Mikrogeometrie und Nanoschichten

Coating – Quo Vadis 2007Mikrogeometrie und Nanoschichten für ZerspanungswerkzeugeS hl lf k HPCSchlüsselfaktoren zur HPC

T Cselle M Morstein A LuemkemannT. Cselle, M. Morstein. A. Luemkemann,PLATIT AG, Selzach, Schweiz

Mikrogeometrie und Nanoschichten für ZerspanungswerkzeugeSchlüsselfaktoren zur HPCINHALT

1. Die Bedeutung der dedicated Schichten2. Die Bedeutung der Schneidkantenpräparation3 Kombination und Anwendung von dedicated Nanoschichten3. Kombination und Anwendung von dedicated Nanoschichten,

TripleCoatings3® und von dedicated Schneidkantenpräparationen3.1 Die „klassischen“ Standard-TripleCoatings3®

zur universellen Anwendbarkeitzur universellen Anwendbarkeit1. nACo3®

2. nACRo3®

3. nATCRo3®

3.2 Die TripleCoatings3® ohne Silizium1. AlCrN3® zum Mikro-Abwälwälzfräsen2. AlTiCrN3® zum Feinstanzen3. AlTiN3®

3.3 Die “getunten“ TripleCoatings mit Silizium1. TiXCo3® zum Superhartfräsen2. nACoX3® zum trockenen Drehen3. UserTriple3 zum …

4. Freisetzen der beschichteten Schneiden5 Z f5. Zusammenfassung

Beschichtungsanlagenherstellung durch die Krise besonders stark betroffen

aber trotzdem ->

“Schneidstoff und Werkzeuggeometriebeherrschen alle führenden Werkzeughersteller.Die Wettbewerbsfähigkeit wird durchdi dt B hi ht t h l idie angewandte Beschichtungstechnologieentschieden.“M. Müller, Walter AG,Werkzeugtagung, Schmalkalden, 2004

Die BeschichtungtechnologieSoll durch

-Innovative Anlagen und Schichten

sowie durch

-Blue Ocean Marketing

aus der Krise verstärkt herauskommen!

Was is wichtig für den Schichtanwender?

I. Anforderungen der Schichtanwender

g

IHB: am regionalsten: Beschichten in eigener Produktion

IHB: einfachste Logistik in eigener Produktion; kürzeste Wege

IHB: am schnellsten: Chargenzeit; ohne Verpackung, Transport und Logistik IHB: In-House Beschichtung

6IHB: am höchsten; Lohnbeschichter’s Profit bleibt im Haus

IHB: Eigener Service

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

IHB: am regionalsten: Beschichten in eigener Produktion

4

5Flexible Anlagen sind notwendig

IHB!

IHB: Nicht zu gross!

IHB: nur so möglich Eigene Schichten und Marken

gkei

t

2

3IHB!

Wic

htig

0

1

Lieferzeit Logistic Regionale Qualität Service Preis Möglichkeit Breite Kapazität NeueLieferzeit Logistic RegionalePräsenz

Qualität Service Preis Möglichkeitvon

dedicatedSchichten

BreiteSchicht-palette

Kapazität NeueinnovativeSchichten

Quelle: LEK, Munich [4]

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

Anforderungen in der modernen Zerspanung; HSC - HPCo de u ge de ode e e spa u g; SC C

• High-Speed Cutting: – Sehr hohe thermische Last

– Abrasiver Verschleiss

– Sehr hohe Frequenz im unterbrochenen Schnitt

• High-Performance Cutting:– Grosse Schnittkräfte

– Teils hohe Spandicken

– Abrasiver Verschleiss

– Hohe thermische Last

� Grosse Anforderungen an Werkzeugbeschichtungen

Quelle Grafik: Dr. Stefan Lux, FRAISA, Präsentation Tagung High Performance Cutting, Aachen 2008

Standard-Schichten für Werkzeuge in den letzten 30 Jahren

IIIa, Dedicated Schichten; angepasst an die Anwendung

90

100

Standard Schichten für Werkzeuge in den letzten 30 Jahren

70

80

90

50

60

70

2009: Mehr als 80:Ti-basiertTi C b i t

40

50 Ti-C basiertCr-basiertZr-basiertW-basiertV-basiert

20

30

+TiCNC N

+TiAlN

Mo-basiertAl-basiertCr-basiertSi-basiert

0

10

1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010

TiN CrN …..


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

Dedicated Schicht-2

stun

g

Dedicated Schicht 2

Leis

Dedicated Schicht-1

Universalschicht

Anwendungsbereich

LMT-NANOSPHERE: Massgeschneiderte Werkzeugbeschichtung für Abwälzfräser


g g g

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

Was zeichnet NANOSPHERE aus ?


Was zeichnet NANOSPHERE aus ?1. Optimale Haftung

durch Cr-CrN-Haftlayerit d i htl i t C K th dmit der nichtlegierten Cr-Kathode

2. Verbesserte Wärmedämmungdurch hohen Al Gehaltdurch hohen Al-Gehalt

3. Hohe abrasive Verschleissfestigkeitdurch Crdurch Cr

4. Mikro-Elastizitätdurch Multilayer-Strukturdurch Multilayer Struktur

5. Riss-Stopdurch Multilayer-Struktury

6. Hohe Härte durch Nanolayer-Struktury

Was zeichnet NANOSPHERE aus ?


