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Flexible Beschichtung von TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC PVD-Beschichtung von Werkzeugen und Bauteilen Industrie-Workshop, Schmalkalden, 16.06.2009

T Cselle, T. Cselle C C. Büchel Büchel, O O. Coddet Coddet, A. A Lümkemann, Lümkemann M. M Morstein, Morstein A. A Moschko, Moschko J. J Prochazka PLATIT AG, Selzach, Schweiz – www.platit.com

Flexible Beschichtung von TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC “Schneidstoff und Werkzeuggeometrie beherrschen alle führenden Werkzeughersteller. Die Wettbewerbsfähigkeit wird durch di angewandte die dt B Beschichtungstechnologie hi ht t h l i entschieden.“ M. Müller, Walter AG, Werkzeugtagung, Schmalkalden, 2004

Die Beschichtungtechnologie hat beste Chancen durch -Innovative Anlagen und Schichten sowie i d durch h -Blue Ocean Marketing aus der Krise verstärkt herauszukommen.

1


Flexible Beschichtung von TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC Inhalt I. Anforderungen der Schichtanwender II. Was ist flexible Beschichtung? a. Innovative Anlagentechnik b. Breites Schichtsprektum 1. Konventionelle Schichten-1 (Ti, Cr, Zr, C) ( ) 2. Konventionelle Schichten-2 (Ti/Al) 3. All-in-One Schichten (TiAlCN, AlTiCrN) 4. Nanocomposite-Schichten 5. Tripel-Schichten (TripleCoatings) 6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten 7. DLC-Schichten III. Wege aus der Krise mit Hilfe der Beschichtungstechnik a. Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung b. Blue Ocean Strategie; Neue Anwendungsfelder

I. Anforderungen der Schichtanwender

Standard-Schichten Standard Schichten für Werkzeuge in den letzten 30 Jahren 100 90 80 70

2009: Mehr als 80: Ti-basiert Ti C basiert Ti-C b i t Cr-basiert Zr-basiert W-basiert V-basiert Mo-basiert Al-basiert Cr-basiert Si-basiert …..

60 50 40 30

+ TiCN CN CrN

20 10

TiN

+ TiAlN

0 1978

1982

1986

1990

1994

2

1998

2002

2006

2010


I. Anforderungen der Schichtanwender

Grundsätzliche Ausführungsarten g von Werkzeugbeschichtungen g g heute In-House-Beschichtung

Lohnbeschichtung Qualitätskontrolle

Design

Vorbearbeitung

In House Beschichtung g

Fertigbearbeitung

Wärmebehandlung

I. Anforderungen der Schichtanwender

Was is wichtig g für den Schichtanwender? IHB: In-House Beschichtung

IHB: am schnellsten: Chargenzeit; ohne Verpackung, Transport und Logistik IHB: einfachste Logistik in eigener Produktion; kürzeste Wege IHB: am regionalsten: Beschichten in eigener Produktion

IHB:am besten:Schleifen, Schneidenpräparation Beschichten in einer Hand in richtiger Reihenfolge IHB: Eigener Service

6

IHB: am höchsten; Lohnbeschichter’s Profit bleibt im Haus IHB: nur so möglich Eigene Schichten und Marken Flexible Anlagen sind notwendig

Wichtig gkeit

5

IHB: Nicht zu gross!

4

IHB!

3 2 1 0 Lieferzeit

Logistic

Regionale Präsenz

Qualität

Service

Preis

Möglichkeit von dedicated Schichten

Breite Schichtpalette

Kapazität

Neue innovative Schichten

Quelle: LEK, Munich [4]

Nicht der stärkste und nicht der klügste wird überleben, sondern derjenige, der auf die Änderungen am schnellsten reagiert.“ Charles Darwin

3


II. Was ist flexible Beschichtung? a.

Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Beschichtung Handling

+ Know How

Vor- und NachVor Nach behandlung

Entschichtung QualitätsQualitäts kontrolle Reinigung

“Innovation ist, wenn der Kunde sein Portemonnaie öffnet.“ - Steve Jobs

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Vergleich der wichtigsten Methoden zur Schneidkantenpräparation

4


IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Zusammenhang; Schneidenpräparation und Beschichtung oder warum brauchen die Schichten eine Schneidenpräparation

Schneidkeil

1.

Direkt an der scharfen Schneide weist die PVD-Schicht p g auf. eine enorm hohe interne Spannung

2.

Wegen dieser hohen internen Spannung platzt die Schicht direkt an der Schneide nach wenigen Schnitten ab.

3.

Die Güte der Schicht kann durch ihre Fähigkeit charakterisiert werden wie lange und wie klein die Abstände CPoR and CPOC durch die Schicht gehalten werden können. können

CPoR

CPoR : coating's peeling off an der Spanfläche g peeling p g off an der Freifläche CPoC : coating's

CPoC

4.

