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PVD – Beschichtung

PVD-Beschichtung

Immer schneller und präziser, mit einer noch höheren Standzeit der Werkzeuge, das ist der Dauertrend in der Zerspanungstechnik. Zu HSS-Zeiten suchte man nach Werkstoffen, die aufgrund spezieller Bestandteile leicht zerspant werden konnten. Man liegt gewiss nicht falsch, wenn man feststellt, dass es heute umgekehrt ist. Die Werkstoffe diktieren mehr und mehr das Geschehen, schwer zu bearbeitende Materialien sind auf dem Vormarsch, gesucht werden die dafür geeigneten Werkzeuglösungen. Beispiele finden sich unter modernen hochlegierten Stahlsorten, hochfesten Leichtmetallen oder im Bereich der Hartbearbeitung. Als weiterer Punkt kommt hinzu, dass inzwischen Standard-Werkzeugmaschinen zur Verfügung stehen, deren Kinematik keine Wünsche mehr offen lässt, Stichwort simultane Fünfachsbearbeitung. Bei dieser Bearbeitung muss das Werkzeug innerhalb eines Arbeitsganges mit unterschiedlichen Schnittwinkeln, Schnittgeschwindigkeiten und Schnitttiefen fertig werden. Kurzum: die Anforderungen an die Werkzeugschneide nehmen rasant zu.
Die Werkzeughersteller reagieren auf diese neuen Trends mit ebenso neuen Technologien. Eine moderne Entwicklung ist beispielsweise die PVD-Beschichtung (PVD = Physical Vapour Deposition). Hierbei werden metallische Hartstoffe wie Titannitrid, Titanaluminiumnitrid oder Titancarbonitrid auf den Hartmetall-Grundkörper aufgebracht. Die Schichtdicken liegen lediglich im Bereich 2 bis 5 µm. „Mit PVD-Beschichtungen lassen sich Härte und Zähigkeit der Werkzeugschneide maßschneidern“, meint Dr. Veit Schier, verantwortlich für den Bereich PVD bei der Walter AG in Tübingen. Flexible Lösung: Multilayer-Beschichtung
Um das zu verstehen, ist ein Blick in den Schichtaufbau notwendig, denn diese wenigen µm Hartschicht haben es im wahrsten Sinne des Wortes in sich. Es gibt zwei Vorgehensweisen bei der PVD-Beschichtung. Die eine besteht in der Aufbringung zahlreicher Einzelschichten, wodurch man eine Multilayer-Beschichtung erhält. Es sind bis zu 2.000 Einzellagen möglich, wobei sich jede Lage im Bereich weniger Atomschichten bzw. Nanometer bewegt. Die Abstimmung auf die Einsatzbedingungen in Richtung mehr Härte oder mehr Zähigkeit erfolgt durch die Wahl der Hartstoffe und ihrer Schichtdicken. Die andere Möglichkeit ist das Aufbringen einer einlagigen Gradientenschicht, innerhalb der sich die Eigenschaften zum Beispiel durch Kohlenstoffzusatz fließend steuern lassen.
Die Schichtaufbringung erfolgt nach dem Lichtbogen-Verfahren (ARC-Verfahren). In einer Niedervoltentladung wird ein Plasma aus Metall- und Stickstoff-Ionen (Reaktivgas) erzeugt, aus dem sich die verschiedenen Hartstoffe auf den zu beschichtenden Hartmetall-Grundkörpern abscheiden. Das ganze findet in einer speziellen Hochvakuum-Kammer bei mehreren hundert Grad Celsius statt. Die reine Prozessdauer für eine Schichtdicke von 1 µm beträgt etwa eine Stunde. Das Verfahren ermöglicht es, relativ einfach die verschiedenen Hartstoffe zu wechseln, was letztendlich die Herstellung maßgeschneiderter Multilayer-Schichten überhaupt erst möglich macht.
Die Multilayer-Schicht ist überall dort das Maß der Dinge, wo eine hohe Zähigkeit verlangt wird. Veit Schier: „Der viellagige Schichtaufbau verhindert, dass sich Risse, die beim Zerspanen entstehen, nach innen fortpflanzen. Abgetragenes Material kann nicht so schnell in die Schneide eindringen, um sie aufzusprengen. Mit Viellagen-Beschichtungen erreicht man daher höhere Standzeiten.“ Wichtig für die Abstimmung auf bestimmte Einsatzbedingungen ist neben dem Schichtaufbau auch die oberste Schicht, der Toplayer. Gewisse Werkstoffe, vor allem NE-Metalle, neigen schnell zur Bildung von Aufbauschneiden. Diese treiben die Schnittkräfte und Temperaturen in die Höhe, was zu schnellem Werkzeugverschleiß führt. Die Ursache liegt in den Reibungsverhältnissen zwischen Span und Spanfläche des Werkzeugs. Reibarme Toplayer minimieren dieses Problem.
PVD bringt Zähigkeit.

Was ist PVD ?

