle am Markt 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),

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HERSTELLER

PLATIT AG CH-2545 Selzach Tel. +41 32 5446200 Fax +41 32 5446220 > www.platit.com

›nACo‹: TiAlN/SiN, ■ ›nACRo‹: CrAlN/SiN, ■ ›nATCRo‹: AlTiCrN/SiN. Die Steigerung der Härte wird allein durch die Struktur erreicht. Die SiN-Matrix umhüllt die harten Körner und verhindert das Kornwachstum (Bild 2). Tripel-Schichten [3, 8, 10] sind Kombinationen von konventionellen und Nanocomposite-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 mit Titan und/oder Chrom ohne Einbeziehung legierter Targets zu erreichen. Der Haftlayer bildet mit dem ähnlichen E-Modul einen weichen Übergang zwischen Substrat und Schicht. Der Kernlayer gewährt dank seiner niedrigen internen Spannung


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4 Strukturen der oxidischen und oxinitridischen Platit-Schichten

bauen sich nach dem Tripel-Prinzip 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. Während des Prozesses steigt die ARC-Spannung nicht an. Es können hohe Ionenströme und damit hohe Beschichtungsraten gefahren werden.Die Anwendung von DCBIAS-Verstärkern ist bei kleinen O2-Gehalten möglich, wobei sich mithilfe von MF-gepulsten BIAS (bis zu 350 kHz) jegliche Aufladungen vermeiden lassen. Das bevorzugte Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff (N/O) beträgt 50/50 bis 80/20 Prozent.Die typische Schichtdicke an Dreh-

einen zähen Kern mit gutem Verschleißwiderstand und guter Härte. Um höchste Abscheiderate – das heißt Produktivität – zu erreichen, wird dabei auch die Zentralkathode ›CERC‹ (CEntral Rotating Cathode [4]) einbezogen. Der NanocompositeToplayer weist eine sehr hohe Härte und 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 auch Spitzenergebnisse [3, 8, 10] zustande kommen (Bild 3).

Neue Beschichtungen erweitern das Anwendungsspektrum »Kreativität ist die Verbindung von Ideen« [1.3]. Die erfolgreiche PVD-Abscheidung und Anwendung oxidischer und oxinitridischer Schichten ist nur in Verbindung mit anderen Schichten möglich. Andernfalls können keine gute Haftung, Kohäsion und Härte erzielt werden. In Kombination mit konventionellen Nitriden – besonders in Verbindung mit NanocompositeSchichten – eröffnen sich wichtige Anwendungsgebiete.Oxidische und oxinitridische Schichten bilden den Separator zwischen Werkzeug/Bauteil und Werkstück, um vor allem in trockenen Zerspanprozessen (Bild 3) bei hohen Temperaturen eine niedrige Affinität zwischen Werkstück und Werkzeug zu erreichen [11]. Sie bieten dabei: WB 11/2009

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

hohen Schutz gegen adhäsiven und abrasiven Verschleiß sowie gegen Oxidation und Sauerstoff-Diffusion (Schicht ist bereits ein Oxid), ■ chemische und thermische Isolation und chemische Indifferenz, ■ Reibungsreduzierung auch bei Temperaturen über 1000° C, ■ Reduzierung von Aufbauschneiden und Material-Interdiffusion in der TriboKontakt-Zone. Die Schichten werden (wie bei CVD) in Multilayer-Struktur aufgebaut, da eine Metall-Nitrid-Basis zur Vermeidung von Rissen und plastischen Deformationen notwendig ist (Bild 4). Die bei Platit in Selzach/Schweiz entwickelten Schichten

platten beläuft sich auf 7 bis 18 µm. Die typische Gesamthärte ist 30 GPa und der typische E-Modul rund 400 GPa. Diamond-Like Coating (DLC) ist eine metastabile Form von amorpher Kohle mit einem bedeutenden Anteil kubischer sp3-Elemente. Die metalldotierte erste Generation der Platit-DLC-Schichten (CBC; Me-C:H) wird in einem reinen PVD-Prozess abgeschieden. Um eine gute Haftung zu erzielen, werden sie in Kombination mit Hartschichten 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 Verbesserung des Einlaufverhaltens von Zer-


