Entschichtung gehört zum Beschichten

WT111-Platit.qxd

09/11/2009

12:02

Page 1

BESCHICHTEN

Entschichtung gehört zum Beschichten J. Prochacka, C. Büchel, T. Cselle, PLATIT AG, Selzach, Schweiz „Ach das Wort, worauf am Ende / Er das wird, was er gewesen.“ (J.W. Goethe: Zauberlehrling) Die meisten Entschichtungsverfahren beruhen auf Chemikalien, welche die Beschichtungen auflösen, aber unter Umständen auch das Grundmaterial angreifen können, speziell bei Hartmetall (s. Abbildung 3).

Diese Beschädigung kann zu einer schlechten Schichthaftung führen und somit zu kurzen Standzeiten. Daher ist es äußerst wichtig die einzelnen Schritte zur Aufbereitung von gebrauchten Werkzeugen in der richtigen Reihenfolge durchzuführen.

Abbildung 1: Standzeit eines nicht beschichteten, erstmals beschichteten, nachgeschliffenen und nachgeschliffenen+wiederbeschichteten Werkzeugs (v.l.n.r.) [1]

1. Einleitung Das meiste Geld wird nicht mit neuen, sondern mit nachgeschliffenen und wiederbeschichteten Zerspanwerkzeugen verdient. Ein nachgeschliffenes und wiederbeschichtetes Werkzeug wird auf dem Markt zu 1/3 des Neuwerkzeugpreises verkauft. HM-Bohrer werden bis zu 10 mal nachgeschliffen, womit ein mehr als 3 mal höherer Umsatz mit dem nachgeschliffenen Werkzeug erzielt wird, als mit dem Neuwerkzeug. Abwälzfräser werden sogar bis zu 15mal nachgeschliffen.

Wichtig bei nachgeschliffenen Werkzeugen ist, dass Standzeiten wie bei Neuwerkzeugen erreicht werden können.

Standzeiten (wie bei Neuwerkzeugen) zu erreichen. Die Haftung einer Überbeschichtung auf alter Schicht sinkt mit der Dicke der letzten Schicht(en). Nachgeschliffene Werkzeuge können deswegen ein- bis zweimal ohne Entschichtung überbeschichtet werden, und trotzdem hohe Standzeiten erreichen.

Dadurch steigt aber die Schichtdicke an den nicht nachgeschliffenen Stellen.

Nach dem spätestens dritten Nachschleifen darf nicht mehr überbeschichtet werden, da die Haftung auf der alten Schicht zu gering ist, und somit nur noch ein Bruchteil der Neuwerkzeugstandzeit erreicht werden kann. Aus diesem Grunde sollten Werkzeuge entschichtet werden.

Beim Nachschleifen wird Grundmaterial freigelegt, welches die beste Voraussetzung für eine gute Schichthaftung hat. Wird nachher entschichtet, kann dieser gute Haftgrund beschädigt werden und die Schichthaftung abnehmen.

Bei einer Kantenpräparation mittels Sandstrahlen oder Bürsten, kann die eventuelle Beschädigung verringert werden, aber je nach Beschädigungstiefe einen ungenügenden Haftuntergrund bieten (s. Abbildung 3).

Aus diesem Grunde muss zuerst entschichtet und erst dann nachgeschliffen werden, (s. Abbildung 4). Damit die Kantenpräparation also ihre volle Wirkung entfalten kann, sollte zuerst entschichtet und erst dann nachgeschliffen werden, wie dies bei einem Inhouse-Beschichtungszentrum möglich ist (s. Abbildung 5).

2. Warum braucht man eine Entschichtung?

Bei jeder Beschichtung muss ein guter Untergrund vorhanden sein, um eine gute Haftung der Schicht und somit gute

Abbildung 2: Eine Schneidkante vor dem Nachschleifen, nach dem Nachschleifen, nach der Kantenverrundung, und nach Überbeschichtung (v.l.n.r.)

1

●

Werkzeug Technik 111

●

14 Dezember 2009

WT111-Platit.qxd

09/11/2009

12:03

Page 2

BESCHICHTEN

Abbildung 3: Die weniger gute, aber dennoch praktizierbare Aufbereitungsmethode: die abgenutzte Schneidkante wird zuerst nachgeschliffen, dann entschichtet, danach die Kanten verrundet und zuletzt wiederbeschichtet (v.l.n.r.)

