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FAQ zurBesc hi chtun gte chn ol o gi e

von heuteJede drifte Patentanmeldung, die sich mit Zerspanungswerkzeugenbeschäftigt, stellt einen Hauptanspruch bezüglich Beschichtungenauf. Aber nicht nur deswegen sind Schichten eine der wichtigsten

Antriebskräfte der Weiterentwicklung der Fertigungstechnik.Sie bestimmen die Leistung der Werkzeuge massgeblich und

verbessern diese mit Riesenschritten [1], [12].

Brauchen die Schneiden der zu beschichtenden Präzisionswerkzeugeei ne be so ndere Vorbe han dl u n g ?

Schon die einJache Entgratung der zu beschichtenden HSS-Werkzeuge ist von grosser Wichtigkeit. Falls der nichtentfernte Grat beschichtet wird, bricht er bei den erstenSchnitten ab und die Werkzeugschneide arbeitet unbeschichtetweiter. Dies zeigt sich auch in den wesentlich besserenErsebnissen.

Gewindeschneiden ohne und mit Schneiden-Mikrostrukturierung (MS)vot dem Beschichten.

Falls die scharfen und in vielen Fällenlach dem Schleifenmit kleineren Abplatzungen und mit dei "Haiverzahnung"belasteten Schneiden aus Hartmetall, Cermet. Keramik undCBN nicht gezielt mikrostrukturiert werden, sind grössereAusbrüche von ganzen Schneidteilen vorprogrammiert.

Heute ist man der Meinung, dass diese Schneiden mehr-heitlich mit einem definierten, möglichst kleinen Radius

Bitd 2:Mikostrukturierung der Schneidkanten von fuäzisionswerkeugen.

versehen werden sollten. Damit sollten die Werkzeuee auchbei Feinstbea rbeituneen ohne Ausbrüche "beissen" können.

a, vor der Mkosbuktu eruruE didds eE sdnrrdd4

Werkzeug Technik - Oktober 2004 Ausgabe - 'l

a, nach der Mkiostruktur;erung

Die Tabelle fasst die heuie eingesetzten wichtigstenMikrostrukturierungs-Verfahren und ihre Merkmale zusam-men. Einige dieser Verfahren eignen sich neben der Mikro-shuktuderung der Schneiden auch zu Oberflächenbearbeitungvon Schneideflächen und Nuten. So bürsten, strahlen oder po-lieren zahlreiche, namlafte Werkzeughersteller z.B. ihre Hoch-leistungs-Gewindeformer sowohl vor, als auch nach dem Be-schichten:- Vor dem Beschichten werden die durch das Schleifenerzeugten Unebenheiten der Nuten und der Schneidflächen*,cooo l i rhon lopcrA, r .h r l

- Darnit sie der hohen Druckbelastung des Gewindeformensbesser standhalten.

Bild 3 :Veryleich der wichtigsten Veiahrenzur Mikrostruktuierung der Schneidkanten von Präzisionswe ',zeugen

bevor und nach Beschichten.

Im Jahre 2000 erweckte eine Publikation aus Japan[8] denVerdacht, dass die (Ti, Al)N-Schichten durch Veralterung so-gar ohne äussere Einwirkung bei Raumtemperatur an Härteund Verschleissfestigkeit verlieren würden. Die Behauptungwurde nicht eindeutig bestäiigt, aber die Zweifel sind nochnicht vollständig ausgeräumt.

Bitd 4 :Härteve auf bei Alterung von A|TiN-Schichten.

Fakt ist aber, dass die physikalische Eigenschaften derAlTiN-Schichten bei der übermässigen Erhöhung desAluminiumanteiles (ca. über 70%) plötzlich einbrechen. Diesephysikalische Grenze kann durch Zugabe von noch warmfe-steren Legierungselementen, wie Chrom, Yttrium oderSilizium, die dann z.B. AlCrN, TiAIYN oder TiAlSiN-Schich-ten bilden, oder durch Nanocomposite-Strukturen z.B.(TiN)/(Si3Nr), (TiAlN)/(Si3Nq) oder (AlCrN)/(Si3N+) durch-brochen werden.

Bitd 5 :Merknale von (Ti,Al)-Schichten in Abhängigkeit der Al-Anleile.