Mehrlagiger nanostrukturiere AufbauMultilayer-Grundstruktur Nanolayer in Multilayer

Aaluminiumreicher

de ~

7 nm

Baluminiumärmer

Per

iod

A

C AlBestimmt durch

Kathodenanordungund

Periode

Cr Al

undSubstrate-Rotation

Erzeugt durch ARC-Steuerung

Verschleiss erla f beim trockenen Schlag ahnfräsen


Verschleissverlauf beim trockenen Schlagzahnfräsen

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Standlänge [m/Zahn]

1600 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

VBmax = 130 μm]

120

Nanosphere

AlCrNMonoblockAlTiN

ersc

hlei

ß [μ

m

WerkzeugSchneidstoff: PM-HSSGangzahl: 2

Werkstück

80

Frei

fläch

enve

WerkstückWerkstoff: 20 MnCrB5Modul: 2,7 mm

TechnologieGleichlauffräsen / trocken

40max

.

vc = 220 m/minfa = 3,6 mm/WU

00 5 10 15 20 25 30

gefertigte Werkstückegefertigte Werkstücke


E b i üb bli k L b h IFQ k


Ergebnisüberblick Laborversuche IFQ trocken

Schnittwerte HM:Schnittgeschwindigkeit: 380 m/min

160

200Schnittgeschwindigkeit: 380 m/minVorschub: 3 mm / WU

Schnittwerte PM-HSS:Schnittgeschwindigkeit: 220 m/minVorschub: 3,6 mm / WU 176 %

120

160

ge in

%

127 %

80Sta

ndm

eng

PM-HSS HM100 % 100 %

40

0AlCrN Nanosphere AlCrN Nanosphere


Wichtigste Vorteile von NANOSPHERE


Wichtigste Vorteile von NANOSPHERE

• Dedicated Schicht für Wälzfräser mit dem Anwendungs-Know-How von LMT-FETTE

• Nanostrukturierter Multilagen-Aufbau bietet eine höhereElastizität der Schicht bei gleicher Verschleißfestigkeit

Bis zu 30% günstigere Verschleißwerte bei gleichen Anwendungsbedingungen• 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

W H ft hi ht i d HSS W k bi 3 l üb b hi htb• Wegen Haftschicht sind HSS-Werkzeuge bis 3 mal überbeschichtbar

• Aufbereitung in Hersteller-Qualität an mehreren Standorten






2. nACRo3®

3. nATCRo3®




Zusammenhang; Schneidenpräparation und Beschichtungoder warum brauchen die Schichten eine Schneidenpräparation

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

Schneidkeil 2 Wegen dieser hohen internen Spannung platzt die Schicht direktSchneidkeil

3 Die Güte der Schicht kann durch ihre Fähigkeit charakterisiert

2. Wegen dieser hohen internen Spannung platzt die Schicht direktan der Schneide nach wenigen Schnitten ab.

3. Die Güte der Schicht kann durch ihre Fähigkeit charakterisiertwerden wie lange und wie kleindie Abstände CPoR and CPOCdurch die Schicht gehalten werden können.

CPoRR

CPoR : coating's peeling off an der SpanflächeCPoC : coating's peeling off an der Freifläche

CPoC 4. Die Ziele der Schneidkantenpräparation sind;- der Schicht zu helfen die Abstände CPoR und CPoClange klein zu halten und dafürdie Schneide zu “entschärfen“- die Schneide zu entschärfen

- einen weichen Übergang für die Schicht zwischen Span- undFreifläche zu schaffen

- dadurch die interne Spannung der Schicht zu reduzierenaber dabei das Werkzeug nicht stumpf zu machen- aber dabei das Werkzeug nicht stumpf zu machen

Zusammenhang; Schneidenpräparation und Beschichtungoder warum brauchen die Schichten eine Schneidenpräparation

CPoCWZ-Verschleiss

Schichtabplatzungen und Werkzeugverschleissan einem Schaftfräser behandelt durchdie Schneidkantenpräparation “A“nach 40m Standweg

CPoR

WZ-Verschleiss

CPoC= �Schicht isttotal abgeplatztan der Freifläche

Schichtabplatzungen und Werkzeugverschleissan einem Schaftfräser behandelt durch

CP

die Schneidkantenpräparation “B“nach 40m Standweg

CPoR

Einfluss der Schneidenpräparation auf das Zerspanverhaltenbeschichteter VHM-TORUSFRÄSER im Kaltarbeitsstahl

120Standweg [%]

80

100

Poly. (Standweg [%])

60

80

ndw

eg [%

]

40

Sta

n

0

20

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.000.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

Schneidkantenradius [μm]

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

Einfluss der Schneidenpräparation;Verschleiss beschichteter VHM-FRÄSER im Vergütungsstahl nach Lf=60m

300

350

Rundphasenverschleiss

VB

; [μm

]

250

Eckverschleiss

Vers

chle

iss

200

V

100

150

50

00 5 10 15 20 25 30 35 40Keine

SKP Schneidkantenverrrundung an der Rundphase und an der Stirnschneide [μm]

Schaftfräser AlTiN beschichtet - d=10mm, z=4, ae=1 mm – ap=d – vc=140 m/min – fz=0.1 mm/zWerkstückmaterial: 1.7225 – 42CrMo4 – 4140H – Kühlung: trokckene Luft – Gemessen;GFE, Schmalkalden

Einfluss der Schneidenpräparationauf das Zerspanverhalten beschichteter VHM-FRÄSER

1.2312 - 40CrMnMoS8-61.7225 – 42 CrMo4V 1.2343, X38CrMoV5-1Warmarbeitsstahl, 57 HRC

Einfluss der Schneidkantenpräparationauf die Standzeit beschichteter VHM-Bohrer

scharfgeschliffen R = 3 μm R1 = 11 μm R2 = 15 μm R3 = 21 μm

500

600

Schneide scharfgeschliffen R=11 μm R=15 μm R=21 μm

300

400

500

[um

]

100

200

vers

chle

iss

VB

;

-100

00 10 20 30 40 50 60

Eckv

Bohrweg [m]