Abbildung 4: Die beste Vorgehensweise bei der Werkzeug-Aufbereitung: die abgenutzte Schneidkante wird zuerst entschichtet, dann nachgeschliffen, danach die Kanten verrundet und zuletzt wiederbeschichtet (v.l.n.r.)

Abbildung 5: Prozessabfolgemöglichkeiten beim Wiederbeschichten. [1]

3. Warum ist es nicht so einfach?

schichtungslösung, abhängig von ihrer Zusammensetzung, kann das Korrosionsrisiko sehr hoch sein.

Auch nach dem Entschichten, wenn die Oberfläche durch den Entschichtungsvorgang aktiviert ist, korrodiert HSS sehr schnell an Luft. b. Hartmetallkorrosion „Cobalt Leaching“ Wie bereits vom Schleifen her bekannt, kann Hartmetall bei Kontakt mit Wasser beschädigt werden. Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff, welcher aus Wolframkarbid-Körnern besteht und von einem Kobalt-Binder zusammengehalten wird (s. Abbildung 6). Dieser Binder löst sich im Kontakt mit Wasser allmählich aus der Werkzeugoberfläche heraus. Dadurch fehlt der Binder zum Zusammenhalt der Körner und sind nur noch lose mit dem Grundmaterial verbunden. Dies nennt man auf Englisch „Cobalt Leaching“. Die Oberfläche wird matt oder gar schwarz.

Entscheidend ist die Tiefe des Co-leachings. Tiefen von 0.1-0.5 µm sind durch Nachbehandlung reparabel.

Mit einer einzigen Ausnahme benutzen alle chemischen Entschichtungsverfahren wasserbasierte Lösungen. Dies hat nebst Vorteilen (einfache Handhabung, niedrige Kosten, Gesundheits- und Umweltschutz) auch gewisse Nachteile:

Abbildung 6: Das intakte (links) und „Cobalt-geleachte“ (rechts) Hartmetall.

a. HSS - Korrosion: Dass HSS in Kontakt mit Wasser und Sauerstoff korrodieren kann, ist bekannt. In einer wasserbasierten Ent2

●

Werkzeug Technik 111

●

14 Dezember 2009

Bei noch mehr Co-laeching wird die beschädigte Oberfläche mechanisch weniger belastbar und die Nachbeschichtung haftet schlechter bzw. gar nicht.

Die ideale Entschichtungslösung löst also die Beschichtung auf, ohne das Hartmetall anzugreifen. c. Chemische Ähnlichkeit von Beschichtung und Werkzeugmaterial Das Kobalt des Grundmaterials ist, chemisch gesehen, dem Titan und Chrom in den Beschichtungen sehr ähnlich. Darum ist es bei einer Entschichtung, welche die Beschichtung (Titan- und/oder Chromhaltige Schicht) auflöst, eine große Herausforderung, kein Kobalthaltiges Grundmaterial herauszulösen. Die Aufgabe wird noch erschwert, wenn zusätzlich auch noch Titancarbid oder Chromcarbid im Grundmaterial enthalten sind. Meistens lässt sich allerdings ein Verlust von 0,1 bis 0,5 µm Grundmaterial z.B. durch Polierstrahlen soweit nachbearbeiten, dass die Nachbeschichtung trotzdem gute Haftung aufweist.

Es ist noch erwähnenswert, dass einige Entschichtungslösungen nicht (nur) das Kobalt, sondern auch das Wolframcarbid des Hartmetalls angreifen, mit sehr ähnlichen Folgen für die Haftung der Wiederbeschichtung. d. Handhabung, Sicherheit und Umweltfreundlichkeit: Die Chemikalien, die bei der Entschichtung benutzt werden bzw. entstehen, sollten möglichst risikofrei für Mensch und Umwelt und einfach zu handhaben sein. Eine Benutzung von naturidentischen Chemikalien ist auch vom entsorgungstechnischen Standpunkt ein Vorteil. e. Zeit und Kosten Die Entschichtungsanlage darf nicht zu teuer sein, weder der Anschaffungspreis, noch die Betriebskosten.

Mit Betriebskosten sind Energiever-

WT111-Platit.qxd

09/11/2009

12:04

Page 3

BESCHICHTEN

brauch, Lohnkosten, Chemikalien und Entsorgung gemeint. Und um möglichst kurze Aufbereitungszeiten zu haben soll die Entschichtung möglichst schnell ablaufen.

4. Welche Verfahren gibt es?

Es gibt drei Entschichtungsverfahren: mechanische, physikalische und chemische.

