X-fache Standzeit

Fokus

Sind PVD und CVD – zumindest die bekannten Spielarten – als Werkzeugbeschichtungsmethoden von gestern? Die Zukunft könnte einem noch sehr jungen Verfahren gehören, dem 3D-TT-CVD.

02. Februar 2018
Der Mikroschliff zeigt, dass die (CrMoVTi)C-Beschichtung (blau) durch das 3D-TT-CVD-Verfahren fest im Substrat (gelb-rot) verankert ist. Bild: Technisches F&E-Zentrum
Bild 1: X-fache Standzeit (Der Mikroschliff zeigt, dass die (CrMoVTi)C-Beschichtung (blau) durch das 3D-TT-CVD-Verfahren fest im Substrat (gelb-rot) verankert ist. Bild: Technisches F&E-Zentrum)

In den Jahren 1955 bis 1956 wurde in der Metallgesellschaft in Frankfurt ein besonderes Normaldruck-Oberflächenveredelungsverfahren entwickelt. Mittels dieses Verfahrens konnten zum ersten Mal Hartstoffe wie Titankarbid, Titannitrid und Titankarbonitrid bis über 10 µm Schichtdicke auf Stahloberflächen im Temperaturbereich zwischen 850 und 1.050 °C abgeschieden werden. Die hohe Mikrohärte dieser Hartstoffe von 2.450 HV (TiN) und 3.200 HV (TiCN), ihre geringe Neigung zum Kaltverschweißen und ihr entsprechend niedriger Reibungsbeiwert machten diese Werkstoffe besonders für die Umform- und auch für die Zerspanungstechnik sehr interessant.

Problem: Verzug beim Härten und Anlassen

Leider verhinderte die hohe Herstellungstemperatur eine breitflächige Anwendung dieses Verfahrens in der Veredelung von Umformwerkzeugen und Zerspanungswerkzeugen aus Hochleistungsschnellarbeitsstahl. Die Ursache dafür ist das nach dem Beschichten notwendige nochmalige Härten und Anlassen aller beschichteten Werkzeuge. Diese thermischen Nachbehandlungen führen fast immer zu einem nichtreparablen Verzug, der 95 Prozent aller veredelten Werkzeuge betreffen kann.

Man wollte aber trotz dieser Tatsachen die Technologie nicht sofort begraben und beschloss, sofort einen besonders verzugsfreien Stahl zu entwickeln. Dies ist in besonders kurzer Zeit gelungen: Der Stahl 1.2601 wurde in relativ großen Mengen hergestellt. Die Entwicklung dieses Stahls in Verbindung mit dem Normaldruck-CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) verursachte in der Umformtechnik einen beachtlichen wirtschaftlichen Sprung nach vorne. Aus ihm wurden verschiedene Biege- und Stanzwerkzeuge hergestellt. Das Normaldruck-CVD-Verfahren erwies sich jedoch für eine Oberflächenveredelung von Werkzeugen und Maschinenbauteilen aus Hartmetall (HM) als absolut ungeeignet. Die Ursache ist die Entstehung einer unerwünschten, sehr spröden ?-Phase in der HM-Oberfläche.

Erst in der Mitte der Siebzigerjahre konnte das Problem der ?-Phase dank der Entwicklung des Hochtemperatur-CVD-Unterdruckverfahrens gelöst werden. Jedoch konnte mit dem Unterdruckverfahren das Problem einer erneuten verzugsfreien thermischen Nachbehandlung (Härten und dreimaliges Anlassen) von Werkzeugstählen nicht gelöst werden. Somit ist dieses Verfahren bis heute für die Oberflächenveredelung von Umform-, Zerspanung- und Spritzgießwerkzeugen nur in einem sehr geringen Maß oder überhaupt nicht geeignet.