Wenn man in einer TiAIN-Schicht den Aluminium-Anteilund damit die Warmfestigkeit nicht mehr erhöhen kann, sollteman statt Titan ein anderes Metall mit höherer Oxidations-beständigkeit (2.8. Cr) nehmen. So entstehen die AICIN-Schichten I2l, [5], [9]. Sie weisen selbstverständlich Vorteileund Nachteile auf. Vorteile sind; Chrom hat eine höhereWärmebeständigkeit als Titan, CrN-Schichten erzielenüblicherweise eine noch bessere Hafhng als TiN, mit CrN sindhöhere Schichtdicken rnöglich als mit TiN.

Bitd 6:AICrN und ihre Anwendung für Abwälzlräser.

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- Die "Schneiden" werden dabei gleichmässig runder, was aberbei dem nicht schneidenden Verfahren nur von Vorteil ist.- Nach dem Beschichten werden die Droplets der Beschich-tung entfernt, was zum besseren lliessen des geformten Werk-stückmaterials positiv beiträgt.

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0 2 0 . 4 0 6 0 8A Gehalt tat%l = (Al) / (Al+Ti)

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Warum sind die Nanocomposites die wirklich neuartigen Schichten?Durch gleichzeitiges Abscheiden von sehr uaterschiedlichen

Materialien werden die Komponenten (2.8. Ti, Cr, Al in dereinen Gruppe, sowie Si auf der anderen Seite) nichtvollständig gemischt und es entstehen 2 Phasen. Die nano-kristallinen TiAIN- oder AICrN-Körner werden in dieamorphe Si3Na-Matrix eingebettet, was bei der Struktur mithöheren Si-Anteilen am besten zu erkennen ist [51.

Nachteile sind: Bei gleichem Al-Arteil ist die AITiN-Schichthärter als die AlCrN, die Cr-Targets sind viel teurer (bis zu8-mal) als Ti-Targets, CrN ist von Hartmetallen heute prak-tisch nicht entschichtbar.

Eine echte neue Altemative zum Durchbruch der ohvsi-Lalischen Grenze der AITiN-schichten bilden die Nanocom-

Bitd 7:Veryleich von Nanocomposite-Sttukturen von (nc-TiAIN)/(a-SbNl-

Schichten in Abhängigkeit des Si-Anteiles.

Die mit Hilfe der Nanocomposite-Struktur ermciglichteHärteerhöhung kann man am anschaulichsten am Beispieldes Sandstrandes [6] verstehen. In trockenem Sand sinkt derFuss normalerweise ein. In feuchtem Sand sind dieZwischenräume zwischen den Sandkörnem mit Wasser gefüllt,der Fuss sinkt weniger oder gar nicht ein. Die Oberflächebietet mehr Widerstand, also sie ist härter.

Bitd I :Erhöhung der Härte duch Nanoconposite-Struktut.

Neben der höheren Härte weisen die Nanocomposite-Schichten ihren wichtigsten Vorteil in der enormen Verbes-serung der Warmfestigkeit auf. Die spinodale Zerlegung undder damit verbundene Härteverlust hitt tendenziell wesent-Iich später als bei den nicht Nanocomposites auf [10]:

Um ca. 200 - 300 "C später als bei den AlTiN-Schichten undum ca. 100"C später als bei AlCrN.

Bild I :Stabile Nanoconposite-Sttuktur veßchiebt spinodale Ze egung

zu höheren Te mpe ratwen.

Es wird sogar vermutet, dass dieser Härteverlust bei 1200"durch die KobalrDiffusion des Hartmetalls und nicht durchdie Nanocomposite-Schicht hervorgerufen wird. Dank derhohen Hdrte, der enormen Wärmebeständigkeit und der durchden "Binder" Silizium gegebenen hohen Zähigkeit ist esmöglich, dass die Schichten mit der Nanocomposite-Strukturnicht nur gegen die konventionellen PVD-Schichten sondernauch gegen dicke CVD-Schichten mit Erfolg bestehen können.

Bitd 10:Nanocomposites in Vergleich

nit konventionellen PVD- und CvD-Schichten.

posite-Schichten, z. B. (nc-CrAlN) / (a-SirNa), die einenoch höhere Warmfestigkeit als die CrAlN-Schichtenaufweisen und wesentlich wirtschaftlicher produziert werdenkönnen.