Die Ziele der Schneidkantenpräparation sind; - der Schicht zu helfen die Abstände CPoR und CPoC l lange kl klein i zu h halten lt und dd dafür fü - die Schneide zu “entschärfen“ - einen weichen Übergang für die Schicht zwischen Span- und Freifläche zu schaffen - dadurch d d h die di interne i t Spannung S der d Schicht S hi ht zu reduzieren d i - aber dabei das Werkzeug nicht stumpf zu machen

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Einfluss der Schneidenpräparation auf das Zerspanverhalten beschichteter VHM-TORUSFRÄSER im Kaltarbeitsstahl 120

tool lif e Standzeit Standzeit Polynomisch (tool lif e)

100

tool lieit fe; [%] Standze

80

60

40

20

0 0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

honing w idth; [um ] [um] Schneidkantenradius

Werkstückmaterial: 1.2379 - X155CrVMo12-1 – FRAISA-Schaftfräser nACRo beschichtet - d=10mm, z=4, ae=0.25 x d – ap=1.5 x d – vc=150 m/min – fz=0.05 mm/z – Gemessen: GFE, Schmalkalden 5


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Schneidenpräparation: Wichtiger Bestandteil schlüsselfertiger Beschichtungssysteme Anwendungsbeispiele Zerspanverfahren p

 Bohren  Fräsen  Drehen  Gewinden  Sägen  Abwälzfräsen

ZUSAMMENFASSUNG

Verfahren zur Schneidenpräparation p p

 Ohne SP -> niedrige Leistung

 Schleifen

 Optimale SP hängt stark von - vom WERKSTOFF - von der Werkzeuggeometrie - von Schnittparametern ab

 Mikrostrahlen

 Optimale SP empfindlich - über optimalem Wert starker Abfall der Leistung

 Bürsten  Schleppschleifen  Magnetfinish  technologische Parameter zur Schneidenpräparation

Mit Schneidenpräparation: p p  WICHTIGE Erhöhung der ZERSPANLEISTUNG !!

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Empfehlung der optimalen Radien zur Schneidenpräparation von VHM-Fräsern

1.2312 - 40CrMnMoS8-6 1.7225 – 42 CrMo4V 1.2343, X38CrMoV5-1 Warmarbeitsstahl, 57 HRC

Zum schlüsselfertigen Beschichtungssystem gehört nicht nur die Lieferung der Anlagen. Der Anwender muss das Know-How auch bekommen; WIE er ALLE Aufgaben ausführen muss. “Wenn wir wissen, was wir alles wissen sollten, wissen wir schon viel.“ Brigitte Fuchs 6


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Geräte und Prozesse zur Entschichtung g Es sind die folgenden, wichtigen Entschichtungen notwendig, die mit unterschiedlichen Modulen und Prozessen durchgeführt werden: 1. Entschichtung von Ti / Al – basierten Schichten von HSS 2. Entschichtung von Cr – basierten Schichten von HSS 3. Entschichtung von CrTi – basierten Schichten von HSS 4. Entschichtung von Ti / Al – basierten Schichten von Hartmetallen 5 Entschichtung 5. E t hi ht von C Cr – basierten b i t S Schichten hi ht von H Hartmetallen t t ll 6. Entschichtung von CrTi – basierten Schichten von Hartmetallen

Kobalt-Leaching und Gesundheitsgefährdung zu beachten!

Co WC

Mit der Krise ist die Bedeutung des Nachschleifens und der Nachbeschichtung enorm gestiegen. Die Kosten der notwendigen Entschichtung werden dabei oft unterschätzt.

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

In-House-Beschichtung g ermöglicht g die richtige g Reihenfolge g für Entschichten, Nachschleifen und Nachbeschichten

Zukunftsweisend durch In In-House-Beschichtung House Beschichtung

Konventionell durch Lohnbeschichtung

Die Entschichtung des frisch nachgeschliffenen Werkzeuges kann die Schneidstoffoberfläche beschädigen. Die Schneidkantenpräparation kann diese Beschädigungen nur bedingt eleminieren. Die meisten Werkzeugbeschädigungen geschehen während des Handlings (Verpacken, Chargieren) 7


IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Kompatible PVD PVD-Anlagen Anlagen für Produktion und Service Service-Zentren Zentren

In Service-Zentren muss die gleiche Qualität produziert werden, wobei dafür sicherlich nicht die gleiche Investitionssumme zur Verfügung steht.

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

LARC®- ((Lateral Rotating g Cathodes)) und CERC® - ((Central Rotating g Cathodes))

π80

π300 d

d

PlanarTarget

ZylinderTarget

d*π d π

Die rotierenden zylindrischen Kathoden ermöglichen die Abscheidung aller Schichtstöchiometrien und dies bei minimalem Platzbedarf, was das Downscaling bei höchster Qualität ermöglicht. 8


IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

LARC® and d CERC ®-Kathoden: K th d Technologische T h l i h Vorteile V t il • • • • •

• • • • •

Minimaler Platzbedarf Überdeckung des ganzen Beschichtungshöhe; • Gleichmässige Schichtdickenverteilung Hohe Ionisation Programmierbare Stöchiometrie A Anwendung d von nicht i ht llegierten i t • Ti, Al, Cr, Zr, AlSi-Targets • Keine teuren legierten Targets notwendig Nanokomposite-Bildung Nanokomposite Bildung durch Spinodal Spinodal-Segregation Segregation ® Vorreinigung mit Virtual Shutter Targetschutz mit Tube Shutters® Dropletarme Schichtoberfläche Wichtigste Parameter: – pN2 = 2…6 Pa – UBias ≈ -50V – Iarc,total 220-380A 380A t t l ≈ 220 – bis zu 8 µm/h Abscheiderate – bis zu 250 Chargen / Target

Cr 200A

Al 180 A

“Kreativität ist die Verbindung von Ideen.“ Steve Jobs

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Funktion und Vorteile der Doppel-Shuttering mit rotierenden Kathoden

• Target-Reinigung vor Beschichten:

• Abscheidung (Beschichten):

• Tube Shutter ® ist geschlossen • um die Werkzeuge vom Schmutz • des vorherigen Prozesses zu schützen

• Tube Shutter ® ist geöffnet

• •

• •

ARC brennt zur Rückseite der Virtual Shutter® ist eingeschaltet

Arc brennt zu den Werkzeugen Vi Virtual l Sh Shutter® ® iist ausgeschaltet h l

• Abscheidung von glatten Schichten • mit sauberem Target g

• Der Target wird vor der Abscheidung gereinigt • ohne die Werkzeuge zu verunreinigen

Vorteile der Doppel-Shutters: Doppel Shutters: - Haftlayer wird immer mit sauberen Targets erzeugt - Alle Kathoden können geshuttert (abgedeckt) werden - Einfaches Handling, Instandhaltung und Einstellen der Schilder und Keramiken - Hohe ARC-Ströme  hohe Abscheideraten  hohe Produktivität 9


IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Typisches yp Layout y eines schlüsselfertigen g Beschichtungssystems g y

Schlepppolieren

Kühlaggregate Kathodentisch

Mikrostrahlen

Lift Entschichtung Kühlungsbox

Reinigung

Qualitätskontrolle

IIa, Innovative Anlagentechnik Schlüsselfertige Beschichtungssysteme in verschiedenen Grössen als für KMUs erreichbares Investment

Kosten und Payback y für Investments von In-House-Beschichtungssysteme g y für KMU’s mit unterschiedlichen Anlagen (in CHF)

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

Flexible Beschichtung mit LARC-Technologie LARC Technologie

Cr

Al

Ti

Ti

Al

C Cr

EINE Kathodekonfiguration (Ti & Al & Cr) für alle der folgenden Standard-Schichten: - TiN, TiN TiCN, TiCN TiCN-MP, TiCN-MP Ti2N, N SuperTiN; - TiAlN (50/50%), AlTiN (60/40, 67/33%); - TiAlCN (75/25, 80/20%) - CrN, CrTiN, AlCrN (70/30, 80/20%) - TiAlCrN = All-in-One - alle Schichten auch mit DLC-Top-Schicht

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

Mikro- und Nanostrukturen von PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge

Monoblock-Schichtstruktur ohne und mit Haftlayer

Multilayer-Schichtstruktur

Gradient-Schichtstruktur

NanocompositeToplayer Monoblock oder Gradient-Kernlayer

Haftlayer

Nanolayer Schichtstruktur Nanolayer-Schichtstruktur

Nanocomposite Schichtstruktur Nanocomposite-Schichtstruktur

Triple Schichtstruktur Triple-Schichtstruktur

Um mit den führenden Lohnbeschichtern mithalten zu können, müssen in der In-House Beschichtung alle Strukturen möglich sein.

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

Anfoderungen an PVD-Schichten bei verschiedenen Anwendungstemperaturen • • • •

Exzellente Haftung Hohe Härte, Verschleissfestigkeit und Zähigkeit Exzellente chemische strukturelle und Oxidationsstabilität Niedriger Reibungskoeffizient … und alle dies bei der entsprechenden Anwendungstemperatur

Trockenzerspanung

0 1000

Metall-Spritzgiessen

600

400

0

200

Allg. Zerspanen und Formen

800

Maschinenteile

Anwendungstemperatur °C

Schicht

+ Kom mponent

Kornfe einheit

Reduziiereng interner S Spannung

Härrte

Abrrasive Versch hleissfestigk keit

Ve erschleisfesttigkeit (gege en Oxida ation)

Warmfe estigkeit

Wärmedä ämmung

Max. Anw wendungstempe eratur

Möglichkeit zur kenrhöhung Schichtdick

Reibungsre eduzierung

Mö öglichkeit zu ur Bildung vo on Nanocom mposite

Nie edrige Kosten mit legiertten gets Targ

Nied drige Kosten mit unlegierrten Targets (LARC)

Einfluss wichtiger additiven Materialien auf die Eigenschaften von PVD-Schichten

Ti+N->Basis; TiN

+N

0

-

+

+

+

0

0

0

-

0

nein

0

0

TiCN

+C

0

--

++

++

-

-

--

-

--

++

nein

0

0

Typ. TiAlCN mit Al~20-25%

+Al

(+)

+

-

-

+

+

+

+

+

-

nein

--

0

typ. TiAlN

+Al (-C)

+

-

+wenn Al<X% - wenn Al>X%

+

+

+

++

+

-

-

nein

-

+

typ. AlTiCrN

+Cr

-

+

+

+

+

+

+

(+)

+

-

nein

-

(-)

typ. AlCrN typ Cr~30%

+Cr (-Ti)

--

+

(+)

++

(+)

+

+

(+)

+

(-)

nein

--

-

typ. TiAlN/SiN CrAlN/SiN, AlTiCrN/SiN

+Si

++

(+)

++

+

++

++

++

++

0

0

yes

--

+

Die Änderungen, Ä die vergleichenden Bewertungen (0, +, -) beziehen sich jeweils auf die Schicht in der vorhergehenden Zeile + bedeutet positive Änderung aus der Sicht des Anwenders - bedeutet negative Änderung aus der Sicht des Anwenders X liegt bei ca. 65%

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

1. Konventionelle Schichten-1: TiN,, SuperTiN, p , TiCN,, TiCN-MP,, CrN,, CrTiN,, ZrN Interessantes Beispiel: CrTiN mit feiner Multilayer-Struktur - zum Korrosionsschutz von Werkzeugschäften und –haltern - Niedrigtemperaturprozess: zum Verschleissschutz von Umformwerkzeugen und Maschinenteilen

Alle Schichten habe gewisse Poren, aber immer anderswo. Die feinen Multilayers verschliessen sie durch das Überlappen.