Eine mechanische Behandlung zum Entfernen der Schicht (z.B. Mikrostrahlen) bleibt zumeist erfolglos, da das Grundmaterial mit dem Strahlmedium schneller abgetragen wird als die Hartstoffschicht. Außerdem wird so die Oberfläche aufgeraut, bedingt durch die Korngröße des Strahlmediums.

Als physikalische Entschichtungsmethode sei das Plasmaätzen erwähnt. Dieses Verfahren findet aber höchstens bei DLC-Schichten eine Anwendung und ist sehr kostspielig.

Beim chemischen Verfahren wird unter Anwendung eines flüssigen Mediums entschichtet. Im Prinzip geht es darum, die Beschichtung zu oxidieren, unter Bildung einer in dem benutzten Lösemittel löslichen Verbindung. Als Oxidationsmittel werden am häufigsten sauerstoffreiche Chemikalien (z.B. Wasserstoffperoxid) benutzt; halogenhaltige Oxidiermittel sind aufgrund der niedrigeren Umweltverträglichkeit weniger beliebt.

Das flüssige Entschichtungsmedium kann wasserbasiert oder wasserfrei (lösemittelbasiert) sein. Obwohl lösemittelbasierte Verfahren im Labor bessere Ergebnisse erreichen, ist sicherheitstechnisch ein Einsatz unter Produktionsbedingungen kaum realisierbar (es werden teure Reagenzien sowie feuergefährliche und giftige Lösemittel angewendet, die man aufwendig wiederaufbereiten müsste).

Wasserbasierte Methoden sind somit die einzigen, die für Serien-Entschichtung denkbar sind. Diese gebrauchen teilweise auch elektrischen Strom (Elektrolyse), um die Hartstoffschicht in die Lösung zu bringen.

Abbildung 7: Funktionsprinzip der Module ST-40 HSS und ST-40 HM.

Als erstes entstand ein Entschichtungsverfahren für HSS, das nach dem Entwickler benannte AlZiRo. Das mehrkomponentige Pulver, wird mit Wasser und Wasserstoffperoxid auf ca. 60°C erhitzt um Titan- und Aluminiumhaltige Schichten aufzulösen, ohne das Grundmaterial zu beschädigen.

Ein Entschichtungsverfahren für HM zu entwickeln, stellte sich als Knacknuss heraus. Erst nach vielen Versuchen, Berechnungen und noch mehr Versuchen, entstand ein Verfahren bestehend aus schichtlösenden Komponenten, spezifisch nur Kobalt schützenden Komponenten, Katalysatoren und Gleichstrom. Diese Entschichtung basiert auf dem Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid.

Chromhaltige Schichten gibt es schon seit 1985 auf dem Markt, aber erst seit 2003 haben chromhaltige Schichten immer mehr an Bedeutung gewonnen.

Abbildung 8: Entschichtungsmodule der ST-40. Rechts: Körbchem mit Schaftwerkzeugen und Halter mit Wälzfräser.

5. PLATIT Entschichtungsverfahren Mitte 2003 fing PLATIT an eigene Entschichtungsverfahren zu entwickeln, da sich mit auf dem Markt befindlichen Verfahren nicht die gewünschten Ergebnisse erzielen ließen.

3

●

Werkzeug Technik 111

●

14 Dezember 2009

Diese wurden aber anfänglich von PLATIT nicht gefördert, da speziell bei der Entschichtung hochgiftiges Chrom(VI) entsteht, welches stark krebserregend ist. Um die Marktnachfrage zum Entschichten von Chromhaltigen Schichten abdecken zu können, bietet PLATIT unter Eigenverantwortung des Kunden seit 2006 nun auch entsprechende Entschichtungverfahren an.

Das Entschichtungsverfahren für Chromhaltige Schichten auf HM hinterlässt einen Belag auf dem Werkzeug, welcher aber in einem zweiten Bad auf wässriger Basis einfach entfernt werden kann.

Für Chromhaltige Schichten auf HSS ist hingegen nur ein Schritt nötig, welcher auf einer wässrigen Lösung und Gleichstrom besteht. a. PLATIT-Entschichtungsmodule Für die einzelnen Verfahren hat PLATIT entsprechende Module entwickelt um mit möglichst geringen Mengen an Chemie, Schichten effizient entschichten zu können.

WT111-Platit.qxd

09/11/2009

12:05

Page 4

BESCHICHTEN

Abbildung 9: Entschichtungskosten pro 6 mm Bohrer bzw. 10 mm Fräser.