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Werkzeug Technik - Oktober 2004 Ausgabe - 3

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flosondern die Nanokristalline (2.8. TiAIN oder AICIN) werdenin die amorphe Matrix (2.8. Si3N4) eingebettet. Der schnelleARC-Spot erlaubt ein höchst intensives Magnetfeld, ohne dieTargets durchzubremen. (wofür die Gefahr bei Planartargetsdurchaus sehr gross ist.) Die entstandene Nanoconposite-Struktur weist kleine Kristallinengrössen, keine "Lücken" zwi-schen den Nanokristallinen, scharfe Interface-Grenzen unddamit eine hohe Härte auf. Die so entstandene Bienenwaben-Struktu stoppt die Risse an den Korngrenzen [5].

Was sind die wichtigsten Vorteile der rotierenden zylindrischen Kathoden?

Wie können die Nanocomposites industriell und wirtschaftlichabgeschieden werden?

Um die teueren legierten Targets (TiAl, AlCr) zu vermei-den und die Segregation (siehe unten) zu ermöglichen,müssen die wesentlich kostengünstigeren "puren" Kathoden(Ti, Cr, Al, AlSi) nebeneinander einbaubar sein [3], [11]. Einhoch ionisiertes Plasma mit hoch intensivem Magnetfeld mussaufgebaut werden. Dies setzt einen sehr schnell bewegtenARC-Spot voraus. Diese Forderungen werden von demLARCo-Verfahren erfüllt. (LARC': LAteral Rotating ARC-Cathodes = seitlich rotierende ARc-Kathoden [3], [11].

Bitd 11 :Veryleich ARC-Führung und der Target-Erosion bei planarcn

und rotierenden zylindrischen Kathoden

Die wassergekühlten Kathoden drehen sich. Das Magnetfeldwird durch Permanentmagnete und Spulen erzeugt und ver-tikal sowie radial gesteuert bzw. bewegt. Durch die schnelleRelativbewegung können sogar niederschmelzende Target-materalien (2.8. pures Al oder AlSi) anstatt der teureren Le-gierungen (2.8. Al25Ea /Ti75%, AI\\EI /Ti50%, A167% /Ti338",Cr33%/A167% usw.) verwendet werden. Nach dem Abschei-den aus dern Target müssen Al und Si getrennt werden (Se-gregation). Das Silizium geht nicht in die metallische Phase ein,

Rotierend$ Zylinderfargetpaarzur Hersrellung von schichten mit

freiprogiammieöarer stöchiometieaus nichtlegaerien Tafqeimai€rlalie.

a. Optimale Schichthaftung durch VIRTUAL SHUTTER"Das Magnetfeld wird um 180" nach hinten gedreht, derARC nach hinten gezündet, um die Targets vor derneigentlichen Beschichtungsprozess zu reinigen und diegroben Partikel an die Hinterwand abzuscheiden. Der ARCwird danach (ohne dass er erlischt) zu den Werkzeugen ge-dreht. So wird die Zeit des Ionen-Atzens massgeblichgekürzt und die Haftschicht mit metallisch reinen Targetsabgeschieden.

b. "Breite" Targets mit langer LebensdauerDie rotierende, zylindrische Kaihode ist bei gleichemPlatzbedarf 6:mal breiter als ein Planar-Target.

c. Glatte Schichten durch Reduzierung der ARC-DropletsMit den rotierenden Kathoden ist die Spotbewegung schnellund gleichmässig. Sie ergibt sich als Addition aus derRotation des Targets und aus der vertikalen Oszillationdes breiten Magnetfeldes (Bild 11). Mit Hilfe des VIRTUALSHUTTER@ werden die Anfangsdroplets gegen die Rück-wand "zenpritzt", wonach die schnelle ARC-Spotbewe-gung sehr glatte Schichten erzeugen kann.

Bild 12 :Frciprcgnnnieharc Stöchionettie abgeschieden nit roliercnden

zylinddschen Taryets aus pwen Ti und AlSi.