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

2. Konventionelle Schichten-2: TiAlN,, AlTiN mit verschiedensten Ti/Al-Verhältnissen: 75/25%, 50/50%, 40/60%, 33/67% Interessantes Beispiel: µAlTiN mit nachpolierter (“getopter“) Oberfläche

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

3. All-in-One Schichten: TiAlCN,, AlTiCrN

Vergleich der Schnittleistung von unbeschichteten und beschichteten Sägen bei der Bearbeitung von Kalt- und Warmarbeitsstählen

: Hartmetall Sägeband : beschichtetes (TiAlCN) Hartmetall Sägeband

Quelle: Wikus, Spangenberg [4]

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

3. All-in-One Schichten: TiAlCN,, AlTiCrN Interessantes Beispiel: AlTiCrN mit minimaler Streuung an Standzeit - Universalschicht - Anwendung mit Kühlung - besonders beim Sägen - und - beim Abwälzfräsen erfolgreich

AlCrN

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

4. Nanocomposite-Schichten: nACo® ((AlTiN/SiN)) , nACRo® ((AlCrN/SiN), ) nATCRo® ((AlTiCrN/SiN)) Nanocomposite Struktur; (nc-AlTiN)/(a-Si3N4)

Die nanocrystalline TiAlN oder AlCrN-Körner werden in die amorphe SiN -Matrix eingebettet wodurch die Nanocomposite-Struktur eingebettet. Nanocomposite Struktur entsteht entsteht. Die Steigerung der Härte wird allein durch die Struktur erreicht. Die SiN-Matrix umhüllt die harten Körner und verhindert das Kornwachstum.

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

4. Nanocomposite-Schichten: nACo® ((AlTiN/SiN)) , nACRo® ((AlCrN/SiN), ) nATCRo® ((AlTiCrN/SiN))

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plastic harrdness (GPa)

Nanocomposite-Schichten zur - Trockenberarbeitung und zur - Hartzerspanung besonders gut geeignet.

10

60

8 7

40

6

 200°C

nc-(TiAl)N/a-Si3N4 20

5 4 3 2

crystallite seize (nm) crystalline size [nm]

Si erhöht die Warmhärte von Nanocomposite-Schichten enorm. Deswegen sind die

1 0 0

200

400

600

800

1000

1200

0 1400

a n n e a lin g te m p e r a tu r e (° C )

(TiAl)N

TiN+AlN

TiN

Die stabile Nanocomposite-Struktur verschiebt die spinodale Segregation in Richtung höherer Temperatur [3]. 15


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

4. Nanocomposite-Schichten: nACo® ((AlTiN/SiN)) zur Hartzerspanung g

Kugelkopffräser

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

4. Nanocomposite-Schichten: nACRo® ((AlCrN/SiN)) für “zähe” Materialien und Bearbeitungen g

Standwegvergleich g g beim Rundkneten 900.000 779.103

800.000 700.000 574.404

Sta andmengen

600.000

536.482

500.000 399.476 400.000 300.000

280.920

244.700

Mittelwert 294948 Teile

200.000 100.000

277.776

61.573

5

6

263.709

0 1

2

3

4

1 bis 8 unbeschichtet

7

8

CrAlN/Si3N4

abgeschlossen nACRo

Q ll GFE, Quelle; GFE Schmalkalden, S h lk ld Fa. Thyssen Krupp Presta Ilsenburg, Germany 16


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

5. Tripel-Schichten; TripleCoatings ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3® Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten Zielsetzung: Universelle Anwendbarkeit

nACo AC 3® TiN

TiN:

AlTiN

AlTiN/SiN

– Haftlayer - Weicher Übergang, - ähnlicher E-Modul - zwischen Substrat -> Schicht

AlTiN:

Cr

AlSi

- Kernlayer – guter Verschleisswiderstand – niedrige interne Spannung

Ti

– gute Härte

nACo:

- Toplayer - Sehr gute thermische Isolierung

Al

- Hohe Härte - Hoher Widerstand gegen abrasiven Verschleiss

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

5. Tripel-Schichten; TripleCoatings ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3®

Trockenes Drehen mit TripleCoatings gegen CVD-Aluminiumoxid-Schicht

Zerspanzeit [sec] Mat.: rostfreier Stahl AlSl 316L – WSP.: Sandvik CNMG 120408 vc=290 m/min – ap=0.8 mm – f=0.24 mm/U – trocken Standzeitkriterium: VBmax < 300 µm – N8 – Gemessen an der EIG, Genf (CH)

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

5. Tripel-SchichtenTripleCoatings g ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3® Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten Zielsetzung: Universelle Anwendbarkeit

nACRo3® CrN

AlTiCrN

AlCrN/SiN

Abscheidung: π313 Universelle Kathoden-Konfiguration 34 verschiedene Schichten ohne Kathodenwechsel

AlSi 1. Schritt: Haftlayer CrN

2

3

1

C Cr

Ti Al(Ti)