Werkstückmaterial: Kaltarbeitsstahl - 1.2379 - X155CrVMo12-1 – HRC22 - SackbohrungenVHM-Bohrer nACo beschichtet: d=5 mm, vc=75 m/min – fz=0.15 mm/z – ap=15mm – Kühlung: trockene Luft

Einfluss der Schneidenpräparationauf die Standzeit beschichteter VHM-Bohrer

500

600

Schneide scharfgeschliffen R=15 μm R=15 μm + Eckphase

300

400

500

[um

]

100

200

300

vers

chle

iss

VB

;

-100

00 10 20 30 40 50 60

Eckv

Bohrweg [m]

scharfgeschliffen R = 3 μm R1 = 11 μm R2 = 15 μm R3 = 21 μm


1.2379 - X155CrVMo12-11.4003 - X2CrNi12

Wichtigste Erkenntnisse für Schneidenpräparationen

Wichtigste Merkmale SP Verfahren zur Schneidenpräparation

� Schleifen� Ohne SP> niedrige Leistung � Bürsten

� Mikrostrahlen� Schleppschleifen

-> niedrige Leistung

� Optimale SP hängt stark von- vom WERKSTOFF

von der Werkzeuggeometrie � Magnetfinish

� technologischeParameter zurSchneidenpräparation

- von der Werkzeuggeometrie- von Schnittparametern ab

� Optimale SP empfindlichüber optimalem Wert Schneidenpräparation- über optimalem Wert

starker Abfall der Leistung

Ziel der Schneidenpräparation:� Erhöhung der ZERSPANLEISTUNG !!

Vergleich von Methoden zur Schneidkantenpräparation





2. nACRo3®

3. nATCRo3®




Optimierte Kombination von dedicated Schichten und Schneidenpräparationen

AnwendungsbeispieleZerspanverfahren

Dedicated Schichten Verfahren zur Schneidenpräparation

� Bohren � Schleifen� Zusammensetzung� Fräsen� Gewinden� Sägen

� Bürsten� Mikrostrahlen� Schleppschleifen

� Struktur - Stöchiometrie

� Nachbehandlung � Abwälzfräsen � Magnetfinish

� technologischeParameter zurSchneidenpräparationSchneidenpräparation

O ti l K bi ti d di t d S hi ht dOptimale Kombination von dedicated Schichten und Schneidenpräparation:

� Erhöhung der ZERSPANLEISTUNG !!� Erhöhung der ZERSPANLEISTUNG !!

Einfluss wichtiger additiven Materialien auf die Eigenschaften von PVD-Schichten

keit

en on ten

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Schicht mp

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Ab

r

Ve

Mö

Nie

Nie

d

Ti+N->Basis; TiN +N 0 - + + + 0 0 0 - 0 nein 0 0

TiCN +C 0 -- ++ ++ - - -- - -- ++ nein 0 0TiCN +C 0 ++ ++ ++ nein 0 0

Typ. TiAlCNmit Al~20-25% +Al (+) + - - + + + + + - nein -- 0

+Al+wennAl<X%typ. TiAlN +Al

(-C) + - Al<X%- wennAl>X%

+ + + ++ + - - nein - +

typ. AlTiCrN +Cr - + + + + + + (+) + - nein - (-)

typ AlCrN +Cr

Ä

typ. AlCrNCr~30%

+Cr(-Ti) -- + (+) ++ (+) + + (+) + (-) nein -- -

typ. TiAlN/SiNCrAlN/SiN, AlTiCrN/SiN +Si ++ (+) ++ + + ++ ++ ++ 0 0 yes -- +

Die Änderungen, 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%

TripleCoatings3®: Stöchiometrie für universelle und dedicated Anwendungen

� Toplayer:Harte Nanocomposite mit sehr feiner Strukturmit sehr feiner Struktur

� Kernlayer: zähe undfeine Nanocrystalline

� Haftlayer

� Hartmetall-Substrat

Flexible Beschichtung mit LARC-TechnologieEinfache, flexible und schnelle Produktion aller marktgängigen Schichten

Al(Ti)12

3

4

TiTiAlSi

CrTiAlCr

Kathodekonfiguration (Ti & Al & Cr) für alleder folgenden Schichten:

- TiN, TiCN, TiCN-MP, Ti2N, SuperTiN;- TiAlN (50/50%), AlTiN (60/40, 67/33%);

UC-Kathodekonfiguration (Ti & Al & Cr) für alleder folgenden Schichten:- TiN, TiCN, TiCN-MP, Ti2N, 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

( ), ( , );- TiAlCN (75/25, 80/20%), CrN, CrTiN, AlTiCrN- nACo, nACRo, nATCRo, - alle Triple-Schichten- alle Schichten auch mit DLC-Top-Schichtp p

TripleCoatings ® : Abscheidung mit 4 rotierenden KathodenKombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten

nATCRo3®nATCRo3®

CrTiN AlTiN AlTiCrN/SiN

AlSi1. Schritt:Haftlayer CrTiN

Cr Ti

32

1

Al(Ti)2. Schritt:

4Kernlayer AlTiN

3. Schritt:Toplayer nATCRo®

nACo3®

-TiN – AlTiN - TiAlN/SiN1 Ti 2 AlSi 3 4 AlTi

AlXN3® : Getunt ohne Silizium

Die

Übersicht - TripleCoatings® 2010

-1:Ti -2:AlSi -3:no – 4:AlTi AlCrN3®: für Mikro-Abwälzfräsen- CrN - Cr/Al-Multilayer – AlTiN- 1:Ti -2:Al – 3:Cr

AlTiC N3® fü S Sä Ab äl f ä

Standard-K

Non-S

t

nACRo3®

AlTiCrN3®: für Stanzen, Sägen, Abwälzfräsen- CrTiN - AlCrN – AlTiCrN- 1:Ti -2:Al -3:Cr – 4:AlTi