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d. Frei programmierbare Schicht-StöchiometdeMit Hilfe der nicht legierten Kathoden kann der idealeAufbau einer Schicht verwirklicht werden [5]:r Die Haftschicht soll ein vergleichbares Young-Modul auf-weisen, wie das Substrat.. Der Mittelteil der Schicht soll die Härte auJbauen und die"Federung" gewährleisten, damit die Risse absorbiertwerden und ein unterbrochener Schnitt möglich wird.. Zur Oberfläche der Schicht soll die Härte, damit dieVerschleissfestigkeit, sowie die Oxidationsbeständigkeitgesteigert werden.. Eine "Schmierschicht mit niedrigerem Reibungskoeffizi-enten soll die Aufbauschneide verhindern.

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Gem€$.n an der c,qFl |? Lele

Welche Doping-Anteile sind optimal für die Nanocomposite-Schichten?Die (TiAlN)/(Si3NalNanocomposite-Schicht erreicht z.B.

beim Hartfräsen schon mit 6% Silizium eindeutig bessere 350Ergebnisse als die konventionellen AlTiN-Schichten. Die 300Erhöhung des Silizium-Anteiles über 10% erzielt noch 25.wesentlich höhere Standzeiten [5], [9].

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Ha fräsen nit AITIN- url,urororpor*,:l:hl:n:.

Durch die Anwendung von puren (nicht legierten) Targetsermöglicht die LARC@-Technologie die Abscheidung von frei-programmierbaren Nanocomposite-Strukturen (momentanmit Ti, Al, Cr, Zr, und Si). Mit der Anwendung der Al-

FräsresiLf[m]

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CrN/Si3Na-Schicht in der Praxis wird sich gezeigt, wirdzeigen, ob die gleichzeitige Anwendung der 3 aktuellstenSchichtelemente (A1, Cr, Si) wirtschaftliche Ergebnissebringt.

Welche ist die richtige Anlagengrösse?Weil in Lolurbeschichtung "massgeschneiderte Beschich-

tungen fast ausschliesslich für Grosskunden hergestelltwerden [2]", muss die moderne Beschichtungsanlagegenügend klein gestaltet werden, um auch für KMUs finan-zierbar zu sein [12]. Es ist aber nicht das einzige (wenn auchdas wichtigste) Argument für die Kleinanlagen:

Die neuen Schichten lösen TiAIN & Co nicht sofort - aufeinen Schlag - ab. Der Bedarf an nanostrukturierten Schich-ten wird in den nächsten Jahren kontinuierlich steigen, wasdann die Auslastung von grösseren Anlagen ermöglicht.

Der modulare Ausbau in die Breite (nicht in die Höhe) istder richtige Weg, weil man dadurch die gleichen Kathodenaustauschbar verwenden kann:a, Die zentralen Kathoden erhöhen die Abscheiderate um denFaktor 3, um Kundenwünsche nach extrem produktiverBeschichtung von grösseren Mengen zu befriedigen.b, Die Einzelkathoden an der Seite können speziellen Aufga-ben, wie z.B. die Abscheidung einer Haftschicht oder einerDlC-Topschicht, übernehmen. Das zentrale Kathodenpaarstellt dabei die Nanocomposite her.c. In dieser Konfiguration ist sogar die Mitanwendungvon Planarkathoden denkbar,herzustellen.

urn einfachere Schichten

Bitd 14:ModutatansepassteBeschbhtui:!:J?fr:

Das Entwicklungsteam :

In den kleineren Anlagen muss man total verschiedeneTeile nicht unbedingt zusammen beschichten. KleinereChargen sind auch wirtschaftlich durchführbar

Mehrere kleine Beschichtungsanlagen sind auf keinen Fallweniger produktiv als eine grosse, Sie sind aber viel flexiblerund ermöglichen eine bessere Lieferfähigkeit,

Wem man die Technologie und Produktion der Kathodenim kleinsten Raum beherrscht, fällt die Up-Scaling mit Hilfeder rotierenden Kathoden viel leichter.

d. Die horizontale Einsatzfähigkeit demonstriert beein-druckend die hohe Flexibilität der rotationssymetrischenKathoden. Durch diese Anordnung kann eine konstanteSchichtdicke für flacher liegende Teile, wie Sägebänder oderUmformwerkzeuge, erreicht werden.