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WERKZEUGE

> Beschichtung

spanungs- und Umformwerkzeugen. Besonders wichtig ist dieses Verhalten bei der Bearbeitung weicher, klebender 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 [4]. Platit verwendet spezielle siliziumhaltige Gase, wodurch die Schichten bedeutend verbesserte Eigenschaften aufweisen: ■ chemische Stabilität, ■ optische Transparenz, ■ für DLC-Schichten extrem gute Haftung (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 Linie für in Großserie gefertigte Bauteile eingesetzt,um durch Reibungsreduzierung vor Verschleiß zu schützen. Platit will aber weiterhin nicht bei Großkunden in die Massenfertigung einsteigen. Die neuen Anlagen des Schweizer Unternehmens (›π111+DLC‹, ›π300+DLC‹, ›PL1001+DLC‹, Bild 5) weisen gegenüber den Standardanlagen folgende zusätzliche Merkmale 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 hochwertige Werkzeuge und Bauteile mit CBC2Schichten ausgerüstet, die besonders hohe Ansprüche an Hightech-Anlagen stellen. Angefangen bei Schnitt-, Stempel- und Umformwerkzeugen umfasst das auch Gewindeformer, medizinische Instrumente und Implantate bis hin zu hoch beanspruchten Teilen im Motorsport oder im allgemeinen Maschinenbau. Die CBC2-Schichten werden immer mit mindestens einem dünnen PVD-Haftlayer hergestellt, aber auch in Kombination mit kompletten PVD-Schichten in einer Charge. Die wichtigsten Strukturen und zugehörigen Anwendungsgebiete sind: ■ ›cViC2‹: TiCN + CBC2; Schnitt- und Um-

■ ■

formwerkzeuge, medizinische Werkzeuge und Implantate, ›CROMVIc2‹: CrN +CBC2; Bauteile auch mit niedriger Beschichtungstemperatur, ›CROMTIVIc2‹: CrTiN + CBC2; Bauteile mit Korrosionsschutz,Werkzeuge zur Aluminiumzerspanung, ›nACVIc2‹: nACRo + CBC2; Zerspanund Umformwerkzeuge für schwierig zu bearbeitende Materialien (Inconel, Titanlegierungen et cetera), ›Fi-VIc2‹: nACo + CBC2; hoch beanspruchte Bauteile (wie Ventilschäfte).

Coatings and Thin Films, San Diego, April/2007, www.platit.com 6 Preiß, P. u. a.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und Beschichtung auf das Leistungsvermögen 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 Cathodes, Five Years of Dependable High Performance, ICTCMF, G7-6, San Diego, April/2007 9 Veprek, S. u. a.: Different Approaches to Super-

Zusammenfassung und Ausblick Wenn ein KMU eine hochwertige Anlage kauft, erwartet es neben der tagtäglichen Service-Unterstützung die kontinuierliche Weiterentwicklung des Produktes. Dazu gehört auch die Herstellung von dedicated Schichten [12]. So kann das KMU auch mit großen Anbietern mithalten oder sie gar überholen. Die aktuelle Weiterentwicklung der π-Beschichtungsanlagen-Familie von Platit kann dazu einen Beitrag leisten. Bestehende Anlagen sind über Hard- und Software-Upgrades vor Ort erweiterbar, um oxidische, oxinitridische und eine neue Generation von DLC-Schichten herstellen zu können. Die Upgrades ermöglichen es dem Anwender,Zerspanwerkzeuge für neue Bearbeitungsgebiete zu beschichten und in neue Märkte einzudringen [13]. Denn: »Nachhaltige Erfolge können nur durch Entwicklung innovativer, neuer Märkte erzielt werden, die Kunden wirklich differenzierenden und relevanten Nutzen bieten.« [1.5, 14] ❚