AlTiN3®

Klassiker fü

andard-SchnACRo3®

-CrN-AlTiCrN-AlCrN/SiN-1:Ti – 2:AlSi -3:Cr -4:AlTi

AlTiN3®: für Bohren- TiN - AlTiN-Multilayer – AlTiN-Nanolayer- 1:Ti – 2:Al – 3: no – 4: Al(Ti)

ür universell

hichten für

SiX3®: Getunt mit SiliconTiXCo3®: für Super-Hartzerspanung- X=0; TiCo3: TiN- nACo – TiSiN- X=B or Cr ; TiN - nACo – TiSiXN

le und dedic

dedicated

nATCRo3®

-TiCrN – AlTiN - AlTiCrN/SiN-1:Ti – 2:AlSi – 3:Cr – 4:AlTi

- X=B or Cr ; TiN - nACo – TiSiXN- 1:Ti – 2:AlSi – 3:TiSi(X) – 4:no

nACoX3®: für Trockendrehen- Ti-CrN – AlTiN – nACo – AlCrON (Oxide / Oxinitride)

catedA

nwe

Anw

endun

- 1:Ti – 2:AlSi – 3:Cr - 4:AlCr

UserTriple3: … z.B. Tiefziehen, Gewindeformen, - CrN – AlCrN-ML/SiN – nACRo

endungen

gen

- 1:Al – 2:AlSi -3:Cr – 4:no

TripelCoatings ® : nACo3®

Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten

nACo3®

pWichtigste Anwendung: universell

Aber besonders zur Zerspanung von harten Werkstoffen

nACo3®

TiN AlTiN AlTiN/SiN

• TiN: – Haftlayer

- Weicher Übergang,

- ähnlicher E-Modul

- zwischen Substrat -> Schicht

• AlTiN: - Kernlayer

• guter Verschleisswiderstand

CrAlSi

Ti

• – guter Verschleisswiderstand

– niedrige interne Spannung

– gute Härte

Al(Ti)

• nACo: - Toplayer

- Sehr gute thermische Isolierung

- Hohe Härte

- Hoher Widerstand gegen abrasiven Verschleiss

TripleCoating nACo3® und nACRo3® für universelle Anwendbarkeitzum Fräsen von Kohlenstoffstählen

50

Fräsen mit TripleCoatings plus TiN-”Schönschicht”

42 43

3335

39 40

35

40

45

3128

33

25

30

35

[min

]

10

15

20

Stan

dzei

t;

0

5

10

Wz-

1

Wz-

2

Wz-

1

Wz-

2

Wz-

1

Wz-

2

Wz-

1

Wz-

2

AlTiN AlTiN gold nACo3-gold nACRo3-gold

WSP: SPKN 1203 EDSR - Werkstückmaterial: Ck45 vc=279 m/min ap=2mm fz=0 244 mm/z ae=100 mm Quelle: WBU Pilsen SHM Sumperk CZ

nACo3-gold = TiN + AlTiN + TiAlN/SiN + TiN - nACRo3-gold = CrN + AlTiN + CrAlN/SiN + TiN

vc=279 m/min – ap=2mm – fz=0.244 mm/z – ae=100 mm – Quelle: WBU Pilsen – SHM, Sumperk, CZ

TripleCoating nACo3® für universelle Anwendbarkeitzum Fräsen von Vergütungsstählen

0.25Ec

0.15

0.2ckvers

VBma TiAlCrN

0.05

0.1chlei

x

[

mm]

TiAlCrN

TiSiN

AlCrN

nACo3

00 10 20 30 40 50 60 70 80

ss

Fräsweg; Lm [m]

Material: STC3 – HRC45VHM-Schaftfräser – z=4 – d=10mm – vc=141 m/min - f=0.18 mm/rev

Quelle: Widin, Shinchon, South-Korea

Fräsweg; Lm [m]

, ,

Trockenes Drehen mit TripleCoating nACo3® gegenCVD Al i i id S hi htCVD-Aluminiumoxid-Schicht

Zerspanzeit [sec]

Mat.: rostfreier Stahl AlSl 316L – WSP.: Sandvik CNMG 120408vc=290 m/min – ap=0.8 mm – f=0.24 mm/U – trocken

Standzeitkriterium: VBmax < 300 μm – N8 – Gemessen an der EIG, Genf (CH)

p [ ]

TripleCoating nACo3® für universelle Anwendbarkeitzum Bohren von hochlegierten Stählen

• Konsistenteste Leistung: Dicke nACo3 Schicht• Konsistenteste Leistung: Dicke nACo -Schicht• Sehr gleichmässiger Verschleiss


Bürsten von Werkzeugen unter Neigung

T1 = 1 min T2 = 2 min T3 = 3 min

geschliffen R = 3 μm R1 = 11 μm R2 = 15 μm R3 = 21 μm

TripleCoating nACo3® für universelle Anwendbarkeitauch zur Beschichtung von “exotischen“ Schneidstoffen

TripleCoating nACo3®

auch zur Beschichtung von CBN-Wendeplatten mit spezieller Interface

TripleCoating nACo3® für universelle Anwendbarkeitauch zur Beschichtung von “exotischen“ Schneidstoffen

Unterbrochener�Schnitt

Drehen von ADI 900 mit beschichteter Keramik

Getestet durch GFE Schmalkalden

Maschine: MONFORTS VNC 600Bauteil: Rohr Da=198mm, Di=142mmWerkstoff: ADI 900, �325 HBWT2,5/187,5