Die ST-40 HM besteht aus einer Kühlung, einer Badumwälzung und einem Gleichstromrichter.

Die ST-40 HSS besteht aus einer Kühlung, einer Heizung, einer Badumwälzung und einem Gleichstromrichter um eine möglichst schnelle Entschichtung zu erzielen.

Die ST-40 HM-C besteht aus einem Becken aus einem auf den Prozess abgestimmten Material und verfügt über eine ans VE-Wasser anzuschließende Brause.

Die ST-40 R ist ein Spülmodul mit einer Brause und dient zum abspülen der nassen, mit Chemie benetzten Werkzeuge.

Die ST-40 P dient dem temporären korrosions- bzw. Co-Leaching-Schutz vor dem Reinigen in Reinigungsanlage durch Eintauchen in einen Korrosionsschutz.

Die Werkzeugaufnahmen leiten den elektrischen Strom zu den Werkzeugen und beugen einer mechanischen Beschädigung vor.

6. Entsorgung Die Entsorgung von gebrauchten Entschichtungslösungen unterliegt je nach Kontinent (EU / USA / andere Länder) diversen Vorschriften. Alle PLATIT-Lösungen basieren, soweit möglich, auf naturidentischen Verbindungen. Einige Gebrauchtlösungen enthalten Verbindungen, die als Sonderabfälle eingeordnet sind (z.B. Cr(VI)) und dürfen somit nicht in die öffentlichen Abwassersysteme eingeleitet werden.

Bei den meisten Nachschleifer-Firmen fallen „schwierige“ schwermetallhaltige Schleifschlämme sowie Ölemulsionen an, die über lokale Fachunternehmen gesetzeskonform entsorgt werden. Diesen Entsorgungsfirmen kann man praktisch immer auch die Entsorgung der Gebraucht-Entschichtungslösungen überlassen, was problemlos und relativ kostengünstig gemacht wird, dank der geringen Konzentrationen, relativ geringen Mengen und vor allem Fehlen jeglicher ölhaltiger Bestandteile.

7. Kosten Die Entschichtungskosten pro Werkzeug sind stark abhängig von der Entschichtungschemie und der Anzahl Werkzeuge pro Entschichtungsbatch.

Cr-haltige Schichten auf HSS oder HM, sowie Ti, Al-haltige Schichten auf HSS machen 30-40% der Wiederbeschichtungskosten aus. Bei Ti,Al-haltigen Schichten auf HM sind es hingegen bis zu 70% der Wiederbeschichtungskosten, was auf aufwändige Chemie zurückzuführen ist.

8. Ausblick Eine gute Schichthaftung und somit gute Standzeiten von wiederbeschichteten Werkzeugen hängen also von vielen Faktoren ab. Diese Faktoren sind: – die einzelnen Schritte zur Aufbereitung von gebrauchten Werkzeugen in der richtigen Reihenfolge auszuführen.

– Anlagentechnik.

– Entschichtungschemie.

9. Zusammenfassung Nach spätestens drei Überbeschichtungen muss die Hartstoffschicht entfernt (entschichtet) werden, bevor eine Nachbeschichtung aufgebracht wird, um

Neues PLATITGebäude seit April 2009.

4

●

Werkzeug Technik 111

●

14 Dezember 2009

gute Standzeiten zu erreichen. Es können je nach Zusammensetzung von Schicht und Werkzeugmaterial diverse chemische bzw. chemisch-physikalische Entschichtungsverfahren angewendet werden. Sämtliche Verfahren greifen aber auch das Grundmaterial an, weshalb beim Wiederaufbereitungsprozess unbedingt die Entschichtung vor dem Nachschleifen vorgenommen werden muss, was mit der integrierten Beschichtung ermöglicht wird. [1]PLATIT entwickelt wasserbasierte elektrochemische Verfahren. Die dafür verwendete Anlage besteht aus fünf Einzelmodulen, die für die jeweilige Schicht/Substratkombination bzw. Nachbehandlung zusammengestellt werden können. Die meisten der benutzten Entschichtungschemikalien sind umweltverträgliche Stoffe. Die anfallenden Entschichtungslösungen werden von professionellen Recycler-Firmen entsorgt. Die Entschichtungskosten sind für alle anderen Schicht/Werkstoffkombinationen viel niedriger als für Ti-,Al-haltige Schichten auf HM-Werkzeugen.

10. Literaturverzeichnis [1] PLATIT Compendium 2009/10.

(11109-??)