2. Schritt: 2 Kernlayer AlTiCrN

4

3. Schritt: Toplayer nACRo®

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

5. Tripel-SchichtenTripleCoatings g ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3® Fräsen mit TripleCoatings plus TiN-”Schönschicht” 50 45

40

39

40 35 31

35

33

30

28

25 20

Wz-2

Wz-1

Wz-2

Wz-1

Wz-2

5

Wz-1

10

Wz-2

15

Wz-1

Standzeit; [min]

43

42

0 AlTiN

AlTiN gold

nACo3-gold

nACRo3-gold

nACo3-gold = TiN + AlTiN + TiAlN/SiN + TiN - nACRo3-gold = CrN + AlTiN + CrAlN/SiN + TiN WSP: SPKN 1203 EDSR - Werkstückmaterial: Ck45 vc=279 m/min – ap=2mm – fz=0.244 fz=0 244 mm/z – ae=100 mm – Quelle: WBU Pilsen – SHM, SHM Sumperk, Sumperk CZ

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IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

5. Tripel-SchichtenTripleCoatings g ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3®

Verschleissvergleich beim Bohren mit VHM

M t i l GGG40 – d=8.5 Material: d 8 5 mm – vc= 200 m/min / i – f=0.25 f 0 25 mm/U /U – ap=46.5 46 5 mm (DB) Kühlung: Emulsion – Quelle: Emuge-Franken, Lauf

nACo3®:

TiN / AlTiN / nACo

nACRo3®: CrN / AlTiCrN / nACRo

nATCRo3®: CrTiN / AlTiN / nATCRo

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

5. Tripel-SchichtenTripleCoatings g ® : nACo3® , nACRo3® , nATCRo3® Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten Zielsetzung: Universelle Anwendbarkeit

nATCRo3® CrTiN

AlTiN

AlTiCrN/SiN

Abscheidung: π313 Universelle Kathoden-Konfiguration 34 verschiedene Schichten ohne Kathodenwechsel

AlSi 1. Schritt: Haftlayer CrTiN

3

2

C Cr

Ti Al(Ti)

2. Schritt: 2 Kernlayer AlTiN 3. Schritt: Toplayer nATCRo®

19

1

4


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten - Funktionelle Wirkung von Sauerstoff in Schichten Separator zwischen Werkzeug/Bauteil und Werkstück Niedrige Affinität in trockenen Zerspanprozessen bei hohen Temperaturen Verschleissschutz

Reibungsreduzierung

Layer-Architektur

• Gegen adhäsiven Verschleiss

Bei Temperaturen über 1000°C

“Sandwich” wie bei CVD

• Gegen abrasiven Verschleiss

Reduzierung von Aufbauschneiden und Material-Interdiffusion in der Tribo-Kontakt-Zone

Me-N–Basis notwendig, um Risse und plastische Deformation zu vermeiden

Chemische Indifferenz

• Schon S h oxidiert idi t  Stabil St bil gegen weitere it Oxidation

• Chemische und termische Isolation

Beschichtungsanlage zur Abscheidung von Oxidschichten: - Standardanlage π80 mit Ergänzungen: - Tube Shutters® - 350 kHz BIAS - Gepulster ARC-Verstärker als Option - Zusätzliche Z ät li h G Gasleitung l it mitit MFC - Spezielle Heizung mit Schmutzfilter - Upgrade durchführbar beim Anwender

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten Decknitrid Oxid oder Oxinitrid Nitrid Nanokomposite

HM

Modell 1:

Modell 2:

+ AlCr(O,N) ( , )

+ AlCrN oder TiAlN

+ Dicke TiAlN oder AlCrN

+ (Al,Cr)(O,N) oder Al2O3

Haftschicht TiN oder CrN

+ AlCrN oder TiAlN + nACo, nACRo Haftschicht (TiN oder CrN)

Tribologische Zielsetzungen: •

Vermeidung von Sauerstoff-Diffusion

V Vermeidung id von M Materialaufschweissungen t i l f h i

Thermische Isolierung  Stabilisierung des Substrates

Bearbeitungen (vor allem Drehen) bei hoher Temperatur, Schnittgeschwindigkeit und Vorschub

20


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten

AlCrN AlCrON

AlCrNoX

AlCrN C N = adhesion CrN dh i llayer

AlCrON AlCrN nACo= AC TiAlN/SiN

nACoX

TiN = adhesion layer Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff: N/O: 50/50% – 80/20% Typische Schichtdicke S an Drehplatten: 7 - 18 µm Typische Gesamthärte: 30 GPa Typisches E-Modul: ~400 GPa

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten – Prozess-Stabilität

Modell 2: + AlCrN oder TiAlN + (Al,Cr)(O,N) oder Al2O3 + AlCrN oder TiAlN + nACo, nACRo Haftschicht (TiN oder CrN) Stabiler Arc-Prozess mit sauerstoffhaltigen Gasgemischen:

Besonders stabiles Prozessverhalten durch rotierende Arc-Kathoden (LARC®)

Kein Anstieg der Arc-Spannung während des Prozesses, hohe Ionenströme (Beschichtungsrate)

DC-Bias bei kleinen O2-Gehalten möglich, generell aber MF-gepulst  Vermeidung von Aufladungen 21


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten Interessantes Beispiel: nACoX beim Trockendrehen mit hoher Schnittgeschwindigkeit 0.30 vc=315m/min

VB [mm] V

0.25

vc=330m/min

0.20

0.15

0.10

0 05 0.05

0.00 0

5

10

15

Tc [min]