• Standzeitvorgabe von � 10 Schnitten nur mit nACo3-

Getestet durch GFE, Schmalkalden

Werkstoff: ADI 900, 325 HBWT2,5/187,5Bearbeitung: Plandrehen im unterbr. SchnittPlattenform: CNGX 120716 Keramik�

mit�div.�CVD,�PVD�SchichtenParameter v 270 m/min f 0 4mm

Beschichtung erreicht• Geringe Streuung von

Schneide zu SchneideParameter: vc=270�m/min, f�=�0.4mmap=2mm,�trocken

Schneide zu Schneide

Trockenes Hartfräsen in 60 5 HRc mit nACo3®

TripleCoating nACo3® für Hartzerspanung

Trockenes Hartfräsen in 60.5 HRc mit nACo ®

Material: 1.2080 - X210Cr12 (Härte = 60,5 HRC)ate a 080 0C ( ä te 60,5 C)Wz: Vollhartmetall-Kugelkopffräser - d=10 mm – z=2

n =10445 min-1, vc=0-328 m/min - ap = 0.14mm, ae = 0.1mm, fz = 0.1mm - externe, trockene Luftkühlung

nAConACo3®3®

SpecialSpecial marketmarket coatingcoating--11forfor hardhard millingmilling AlTiNAlTiN DD

SpecialSpecial marketmarket coatingcoating--22forfor hardhard millingmilling AlTiNAlTiN--XXforfor hardhard millingmilling AlTiNAlTiN--DD forfor hardhard millingmilling AlTiNAlTiN XX

Nach dem Fräsweg von Lf= 444 m = 3.5 Stunden

nAConACo3®3®

SpecialSpecial marketmarket coatingcoating--22forfor hardhard millingmilling AlTiNAlTiN--XX

SpecialSpecial marketmarket coatingcoating--11forfor hardhard millingmilling AlTiNAlTiN--DD

Nach dem Fräsweg von Lf= 888 m = 7 Stunden

gg

Kombination von konventionellen und Nanocomposite-SchichtenWichtigste Anwendung: Universell

TripleCoatings ® : nACRo3®

g gaber besonders zur Zerspanung von zähen Werkstoffen,

für “tough“-Anwendungen (Zerspanung von Superlegierungen)

CrN AlTiCrN AlCrN/SiN

AlSi

Cr Ti

32

11. Schritt:Haftlayer CrN

Al(Ti)2. Schritt:

4Kernlayer AlTiCrN

3. Schritt:Toplayer nACRo®p y

TripleCoatings ® : nACRo3®

Kombination von konventionellen und Nanocomposite-SchichtenKombination von konventionellen und Nanocomposite SchichtenWichtigste Anwendung: Universell

aber besonders zur Zerspanung von zähen Werkstoffen,für “tough“-Anwendungen (Zerspanung von Superlegierungen)

nACRo (AlCrN/SiN): – Topschicht, Nanocomposite– Hohe Warmhärte – Hohe Beständigkeit gegen

abrasiven + oxidativen Verschleiss

AlTiCrN: – Kernschicht, mikrokristallin– Gute Verschleissfestigkeit &

Schlagzähigkeit– Niedrige Eigenspannung– Gute Wärmedämmung

CrN: – Haftung– Gleitender Übergang des

E-Moduls vom Substrat zur Schicht

TripleCoating nACRo3® für universelle AnwendbarkeitBohren vom abrasiven Sphäroguss

Verschleissvergleich beim Bohren mit VHM

Bohren vom abrasiven Sphäroguss

Material: GGG40 – d=8.5 mm – vc= 200 m/min – f=0.25 mm/U – ap=46.5 mm (DB)Kühlung: Emulsion – Quelle: Emuge-Franken, Lauf

• Geringster und gleichmässiger Verschleiss• Nachschliff und Wiederbeschichtung: Gleicher Standweg erzielt!

Vergleich der Verschleissbeständigkeit beim HPC-Schruppen von TiAl6V4

NX-FP 5379, Ø10 mm

Zahn 1 Zahn 2 Zahn 1 Zahn 2

HPC: Erhöhung der Zerspanleistung um 110%

AlCrN nach 40min nACRo3 nach 40min

Zahn 3 Zahn 4 Zahn 3 Zahn 4

Feinstanzen mit nACRo3®

StanzenStanzen FeinschneidenFeinschneiden

Quelle: Feintool, Liss, CH


Versuchswerkzeug

Aktiv-Elemente

Feinschneid- Werkzeug Streifenbild

Quelle: Feintool, Liss, CH

Schneidkantenpräparation des StempelsFeinstanzen mit nACRo3®

Schneidkantenpräparation des Stempels

Zi l E t t• Ziel: Entgratung + VerrundungSchleppschleifen im• Schleppschleifen im Walnussgranulat

• Anstellwinkel wichtig für die• Anstellwinkel wichtig für die Behandlung der Stempel-Stirnseite

Schneidenpräparation: GFE, Schmalkalden


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Zustand Stempel vor/nach Vorbehandlung

Nach SchleppschleifenUnd Beschichten

gebürstetNach SchleppschleifenSchleppschleifen

Hochfeste „Trendmaterialien“: CP-Stähle

Komplexphasenstähle

– Bänder, Bleche für Form-, Biegeteile z.B. durch FeinschneidenG i ht d H t ll h hf t (800 1100 N/ 2) d– Gewichtssparende Herstellung hochfester (800…1100 N/mm2) und deformationsresistenter Bau- und Verstärkungsteile, z.B. Fahrzeugbau

– Extrem feine Mikrostruktur mit Gefügeanteilen von Ferrit, Bainit, Martensit, AusscheidungshärtungAusscheidungshärtung

Quellen: ThyssenKrupp Steel Europe, Volkswagen AG, Salzgitter AG


• PM-HSS-WerkzeugpaarCPW-800-Stahlband 27 HRC,

TiCN

d=2.9 mm, Schmierung mit MMS

– Schlagzähe Beschichtung erforderlichSchlagzähe Beschichtung erforderlich

– Alter Standard: TiCN-Schicht

– Durch die höhere thermische Belastung nACRo3 spez– Durch die höhere thermische Belastung beim Schneiden von hochfestem Stahl wird diese Schicht oxidativ angegriffen

nACRo3-spez.