1. Beschreibung

Das Schlagwort PVD (Abkürzung für physical vapour deposition)
bezeichnet alle Verfahren der physikalischen Abscheidung dünner
Schichten über die Dampfphase.
Dabei wird das Ausgangsmaterial für die Schichten über die physikalischen Vorgänge des Verdampfens (mit Lichtbogen („Arc“) oder Elektronenstrahl) oder der Kathodenzerstäubung im Hochvakuum in die Dampfphase übergeführt und anschließend auf einem geeigneten Substrat wieder niedergeschlagen. Die dabei erzeugten Schichtdicken auf Werkzeugen und Bauteilen bewegen sich zwischen 1 µm und maximal 15 µm.

Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen und Bauteilen werden mit allen drei oben erwähnten PVD-Verfahren auf computergesteuerten Beschichtungsanlagen abgeschieden. Es handelt sich dabei um nitridische Hartstoffschichten, d.h. Verbindungen aus den Übergangsmetallen Titan und Chrom mit Stickstoff. Erweiterte Eigenschaften liefern Schichten, die zusätzlich Aluminium und Kohlenstoff enthalten. Die bei den Lohnschichtern
auf dem Markt erhältlichen Schichten basieren auf den Grundtypen der nitridischen Hartstoffschichten Titannitrid TiN, Titancarbonitrid TiCN, Titanaluminiumnitrid TiAlN und Chromnitrid CrN, die mit einigen ihrer Eigenschaften in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind.

 

Schicht TiN TiCN TiAIN CrN
Farbe gold violett-
dunkelgrau
anthrazit metalisch
Schichtdicke
µM
1 – 5 1 – 5 1 – 5 1 – 10
Mikrohärte
HV 0,05
2.300 3.000 3.000 1.900
Oxidatiostemperatur
°C
> 450 > 350 > 700 > 600


Sie zeichnen sich augrund der hohen kovalenten Bindungsanteile der Schichtatome durch hohe Schichthärte, gute Oxidationsbeständigkeit und chemisch träges Verhalten aus.

Der von den Verdampfern ausgehende, gerichtete Teilchenstrahl des metallischen Schichtbestandteils durchfliegt die Hochvakuum-kammer, wobei der Ionenanteil durch das am Beschichtungsgut liegende negative Potential auf die Werkzeuge beschleunigt wird.
Die aufwachsende Schicht ist dadurch einem Ionenbeschuss ausgesetzt, was zu einer Verdichtung und insbesondere zu einer verbesserten Haftung der Dünnschicht auf der Werkstückoberfläche führt. Durch den hohen Ionenanteil beim Lichtbogenverdampfen ist dieser Effekt gegenüber den anderen PVD-Verfahren besonders ausgeprägt.

Zur Erzeugung dieser Verbindungsschichten wird ein Reaktivgas durch die Hochvakuumkammer geleitet. TiN-Schichten erhält man so durch die Reaktion des Titandampfes mit Stickstoff im Plasma, für TiCN wird zusätzlich ein kohlenstoffhaltiges Gas eingesetzt.
Wegen des gerichteten Stroms der Schichtteilchen müssen die Werkzeuge bzw. Bauteile während des Prozesses bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten.

Schichten zur Reibungsverminderung, wie Weichschichten auf Basis von Molybdändisulfid und Kohlenstoffschichten, werden vorzugsweise mit dem PVD-Verfahren Kathodenzerstäubung abgeschieden.

2. Geeignete Werkstoffe

Geeignet zur Abscheidung der nitridischen Hartstoffschichten sind gehärtete Werkzeugstähle mit Anlasstemperaturen über 500°C (Schnellarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, ausgewählte Kaltarbeitsstähle, rostbeständige Stähle, Kunststoffformenstähle, da die Beschichtungstemperaturen im allgemeinen bei 450°C liegen.
Des weiteren sind Hartmetalle beschichtungsfähig. Es ist zu beachten, dass es sich bei der PVD-Beschichtung um eine weitere Wärmebehandlung an einem fertig bearbeiteten Werkzeug handelt und es deshalb wichtig ist, dass das Werkzeug vorher beschichtungsgerecht wärmebehandelt wurde, um Veränderungen im Gefüge, der Härte und der Maße zu vermeiden.

In Spezialfällen und/oder für Spezialschichten sind auch PVD-Beschichtungsprozesse unterhalb von 200°C möglich.

3. Standardprüfverfahren

PVD-beschichtete Werkzeuge und Bauteile werden visuell auch Schichtfehler überprüft. Auf Wunsch des Kunden kann die Schichtdicke mit zerstörungsfreien Methoden auf der Funktionsfläche gemessen werden.

4. Vorzüge dieser Wärmebehandlung

Die PVD-Beschichtung erfolgt als letzter Veredelungsschritt auf dem fertig bearbeiteten Werkzeug oder Bauteil ohne Veränderung der Maßhaltigkeit aufgrund der dünnen Schichtdicken. Durch die besonderen Eigenschaften der Schichten erhält man eine deutliche Steigerung des Verschleißwiderstandes bzw. eine Reibungsminderung. Dadurch ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum auf Werkzeugen zur Zerspanung, Umformung, Druckgießen, Werkzeugen zur Kunststoffverarbeitung und vielen Bauteilen.

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