L I T E R AT U R 1.1 Max Frisch, Schweizer Schriftsteller 1.2 Michael Müller, Walter AG

hard Coatings and Nanocomposites, Thin Solid Films, Elsevier, Amsterdam, 476 (2005), S. 1-29 10 Cselle, T. u. a.: TripleCoatings – New Generation 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: Maßgeschneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die Lebensdauerkosten, LMT-Symposium, Oberkochen, März/2009 13 Cselle, T. u. a.: Flexible Beschichtung von TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC – Industrie-Workshop, Schmalkalden, 16.06.2009 14 Mauborgne, R.; Kim, C. W.: Blue Ocean Strategy: How to Create Uncontested Market Space and Make Competition Irrelevant, Harvard, Boston 2005 Artikel als PDF unter www.werkstatt-betrieb.de Suchbegriff > WB110127

Dr.-Ing. Tibor Cselle ist Geschäftsführer bei Platit in Selzach/Schweiz > t.cselle@platit.com

1.3, 1.4 Steve Jobs, Apple Inc.

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

1.5 Renée Mauborgne, W. Chan Kim, Insead

> m.morstein@platit.com

2 Thin-Film Coating Market, Study, LEK Consul3 Cselle, T. u. a.: TripleCoatings – eine neue Ge-

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

neration von PVD-Schichten für Zerspanwerk-

> a.luemkemann@platit.com

ting GmbH, München 2007

zeuge – Spanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Essen 2008, S. 258-268 4 Compendium 2010, PLATIT AG, Selzach, 2010,

Dipl.-Phys. Olivier Coddet ist Mitarbeiter in der Abteilung F&E bei Platit > o.coddet@platit.com

www.platit.com 5 Cselle, T.: Influence of Edge Preparation on the Performance of Coated Cutting Tools, Invited talk

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

on the International Conference on Metallurgical

> j.prochazka@platit.com © Carl Hanser Verlag, München WB 11/2009


® 3 TripleCoatings

Angepasst an Anwendungen und Anwender

Haftlayer 2 Haftlayer 1 CBN

3233

2883

TiN

4000

4955

3000

5370

3340

2000 1000 ® nACo3 mit gradientem Interface-3

nACo3® mit Multilayer Interface-2

nACo3® mit Monoblock Interface-1

0

Haftlayer mit verschiedenen Interfaces Multilayer Schicht; AlTiN Top-Layer; nACo

Haftlayer 0 CBN

6000 5000

unbeschichtet

Standweg; Lf [m]

Hartdrehen mit beschichteten CBN-WSP: nACo3® mit speziellem Haftlayer

Mat: 100Cr6 – 63 HRC – vc=140 m/min – f=0.12mm ap=0.2mm trocken - Quelle: GFE, Schmalkalden

Gradienter Haftlayer CBN

Flankenverschleiss [μm]

Mikro-Abwälzfräsen mit dedicated Schicht: AlXN3® 0.07 0.06 Standardschicht des WZHerstellers

0.05 0.04 0.03 0.02

AlX1N3®

0.01

AlX2N3®

0 0

100

200 300 Standweg Lf [m]

400

500

Trockenes Mikro-Abwälzfräsen – vc=200 m/min Quelle: WZ-Hersteller, Japan

Hartfräsen mit dedicated Schichten nACo3®

Spezielle Marktschicht-1 für Hartfräsen

Spezielle Marktschicht-2 für Hartfräsen

Nach Fräsweg: Lf=444 m nACo

Spezielle Marktschicht-1 für Hartfräsen

Spezielle Marktschicht-2 für Hartfräsen

Nach Fräsweg: Lf=888 m 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


Der Anwendung angepast