– Ersatz: Anwendungsoptimierte nACRo-Triple-Schicht widersteht Abrasion und Oxidation gleichermassenOxidation gleichermassen

– Stabile Schneiden bei enger Toleranz � Spezielle Kantenvorbehandlung


Standmengen: Mit konventioneller PVD-Schicht 2 Millionen Teile – nACRo3®: 20 Millionen TeileQuelle: Stepper, D

Schleppschleifen zur Herstellung von kleinen und mittleren Schneidkantenverrundungen

2 d 3 f h R i 702- oder 3-fach Rotationder Substrate

[μm

]0m

m

50

60

70

Al2O3 mit SiC

SiC

W l l t it SiC

denr

adiu

sin

M

-Boh

rer d

=10

30

40

Walnussgranulat mit SiC

Poly. (Al2O3 mit SiC)

Poly. (SiC)

Sch

neid

am H

M

Zeit [min]10

20 Poly. (Walnussgranulat mit SiC)

Stanzmatrize

[ ]0

0 5 10 15 20 25

scharfgeschliffen schleppgeschliffen�R�=�11�μm

Quelle: OTEC, Straubenhardt, D

K bi ti k ti ll d N l S hi ht

AlXN3® -Familie: TripleCoatings ® : AlCrN3®

Kombination von konventionellen und Nanolayer-SchichtenWichtigste Anwendung: Mikro-Abwälzfräsen

AlCrN3®C

CrN AlTiNAl/CrN

Al1. Schritt:Haftlayer CrN

Cr Ti

32

1

Al(Ti)2. Schritt:Kernlayer Al/CrN

43. Schritt:Toplayer AlTiN

Kernlayer Al/CrN

K bi ti k ti ll d N l S hi ht

AlXN3® -Familie: TripleCoatings ® : AlCrN3®

Kombination von konventionellen und Nanolayer-SchichtenWichtigste Anwendung: Mikro-Abwälzfräsen

Trockenes Mikro-Abwälzfräsen mit AlCrN3®Trockenes Mikro-Abwälzfräsen mit AlCrN

Die schwierigste Schneidenpräparation ist für Abwälzfräser

• Alle Verschleissarten können durch entsprechende Präparation positiv

Verschiedene Verschleissarten

p p pbeeinflusst (reduziert) werden

• Wegen der komplizierten Geometrie ist Mikrostrahlen die einzige praktizierbare Alternative

• ~100% aller Abwälzfräser sollten vor100% aller Abwälzfräser sollten vor und/oder nach dem Beschichten mikrogestrahlt werden

Schneiden von Abwälzfräsern vor und nach Mikrostrahlen

Typische OberflächenstrukturenNach Schleifen (scharf) nassgestrahlt

Typische Oberflächenstrukturenan einem Abwälzfräser

Trocken- oder Nassstrahlen?Verbesserung der Oberflächenstruktur durch Mikrostrahlen

Al2O3, 2 bar 320Mesh,44 um grain size

Trocken Nass

Energieträger Luft, weniger effektiv Wasser, sehr effektiv

Rauheit Sa=0.11 umSz=1 14 um

Sa=0.05 umSz=0 32 umSz=1.14 um Sz=0.32 um

Restmaterial nach Strahlen

Verschmierungen Gefahr von Kobalt-Leachingdurch Wasser

Haftungsklasse HF1 HF1

Schneidenradius Schwierige Einstellung Bessere Einstellbarkeit

Trocknung - Keine Trocknung notwendig - Trocknung notwendig

Handhabung - einfache Handhabung bei nicht kontinuierlichem Betrieb

schwierige Handhabung bei nicht kontinuierlichem Betriebo t u e c e et eb o t u e c e et eb

Kosten -Niedrigerer Preis-Niedrigere (aber doch wichtige) Kosten für L ft ersorg ng

- Höherer Preis- höhere Kosten für L ft ersorg ngKosten für Luftversorgung Luftversorgung

Einfluss der Schneidenpräparation auf die Standzeit von Schneidrädern

90

60

70

80

ahnr

äder

m

40

50

oduz

ierte

n Za

Bmax

< 0.

1mm

10

20

30

Anza

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roB

is V

B

0

10

0 5 10 15 20 25 30 35

Schneidenradius [μm]

A

Schneidenradius [μm]

Zahnradmaterial: 27MnCr5 (270 HB) – m=2Werkzeug: S290 (1010HV10) – AlTiN beschichtetWerkzeug: S290 (1010HV10) – AlTiN beschichtet

vc=140 m/min - hmax=0.3mm - trocken - Gleichlauf Quelle: Metallestalki, Bilbao, ES

AlXN3® -Familie: TripleCoatings ® : AlTiCrN3®

Kombination von konventionellen und Gradient-SchichtenWichtigste Anwendung: Stanzen, Abwälzfräsen, Sägen

AlTiC N3®AlTiCrN3®

AlTiCrNCrTiN AlCrN

Al1. Schritt:Haftlayer CrTiN

Cr Ti

32

1

2. Schritt:K l AlTiC N

4Kernlayer AlTiCrN

3. Schritt:Toplayer AlCrN

Abwälzfräser mit All-in-One-Schicht

6000

TiAlN AlCrN AlTiCrNAlTiCrN3®

4000

5000

Zahn

räde

r

3000

3300

4650

r gef

ertig

ten

Z

1000

2000

2775

Anz

ahl d

er

01-3 4-6 7-9 10-12 Average

Wz NrWz.Nr.