Olivier Coddet, PLATII F&EDr Tibor Cselle, PLATIT, CEODr. Pavel Holubar, PIVOT, CEOMojmir Jilek, PIVOT, Leiter F&E

Alexander Moschko, PLATIT, PEDr. Markus Morstein, PLATIT, Leiter F&EDr, Jan Prochazka, PLATIT F&EDr Milan Ruzicka, PIVOT, F&E

Michael Sima, SHM, F&EDr. Bo Torp, PLATII PEOndra Zindulka, SHM, F&E

Werkzeug Technik - Oktober 2004 Ausgabe - 5

Referenzen:I1l Bellmann, B.: Verschleissschutz- und Gleit schichten

Handbuch, Emuge, Lauf a. d. Pegnitz, erscheint in 2004.I2l Damm, H. (Editor): Werkzeug-Doping; eine Umfrage

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Cselle, T.: Driving forces of today's manufacturingtechnology Industrial Tooling, Southampton, Sept/2003.

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[12]

PLATTT AGt High.Tech PVD.Beschichtungsanlagen

und tlochleistungsschichtenPLATIT entwickelt, produziert und vertreibt High-Tech PVD-Beschichtungsanlagen sowie Hoch-

leistungsschichten für den Maschinenbau. Die wichtigsten Anwendungsgebiete bzw. die beschich-teten Substrate sind Zerspanungs- und Umformwerkzeuge sowie Maschinenteile.

PLAIIT wurde 1987 gegründet. Die erste verkaufte Anlage produziert seit 1992 in Italien. Das 100.PLATIT Beschichtungssystem wurde dieses Jahr (2004) installiert, über 70 Anlagen fanden ihren An-wender nach dern Jahre 2000. Damit decki PLATIT nach eigener Schätzung ca:5-8% des Weltmark-tes der PVD-Beschichtunssanla gen ab.

Die Firma PLATIT ist Tochter der BCI-Gruppe (Biösch Incorporation Inc.). Die Gruppe beschäf-tiet 220 Mitarbeiter in mehreren mittelständischen Firmen.

In den letzten Jahren baute PLATIT ein weltweites Vertriebsnetz aus, so in den USA, Asien undin ganz Europa. Nach 2000 gründete PLATIT in mehreren Ländern Unternehmen zur Entwicklungund Produktion. So auch die PIVOT AG a1s Joint Venture mit der Firma SHM in Sumperk (Tschelchische Republik). PIVOT hat in der PLATIT-Familie eine besondere Bedeutung, sowohlbei der Ent-wicklung von neuen Technologien als auch bei der wirtschaftlichen Produktion.

Das Spektrum der ständig weiterentwickelten PLATIT-Schichten reicht von den konventionellenMono- bzw. Multilayers über nanogradiente sowie Nanolayer-Schichten bis zu den Nanocomposi-tes. Zur Abscheidung der letztgenannten geschützien Nanocomposite-Schichten (nACo', nACRo@)bietet PLATIT momentan als einziger Hersteller industrlell einsetzbare Anlagen an.

Der Hauptmarkt der High Tech Anlagen ist weiterhin Europa. Mit den Nachteilen der NichfEU-Mitgliedschaft der Schweiz kann PLATIT nur bei der Erfüllung der zwei folgenden Kriterien am Marktwettbewerbsfähig sein:- Die Produkte müssen besonders innovativ sein.- Die neuen Technologien müssen neue Märkte generieren, um die Preiskämpfe des konventionel-len Lohnbeschichtungsgeschäftes zu umgehen.

Nach dem patentierten Leitkonzept MoDeC@ (Modular Dedicated Coating) hat PLATIT die flexiblenAnlagen mit der revolutionär neuen Technologie der rotierenden Kathoden (LARC@ and CERC@) ent-wickelt und in den letzten Jahren sehr erfolgreich abgesetzt.

Das PLATIT-Konzept sieht vor, mit Hilfe von Kompaktanlagen die Beschichtungstechnologie ausden Hochburgen der grossen Laboratorien in die mittelständischen Betriebe, in die Fertigung der An-wender zu integrieren und dadurch weitweit zu verbreiten.

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