Erste Lösung: PVD

Diese Probleme waren der Grund für die Entwicklung von drei neuen physikalischen, reaktiven Tieftemperatur-PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapour Deposition), dem Balzers-, Multi-Arc- und dem Leybold-Hereaus-Verfahren. Damit lassen sich problemlos bis heute Metall-Nitride, -Oxide, -Oxinitride und nur unterstöchiometrische Metall-Karbonitride des Typs MeC0,3N0,7 mit einer maximalen Mikrohärte von 2.400 HV bis 2.500 HV im Temperaturbereich von 100 °C bis 700 °C technisch herstellen. Nicht herstellbar sind mittels aller drei PVD-Verfahren reine stöchiometrische Karbide, Mischkarbide mit einer Mikrohärte von 2.800 HV bis 3.200 HV und entsprechende Karbonitride von MeC0,5N0,5 bis MeC0,9N0,1 mit einer Mikrohärte von 2.450 bis 2.800 HV.

Aus den Untersuchungen von Hans Krause an der RWTH in Aachen in den 70er- und 80er-Jahren sowie weiteren Untersuchungen der Brüder Paterok geht hervor, dass sich für den höchsten Widerstand gegen Bohrreibung, äußere Reibung, Gleit-, Haft-, Roll- und Wälzreibung am besten sowohl entsprechende reine Metall-Karbide als auch gezielt hergestellte Mischkarbide eignen. Ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften sind die Ursache für eine gravierende Senkung des abrasiven und des adhäsiven Verschleißes, der Tribo-Oxidation und zum Teil auch als Vorbeugungsmittel für die Oberflächenzerrüttung.

Hier wurde in unterschiedlichen Abriebuntersuchungen festgestellt, dass Metallkarbide sich durch eine besonders hohe Abriebresistenz gegen Eisen-, Nichteisenmetalle und Nichteisenlegierungen, einen geringen Reibungskoeffizienten von 0,14 bis 0,16, eine Mikrohärte von 3.200 HV (zum Vergleich: Titannitrid erreicht 2.450 HV, Aluminiumoxid 2100 HV), einen besonders hohen Schmelzpunkt (TiC 3.140 °C; TiN 2.930 °C), eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine sehr gute Haftfestigkeit des TiC sowohl auf Stahl als auch auf Hartmetallen, Keramiken und Glas auszeichnen.

Bessere Lösung: 3D-TT-CVD

Diese Eigenschaften waren die Ursache dafür, dass man bereits am Anfang der 80er-Jahre nach Mitteln und Wegen für die Herstellung von Metallkarbiden, die im Bereich der Anlasstemperatur von Umform- und Spritzgießwerkzeugen mit komplizierten und einer sehr genauen geometrischen Form auf ihren Oberflächen abzuscheiden wären, zu suchen begann. Erst jetzt nach 24 Jahren Entwicklungszeit voller Erfolge und Misserfolge konnte im Technischen F&E-Zentrum in Schömberg die Entwicklung eines neuen 3D-Tieftemperatur-CVD-Verfahrens (3D-TT-CVD) mit Erfolg beendet werden. Es hat sich sofort herausgestellt, dass die Abscheidung von Metallkarbiden statt PVD-Nitriden auf sowohl geometrisch einfachen als auch sehr komplizierten und tiefen Umform- und Spritzgießwerkzeugen zu einer beachtlichen Lebensdauersteigerung führte.

Mittels dieses Verfahrens werden bereits seit etwa zwei Jahren Werkzeuge und diverse Maschinenbauteile mit sowohl sehr seichten als auch sehr tiefen 3D-Oberflächenstrukturen beschichtet, wie Drahtziehsteine aus Stahl und Hartmetall, Tiefziehringe und -stempel, Einsenkmatrizen und Stempel, Gewindebacken, Gewinderollen für Flachbacken- und Segmentverfahren, Werkzeuge für Einstechverfahren, kombiniertes Einstech-Axialschubverfahren, Fließpressbüchsen, Zwischenplatten, Pressstempel, Matrizen und Stempel für Freies Biegen, V-, U-Biegen-, Walzen für das Walzbiegen, im Temperaturbereich 520 °C bis 550 °C mit entsprechenden Mischkarbiden.

Umformwerkzeuge werden in der Industrie aus Kaltarbeit-, Warmarbeit-, Hochleistungs-Schnellarbeits-Stählen (HSS) und differenten Hartmetallen hergestellt. Je nach Stahlsorte liegt die Anlasstemperatur zwischen 150 °C und 560 °C. Um sehr gute Werkzeugstandzeiten durch Beschichtung zu erzielen, ist für Matrizen, Backen, Büchsen, Tiefziehringe, Rollen (Walzen) und Stempel der Werkzeugwerkstoff so zu wählen, dass die Anlasstemperatur oberhalb von 540 °C liegt, vorzugsweise also Warmarbeits-, HSS oder Hartmetall .