Material:�34CrNiMo6�(1.6582)45 / i f 0 12 /U 500 1/ i

Standzeitstreuung

vc=45�m/min,�fn=0.12�mm/U,�n=500�1/minÖlkühlung��– Quelle:�Unimerco,�Sund,�DK

Sägewerkzeuge mit All-in-One-Schicht

AlTiCrN3®AlTiCrN

SSpan

Spanfläche � Bei Sägewerkzeugen ist die Gestaltungder Schneidkanten (vor allem der K-Faktor)

F iflä h

wegen der extrem kleinenSpanquerschnitten enorm wichtig!

Freifläche �

Welche Geometriegrössen werden bei der Schneidenpräparation bewertet?

Quelle der Statistik: IWF, Berlin

Symmetrisch k=1Zur Spanfläche K>1

Zur FreiflächeK<1

Für grosse Spanquerschnitte Für kleineFür kleine

Spanquerschnitte

SiX3® -Familie: TripleCoatings ® : TiXCo3®

Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten Wichtigste Anwendung: Superhartfräsen (>60 HRC)

TiXC 3®TiXCo3®

TiN TiSiXNnACo

Al1. Schritt:Haftlayer TiN

TiSiX Ti

32

1

2. Schritt:K l TiAlN/SiN

43. Schritt:Toplayer TiSiXN®

Kernlayer: TiAlN/SiN

X=0; TiCo3

X=B; TiBCo3

X=Cr; TiCRo3X=Cr; TiCRo3

TiXCo3 für Hochvorschub-Fräsen


200

TiXCo für Hochvorschub Fräsen von hochgehärteten Werkzeugstählen

160

180

200

VBav

VBmax

100

120

140

=60

m

60

80

hFr

äsw

egL

0

20

40

[µm

]na

ch

• Niedriger Verschleiss in hochgehärtetem (61 HRC), abrasivem Kaltarbeitsstahl

AlTiN (market) AlTiN+AlCrN (market) nACRo^3 TiXCo^3VB

Schruppen mit torischem Fräser in Formenbaustahl X210Cr12 (1.2080), 61.5 HRCØ 8 mm, z=4, ap=0.1mm, ae=3mm, vc=100m min-1, n=4000min-1, fz=0.20mm, vf=3200 mm min-1, trocken

Fräsen von RENE80 Turbinenteilen


Fräsen von RENE80 Turbinenteilen

• Nickelbasislegierung bei hoher Schnitt-geschwindigkeit und

hohem Vorschub, Schicht: TiXCo3 (TiN/nACo/TiSiXN)

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Zustand nach 13 Durchgängeno e o sc ub, Sc c t Co ( / Co/ S )

• Sehr kleine, konstante Kantenverrundung sehr wichtig,

speziell zähes Hartmetall mit guter Verschleissbeständigkeit

• Aufschmierungen reduziert, aber Ausbrüche kritisch

Torischer Hartmetall-Fräser Ø10 mm z=6ae=variabel, ap=0.2 mm, vc=88m/min, fz=0.1 mm/z, Emulsion

Magnetfinish zur schnellen Herstellung kleiner Schneidkantenverrundungen

HSS scharf mit Grat HSS R = 2 μm

Vor nach Magnetfinish

n1�>>�n2,�n3

HSS�scharf�mit�Grat HSS�R� �2�μm

40]

HM�scharfgeschliffen HM�R�=�5�μmAbrasives Pulver

20

25

30

35

40

n V

HM

-WZ

[μm

]

Rauheitsprofil

5

10

15

20

eide

nrad

ius

von

Zeit [sec]0

0 20 40 60 80 100 120 140Sch

n [ ]

Kombination von konventionellen, Nanocomposite- und oxinitridischen-Schichten

SiX3® -Familie: TripleCoatings ® : nACoX3®

, pWichtigste Anwendung: Trockendrehen

nACoX3®nACoX3®

AlTiN nACoTiN AlCrON

AlSi

AlCr Ti

32

11. Schritt:Haftlayer TiN

Al(Ti)2. Schritt:K l AlTiN

4Kernlayer AlTiN

3. Schritt:Toplayer nATCRo®

Kombination von konventionellen, Nanocomposite- und oxinitridischen-Schichten Wichtigste Anwendung: Trockendrehen


Wichtigste Anwendung: Trockendrehen

EDX-Map

AlCrON

nACo= TiAlN/SiN

AlTiN

TiN = Haftlayer

Verhältnis von Stickstoff zu Sauerstoff: N/O: 50/50% – 80/20%

Typische Schichtdicke an Drehplatten: 7 - 18 μm

T i h G thä t 30 GPTypische Gesamthärte: 30 GPa

Typisches E-Modul: ~400 GPa

Oxidische und Oxinitrid-Schichten - Funktionelle Wirkung von Sauerstoff in Schichten


Separator zwischen Werkzeug/Bauteil und WerkstückNiedrige Affinität in trockenen Zerspanprozessen bei hohen Temperaturen

Verschleissschutz• Gegen adhäsiven Verschleiss

• Gegen abrasiven Verschleiss

S h idi t � St bil it

Reibungsreduzierung• Zerspanung bei Temperaturen über

1000°C

Layer-Architektur• “Sandwich” wie bei CVD

• Me-N–Basis notwendig, um Risse und plastische Deformation zu vermeiden• Schon oxidiert � Stabil gegen weitere

Oxidation

• Chemische und termische Isolation

• Reduzierung von Aufbauschneiden und Material-Interdiffusion (Aufschweissungen) in der Tribo-Kontakt-Zone

Ch i h I diff

plastische Deformation zu vermeiden

• Chemische Indifferenz

Hauptanwendungsgebiet oxidischer und Oxinitrid-Schichten – Trockenes HPC-Drehen


Hauptanwendungsgebiet oxidischer und Oxinitrid-Schichten – Trockenes HPC-Drehen

nACoX3®

Hauptanwendungsgebiet oxidischer und Oxinitrid Schichten Trockenes HPC Drehen

nACoXbeim Trockendrehen mit hoher Schnittgeschwindigkeit

n]