20

vc = 250…350 250 350 m/min, m/min f = 0.25mm/U, 0 25mm/U a = 1 1.5 5 mm - Material: C60 (1 (1.1221), 1221) HB225 Standzeitkriterium: VBmax ≤ 200 µm Gemessen an der TH Budapest

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

6. Oxidische und Oxinitrid-Schichten

nACoX beim Trockendrehen mit hoher Schnittgeschwindigkeit 50 45

SECO Pramet CNMG 120408-PM

Standze eit; Tc [min]

40 35

nACoX

30 nACo3

25 20

Standard-Schicht des WSPHerstellers

15 10 5 0 200

250

300

315

330

350

Schnittgeschwindigkeit; vc [m/min]

vc = 250…350 m/min, f = 0.25mm/U, a = 1.5 mm - Material: C60 (1.1221), HB225 Standzeitkriterium: VBmax ≤ 200 µm Gemessen an der TH Budapest

22


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Coating) g)

Kubische Struktur von Diamanten sp3

PLATIT‘s 1. Generation-DLC

Diamond-like Coating (DLC) ist eine metastabile Form von amorpher Kohle mit einem bedeutenden Anteil von kubischen sp3 –Elementen. Die wichtigsten möglichen Merkmale von CBC2-DLC2: - Hohe mechanische Härte - Chemische Stabilität - Optische Transparenz - glatte Oberfläche - niedriger Reibungskoeffizient.

CBC C C2

PLATIT‘s 1. Generation-DLC

CBC Hexagonale Struktur von Graphit

Diamond Like Carbon Struktur Diamond-Like-Carbon-Struktur sp3 + sp2 sp2

H

CROMVIc2® CROMVI 3 µm C2H2 gradient layer (PECVD) 2 µm Si&C2H2 Multilayer; PECVD <200°C 300 nm CrN-Haftlayer; PVD <220°C

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Coating) g)

Die wichtigsten Merkmale der PLATIT’s DLC-Schichten: Name: Verfügbarkeit: Die wichtigsten Schichten: Beschichtungsprozess: Stoichiometrie: Warmfestigkeit: Interne Spannung: Mögliche Schichtdicke: Elektrische Leitfähigkeit: Härte: Rauheit: Teibungskeoffizient gegen Stahl: Verschleissfestigkeit: Hauptanwendungsgebiete:

1. Generation CBC CBC nur als Topschicht Basis-Schicht+CBC CROMVIc®, CROMTIVIc2® cVic® Fi-VIc® PVD Me-C:H Metall dotierter DLC Metall-dotierter < 400°C hoch < 1µm mässig 20 GPa Ra~0.1 µm – Rz~0.6 µm µ~0 15 µ~0.15 Durchbruch nach kurzer Zeit Verbesserung des Einlaufverhaltens von Werkzeugen

23

2. Generation CBC2 CBC2 empfohlen als Topschicht Basis-Schicht+CBC2 CROMVIc2®, CROMTIVIc2® cVIc2® Fi-VIc2® PVD+PECVD a-C:H:Si Silizium dotierter metallfreier DLC höher dank Si niedriger, dank Si bis zu 5 µm isolierend 25 GPa Ra~0.03 µm – Rz~0.2 µm µ~0 1 µ~0.1 Durchbruch nach langer Zeit Reduzierung vom Verschleiss und Energiebedarf von Bauteilen zur Erhöhung der Betriebsdauer


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Carbon))

Reibungskoeffizient von CROMVIc2®; µ=0.06 +- 0.01

CROMVIc®

CROMVIc2®

Messbedingungen des Ball-on-Disc-Testes: gegen g Si3N4-Kugel: g r=6 mm - Normal-Belastung=10.00 g [[N]] - Lin. Geschwindigkeit=20.00 g [[cm/s]] Test g Messrate : 2.0 [Hz] - Umgebungstemperatur=25.00 [°C] - rel. Luftfeuchtigkeit = 5.00 [%] Stopbedingung: 2000.00 [m] oder µ> 1.20

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Coating) g)

Oberflächenrauheit gemessen mit AFM: an CROMVIc2® auf HM: Sa=0.0374 um

Scratch-Test an CROMVIc2® -Schicht

Scratch-Daten Belastung Scratch-Länge Belastungsrate V-Scratch

1-120 N 11.9 mm 100 N/min 10 mm/min

DLC-Film (2 µm) abgeschieden an WC/Co Hartmetall: Lc1=57N , Lc2=74N, Lc3=102N (Durchschnitt von 3 Messungen) Vergleichswerte der Referenz-TiN des Gerätenherstellers (CSM )= 18/28/82 N

24


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Coating) g)

Schichtdickenverteilung am Ventilschaft 6

Schichtdicke [µm]

5

4

3

2

1

0 0

10

20

30

40

50

Abstand von der Spitze [mm]

60

70

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Coating) g) - Anwendungsbeispiele g

Schnittwerkzeuge mit nACVIc2®

Gewindeformer mit CROMTIVIc2

Vorderseite Stempel aus Kupfer mit CROMVIc®

Medizinische Implantate mit cVIc2

Ventillift für Rennwagen mit CROMVIc2®

back Nockenwelle mit CROMVIc2®

25

Steuerhebel für Ventilsteuerung g im Zylinderkopf von Rennwagen mit Fi-VIc®


IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

7. DLC-Schichten ((Diamond Like Coating) g)

Beschichtungsanlage zur Abscheidung von CBC2-Schichten: -Standardanlage π80 und π300 mit Ergänzungen: - 350 kHz BIAS - Gepulster ARC-Verstärker als Option - zusätzliche Gasleitung mit MFC - spezielle Heizung mit Schmutzfilter - Upgrade durchführbar beim Anwender