In den letzten zwei Jahren wurden in Schömberg Biegeleisten aus dem Stahl 1.2379 mit dem Nano-Hartstoffsystem (CrMoVTi)C mit dem 3D-TT-CVD-Verfahren veredelt. Hier ist die Standzeit beim U-Biegen von Blech aus St 5 im Vergleich mit TiCN-(PVD)-beschichteten Biegeleisten weiter auf das Vier- bis Sechsfache gestiegen. Beim Walzbiegen von 2,5 Millimeter dickem V4a-Blech (1.4571) wurde dank dieser neuen Methode die Standzeit von VHM-Biegewalzen auf das Acht- bis Neunfache erhöht. Durch den Einsatz von (CrMoTi)C konnte die Lebensdauer einiger Matrizen und entsprechender U-Biegeleisten mit einer gesamten Länge von 950 Millimetern im Vergleich zu per PVD-Verfahren mit TiN-beschichteten Leisten weiter um 450 bis 700 Prozent erhöht werden.

Gewaltige Standzeitverlängerungen

Der Einsatz von per 3D-TT-CVD-Verfahren beschichteten HSS-Matrizen und -Stempeln in der Tiefumformung von 99,7-prozentigem Kupferblech (2,4 Millimeter dick; Matrizentiefe 65 Millimeter) führte zu einer Standzeitsteigerung von etwa 35.000 auf etwa 250.000 Stück. Das Verschleißkriterium war hier die Kaltverschweißung der Werkzeugoberflächen mit Kupfer. Ein ähnliches Standzeitergebnis hat man in der Umformung von 99,5-prozentigem Silber erreichen können. Hier ist die Standzeit auf das Sechs- bis Siebenfache gestiegen. In der Umformung weiterer Fe- und NE-Legierungen sind die Lebensdauerverlängerungen, im Vergleich mit anderen mittels PVD-Verfahren hergestellten nitridischen, karbonitridischen und karbo-oxinitridischen Hartstoffen auf mindestens das Vierfache verlängert worden. In allen Fällen wurde eine sehr geringe Neigung zum Kaltverschweißen der Werkzeugoberflächen mit dem verarbeiteten Werkstoff festgestellt.

Die hohe Lebensdauer aller beschichteten Werkzeuge ist von der Qualität des Werkzeug-Werkstoffes abhängig. Es ist unmöglich, Werkzeuge schlechter Qualität mit verrosteten Oberflächen, defekten Kanten, Ecken, Erodierfehlern, Schotter- und Rattermarken durch eine hochqualitative Oberflächenbeschichtung ›auszuheilen‹. Innere Strukturänderungen in der Randzone, die nicht selten eine Tiefe von 20 µm überschreiten und die Folge des Schleifens sind, sind nicht mehr zu beseitigen. Derart tiefe Veränderungen in der Randzone sind auch die Ursache für eine geringe Haftfestigkeit der abgeschiedenen Hartstoff-Mikroschichten auf dem Substrat und eine verminderte Belastbarkeit von Oberflächen, Radien und Kanten.

Hintergrund

Das Technische F&E-Zentrum für Oberflächenveredelung und Hochleistungswerkzeugbau wurde im April 1988 in Neuenbürg gegründet. Gleich zu Beginn gelang die Optimierung und Industrialisierung des Audip-CVD-Verfahrens, mittels dessen Nano-Hartstoffsysteme, die aus einer gesamten Dicke von 1 bis 1,5 µm und aus bis zu 50 unterschiedlichen Keramiken bestehen, hergestellt werden. In den Folgejahren wurde das Verfahren weiterentwickelt, variiert und optimiert. Mittels dieser Verfahren werden jegliche Werkzeuge für die Bearbeitung von Eisen- und Nicht-eisenlegierungen sowie reinen Metallen mit Nanohartstoffen beschichtet.

Erschienen in Ausgabe: 01/2018