25

30

SECO Pramet CNMG 120408-PM

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15

20 nACoX3

nACo3

Sta

n

0

5

10 Standard-CVD-Schicht

Schnittgeschwindigkeit; vc [m/min]

0225 275 325 375

vc = 250…350 m/min, f = 0.25mm/U, a = 1.5 mm - Material: C60 (1.1221), HB225Standzeitkriterium: VBmax � 200 μm - Gemessen an der TH Budapest





2. nACRo3®

3. nATCRo3®




Schneidenpräparation nach der Beschichtung

Beschichtete Schneide “Freigesetzte” Schneide

Di S h id i d h d B hi ht “ d t“- Die Schneide wird nach der Beschichtung “verrundet“ :

Schneidenpräparation

Schneidenpräparation nach der Beschichtung

NACHTEILE: Nach Beschichten Schneidenpräparationnach dem Beschichten

- Unterbrechung der Schichtstruktur an einer langen LinieDirekter Kontakt von HM und Werkstoff

NACHTEILE:

Direkter Kontakt von HM und WerkstoffSchlechtere chemische undWärmeisolierung

- Niedrige Schichtdicke in der Nähed S h idder SchneideSchnellerer Werkzeugverschleiss

- Eindruck einer schlechten Beschichtung

- Schneidkantenverrundung &

VORTEILE:

Schneidkantenverrundung &Dropletentfernung in einem Schritt

- Vermeidung von grossen zusammen-hängenden Ausbrüchen von HM+Schicht

- Ausgleich des Antenneneffektes (z.T.)

Mikrogeometrie und Nanoschichten für ZerspanungswerkzeugeSchlüsselfaktoren zur HPC

Zusammenfassung

Quelle: LMT-Fette, Oberkochen, Schwarzenbek

Referenzen

[1] Thin-Film Coating Market – Study – LEK Consulting GmbH, München, 2007

[2] Voigt, K.: Neue Beschichtungen verschieben Leistungsgrenzen in der Zerspanung - LMT-Symposium, Oberkochen, März, 2007

[3] Cselle, T.: Influence of Edge Preparation on the Performance of Coated Cutting ToolsInvited talk on the International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films - San Diego, April/2007

[4] Morstein, M. a.o.: Rotating ARC PVD Cathodes – Five Years of Dependable High Performance - ICTCMF, G7-6, San Diego, April/2007

[5] Veprek S u a : Industrial applications of superhard Nanocomposite coatings Surface Coating Technology 2/2008[5] Veprek, S., u.a.: Industrial applications of superhard Nanocomposite coatings – Surface Coating Technology, 2/2008

[6] Preiß, P.; Cselle, T.: Einfluss der Schneidkantenpräparation und Beschichtung auf das Leistungsvermögen von Präzisionszerspanungswerkzeugen8. Schmalkalder Werkzeugtagung, 05./06.11.2008, Schmalkalden

[7] Jilek, M., a.o.: New Machine Concept for TripleCoatings® - ICTCMF,G7-2-905, San Diego, April/2008

[8] Cselle,T. u.a.: TripleCoatings – eine neue Generation von PVD-Schichten für ZerspanwerkzeugeSpanende Fertigung, Vulkan-Verlag, Essen, 2008, p.258-268

[9] Karpuschewski, B., Knoche, H-J.; Hipke, M.: Gear finishing by abrasive processesCIRP annals . - Oxford : Elsevier, Bd. 57.2008, 2, S. 621-640

[10] Holubar, P.: Large-Scale Industrial Applications of Superhard Nanocomposites and Development of Advanced Coating TechnologyVortrag, Nanocoatings, Budapest, April/2008

[11 Cselle, T., Büchel, C., Coddet, O., Lümkemann, A., Morstein, M., Prochazka, J.: Die Bedeutung der Schneiden-Mikrogeometriefür beschichtete Hochleistungswerkzeuge - Swissmem – 8. Zerspanungsseminar, Zürich, Olten, Yverdon, Jan/2009

[12] M F K hl h J K h H J Lü k A NANOSPHERE i H hl i t hi ht fü Wäl f ä k[12] Momper, F., Kohlscheen, J., Knoche, H.-J., Lümkemann, A.: NANOSPHERE – eine Hochleistungsschicht für WälzfräswerkzeugeVortrag am Kongress zur Getriebeproduktion; GETPRO09 – Würzburg, 11.-12. März, 2009

[13] Lümkemann, A., u.a.: Nanocomposite Coatings and Triple Coatings on High Performance Tools with Dedicated Edge Preparation ICTCMF, GP-1, San Diego, April/2009

[14] Cselle T u a : LMT NANOSPHERE: Massgeschneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die Lebensdauerkosten[14] Cselle, T. u.a.: LMT-NANOSPHERE: Massgeschneiderte Werkzeugbeschichtungen senken die LebensdauerkostenLMT-Symposium, Oberkochen, 03/2009

[15] Karimi, A., Morstein, M., Cselle, T.: Influence of oxygen content on structure and properties of multi-element AlCrSiON oxynitride thin filmsSurface&coatings Technology, 2/2010

[16] Morstein, M.: Hochleistungszerspanung anspruchsvoller Werkstoffe mit Nanocomposite-beschichteten Werkzeugen - OTTI, Regensburg, 6/2010[16] Morstein, M.: Hochleistungszerspanung anspruchsvoller Werkstoffe mit Nanocomposite beschichteten Werkzeugen OTTI, Regensburg, 6/2010

[17] www.platit.com

Documents

Mikrogeometrie und Nanoschichten