Mehr als 1000 Teile für Nähmaschinen in einer Charge der π300+DLC g mit CROMTIVIc2® zur Beschichtung Quelle: KPTU, Seoul, Süd-Korea

IIb, Innovative Anlagentechnik Einfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

Einfluss wichtiger additiven Materialien auf die Eigenschaften von PVD-Schichten

Härte

Reibungsminderung

StrukturStabilität vs. Temp

Oxidationsbeständigkeit

Titan

Base

Base

Base

Base

Base

Base

Chrom

Base

(+)

Ø

++

+

Ti+Cr

(+)

(+)

Ø

Ø

(+)

Ø

+

+

+

Ø

++

Silicon (mit Ti)

++

Ø

+(+)

+(+)

+

++

Silicon (mit Cr)

++

Ø

+(+)

+

+

+

+

++

––

++

––

––

–/+

++

++

––

+

Element

Aluminium

Kohlenstoff Oxigen

26

Verschleiss- Verschleissfestigkeit festigkeit bei bei RT 600°C


III. Wege aus der Krise mit Hilfe der Beschichtungstechnik a. b.

Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung Blue Ocean Strategie; Neue Anwendungsfelder

Quelle: LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek

IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

Dedicated ((an die Anwendung g angepasste) g ) Schichten kรถnnen die Leistung g enorm steigern g

Leis stung

Dedicated Schicht-2 Schicht 2

Dedicated Schicht-1

Universalschicht

Anwendungsbereich

27


IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

LMT-NANOSPHERE: Massgeschneiderte g Werkzeugbeschichtung g g für Abwälzfräser

Referenz: Gemeinschaftsprojekt LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek - TU Magdeburg, IFQ – PLATIT AG, Selzach (CH)

IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

Was zeichnet NANOSPHERE aus ? 1. Optimale Haftung durch Cr-CrN-Haftlayer mit it der d nichtlegierten i htl i t C Cr-Kathode K th d 2. Verbesserte Wärmedämmung durch hohen Al-Gehalt Al Gehalt 3. Hohe abrasive Verschleissfestigkeit durch Cr 4. Mikro-Elastizität durch Multilayer Multilayer-Struktur Struktur 5. Riss-Stop durch Multilayer-Struktur y 6. Hohe Härte durch Nanolayer-Struktur y

28


IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

Was zeichnet NANOSPHERE aus ? Mehrlagiger nanostrukturiere Aufbau Multilayer-Grundstruktur

A aluminiumreicher B aluminiumärmer

Perio ode ~7 nm

Nanolayer in Multilayer

A C Cr

Al Bestimmt durch Kathodenanordung und Substrate-Rotation

Periode

Erzeugt durch ARC-Steuerung

IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

Verschleiss erla f beim trockenen Schlag Verschleissverlauf Schlagzahnfräsen ahnfräsen Standlänge [m/Zahn] 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

160

max. Freiflächenve erschleiß [µm]

VB max = 130 µm 120

AlCrN Monoblock

AlTiN

80

Nanosphere Werkzeug Schneidstoff: PM-HSS Gangzahl: 2 Werkstück Werkstoff: 20 MnCrB5 Modul: 2,7 mm

40

Technologie Gleichlauffräsen / trocken vc = 220 m/min fa = 3,6 mm/WU

0 0

5

10

15

20

25

30

gefertigte Werkstücke Referenz: Gemeinschaftsprojekt LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek - TU Magdeburg, IFQ – PLATIT AG, Selzach (CH)

29


IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

E Ergebnisüberblick b i üb bli k Laborversuche L b h IFQ trocken k Schnittwerte HM: Schnittgeschwindigkeit: 380 m/min Vorschub: 3 mm / WU

200 Schnittwerte PM-HSS: Schnittgeschwindigkeit: 220 m/min Vorschub: 3,6 mm / WU

176 %

Standmeng ge in %

160

127 %

120 100 % 80

100 % PM-HSS

HM

40

0 AlCrN

Nanosphere

AlCrN

Nanosphere

Referenz: Gemeinschaftsprojekt LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek - TU Magdeburg, IFQ – PLATIT AG, Selzach (CH)

IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

Wichtigste Vorteile von NANOSPHERE • Dedicated Schicht für Wälzfräser mit dem Anwendungs-Know-How von LMT-FETTE • Nanostrukturierter Multilagen-Aufbau bietet eine höhere Elastizität der Schicht bei gleicher Verschleißfestigkeit • Bis zu 30% günstigere Verschleißwerte bei gleichen Anwendungsbedingungen • Bei Wälzfräsen mit HM Schnittgeschwindigkeiten bis zu 500 m/min möglich • Nanostrukturierte Schicht ist für Schlagbelastung besser geeignet • Für PM-HSS und Hartmetall-Substrate gleichermaßen geeignet • Entschichtbarkeit • Wegen W H Haftschicht ft hi ht sind i d HSS-Werkzeuge HSS W k bis bi 3 mall überbeschichtbar üb b hi htb • Aufbereitung in Hersteller-Qualität an mehreren Standorten Referenz: Gemeinschaftsprojekt LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek - TU Magdeburg, IFQ – PLATIT AG, Selzach (CH)

30


IIIb, Blue Ocean-Strategie , neue Anwendungsfelder

Blue Ocean Märkte für Integration g von Beschichtungssystemen g y 2000 -

; KMU- Werkzeughersteller, Nachschleifer

2009 -

;?

Energiewirtschaft: Turbinen-Blisks

Medizin: Werkzeuge Implantate

Werkzeugmaschinenbau Spez Teile Spez.

Stanz- und Umformtechnik Die Beschichtungstechnologie wird in der Zerspanungstechnik dann richtig verbreitet sein, wenn sich jeder CNC-Nachschleifer die Integration der Beschichtung leisten kann. „Nachhaltige Erfolge können nur durch Entwicklung innovativer, neuer Märkte, die Kunden wirklich differenzierende und relevante Nutzen bieten, erzielt werden.“ Renée Mauborgne, W.Chan Kim

Flexible Beschichtung von TiN über Nanocomposite und Oxide zu DLC T. Cselle, C. Büchel, O. Coddet, A. Lümkemann, M. Morstein, A. Moschko, J. Prochazka - PLATIT AG, Selzach, Schweiz – www.platit.com Referenzen: [1] Barnett, S., Madan, A.: Stability of Nanometer-Thick Layers in Hard Coatings - MRS Bulletin, Chicago, March/2003, p.169.-171 [2] Mauborgne, R., Kim, W.C.:Blue Ocean Strategy. How to Create Uncontested Market Space and Make the Competition Irrelevant Boston, Massachusetts: Harvard Business School Press, 2005 [3] Veprek, Veprek S S., a a.o.: o : Different Approaches to Superhard Coatings and Nanocomposites - Thin Solid Films Films, Elsevier Elsevier, Amsterdam Amsterdam, 476 (2005) p p. 1-29 1 29 [4] Wikus: Futuristische Sägebänder – maschine + werkzeug, Gilching, Juni/2006 [5] Thin-Film Coating Market – Study – LEK Consulting GmbH, München, 2007 [6] Voigt, K.: Neue Beschichtungen verschieben Leistungsgrenzen in der Zerspanung - LMT-Symposium, Oberkochen, März, 2007 [7] 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 – Download: www.platit.com [8] Morstein, M t i M. M a.o.: Rotating R t ti ARC PVD Cathodes C th d – Five Fi Years Y off Dependable D d bl High Hi h P Performance f - ICTCMF, ICTCMF G7 G7-6, 6 S San Di Diego, A April/2007 il/2007 [9] Kruszynski, J.: Nanostrukturierte Schneidstoffe und Beschichtungen bergen großes Rationalisierungspotenzial LMT-Symposium, Oberkochen, März, 2008 [10] Preiß, P.; Cselle, T.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und Beschichtung auf das Leistungsvermögen von Präzisionszerspanungswerkzeugen - 8. Schmalkalder Werkzeugtagung, 05./06.11.2008, Schmalkalden [[11]] Cselle,T. , u.a.: TrripleCoatings p g – eine neue Generation von PVD-Schichten für Zerspanwerkzeuge p g Spanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.258-268 [12] Karpuschewski, B., Knoche, H-J.; Hipke, M.: Gear finishing by abrasive processes CIRP Annals . - Oxford : Elsevier, Bd. 57.2008, 2, S. 621-640 [13] Holubar, P.: Large-Scale Industrial Applications of Superhard Nanocomposites and Development of Advanced Coating Technology, Conference Nanocoatings, Budapest, April/2008 [14] Frank, Frank H., H Reich, Reich S.:Beschichtung S :Beschichtung von CBN Schneideinsätzen - Thüringer GrenzGrenz und Oberflächentage Oberflächentage, Sept/2008 [15] Preiß, P.; Cselle, T.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und Beschichtung auf das Leistungsvermögen von Präzisionszerspanungswerkzeugen - 8. Schmalkalder Werkzeugtagung, 05./06.11.2008, Schmalkalden [16] Cselle, T., Büchel, C., Coddet, O., Lümkemann, A., Morstein, M., Prochazka, J.: Die Bedeutung der Schneiden-Mikrogeometrie für beschichtete Hochleistungswerkzeuge - Swissmem – 8. Zerspanungsseminar, Zürich, Olten, Yverdon, Jan/2009 [17] Momper, F., Kohlscheen, J., Knoche, H.-J., Lümkemann, A.: NANOSPHERE – eine Hochleistungsschicht für Wälzfräswerkzeuge Vortrag am Kongress zur Getriebeproduktion; GETPRO09 – Würzburg, 11.-12. März, 2009 [18] Cselle, T. u.a.: LMT-NANOSPHERE: Massgeschneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die Lebensdauerkosten LMT-Symposium, Oberkochen, März/2009 [19] Lümkemann, A., u.a.: Nanocomposite Coatings and Triple Coatings on High Performance Tools with Dedicated Edge Preparation ICTCMF, GP-1, San Diego, April/2009 [20] Morstein, M. u.a.: Influence of the Chemical Composition on the Tribological Properties of Nitride-Based Nitride Based Nanocomposite Coatings ICTCMF, B6-3-3, San Diego, May/2009

31

Flexible Beschichtung  

PVD-Beschichtung von Werkzeugen und Bauteilen Industrie-Workshop, Schmalkalden, 16.06.2009

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