Ziel der Entwicklung

Bei beschichteten Werkzeugen in der industriellen Fertigung sind neben der Verschleißfestigkeit auch die Reduktion von Adhäsionseffekten und niedrige Reibungskoeffizienten durch möglichst glatte Substrat- und Bauteiloberflächen von Bedeutung. Glatte Oberflächen begünstigen den Späneabtransport und bewirken eine deutliche Reduzierung der Adhäsionsneigung und Aufbauschneidenbildung in der Fertigung. Übliche mittels Arc-PVD-Verfahren abgeschiedene Schichten für verschiedene Anwendungsfälle weisen verfahrensbedingt durch gebildete Droplets eine erhöhte Rauheit auf. Im Rahmen der Entwicklung glatter Arc-PVD Schichten für Zerspanungs- und Umformwerkzeuge lag daher die Zielsetzung in der Entwicklung von extrem glatten Schichten mit den Zielgrößen Ra = 0,10 Mikrometer (µm) sowie Rpk = 0,15 Mikrometer (µm). Durch eine Kombination von optimierten Beschichtungsprozessen und gezielter Schichtnachbehandlung sollte die Dropletbildung reduziert und die Rauheit der abgeschiedenen Schichten deutlich gesenkt werden. Der Nachweis der Einsatzfähigkeit der entwickelten Schichten und Technologien sollte in Umform- und Zerspantests bei der Bearbeitung von Aluminium- und Kupferlegierungen mit beschichteten und entsprechend nachbehandelten Werkzeugen erfolgen.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen des Projektes sollten durch eine Kombination von optimierten Arc-PVD-Beschichtungsprozessen mit reduzierter Dropletbildung sowie einer Technologie für eine gezielte Schichtnachbehandlung glatte Schichten mit einer hohen Oberflächengüte und geringer Rauheit entwickelt und abgeschieden werden. Als Anwendungsbereich für die „Glatten Schichten“ wurden die Zerspanung beziehungsweise Umformung von Nichteisenmetallen (NE-Metalle) wie Aluminium und Kupferlegierungen ausgewählt. Im ersten Schritt wurden der Arc-PVD-Beschichtungsprozess analysiert und spezifische Einflussfaktoren ermittelt. Als rauheitsrelevante Parameter haben sich der Kathodenstrom, der Prozessdruck sowie die BIAS-Spannung herausgestellt. Anschließend wurden auf der Grundlage üblicher PVD-Schichten (TiCN) verschiedene nanostrukturierte beziehungsweise diamantartige Schichtsysteme entwickelt und abgeschieden. Danach erfolgte die Beurteilung des Einflusses der Schichtvor- und Nachbehandlung sowie der relevanten Abscheideparameter auf die Rauheit der abgeschiedenen Schichten. Durch die Kombination von Schichtvorbehandlung, optimierten Beschichtungsprozeduren sowie spezieller Nachbehandlungsprozesse wurde die Schichtrauheit von Arc-PVD-Schichten angepasst. Mittels effektiver Verdampfung ist es möglich, die Dropletbildung zu reduzieren und somit glatte Schichten abzuscheiden. Insbesondere bei verschiedenen mit reduziertem Lichtbogenstrom abgeschiedenen Arc-PVD-Schichten (TiCN, cROMVIc2) lassen sich Rauheiten der abgeschiedenen und nachbehandelten Schichten auf Ra = 0,02-0,07 µm beziehungsweise Rpk = 0,08-0,15 µm reduzieren. Im Zusammenwirken von verschleißbeständigen Schichten und reibungsreduzierenden Decklagen wurden die Schichten anschließend auf Anwendungsfälle beim Zerspanen und Umformen angepasst. Der Nachweis der Einsatzfähigkeit der entwickelten Beschichtungen erfolgte in Umform- und Zerspantests mit beschichteten und entsprechend nachbehandelten Werkzeugen. Beim Umformen konnte gezeigt werden, dass durch optimierte Schichten auf Umformwerkzeugen die Standzeit beim Ziehen von Aluminium-Verschlußkappen verbessert wird. Hierbei führt der Einsatz einer mit optimiertem Lichtbogenstrom abgeschiedenen TiCN-Beschichtung zu einer Standzeiterhöhung um circa 33 Prozent. Beim Drehen der Kupferlegierung CuAl10Ni5Fe4-CW307G mit beschichteten Wendeschneidplatten konnte ebenfalls ein verbessertes Verschleißverhalten realisiert werden. Durch den Einsatz von DLC Schichten (cROMVIc2) mit eine spezifischen Decklage (ta-C) sowie durch nachbehandelte und mit einem angepassten Lichtbogenstrom abgeschiedene Nanocompositschichten (nACo) konnte der adhäsive Verschleiß (Materialaufklebungen) um bis zu 48 Prozent gesenkt werden. Durch die glatte Oberfläche ergibt sich eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit der beschichteten Werkzeuge im Einsatz.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelten Schichten und Technologien können sowohl beim Zerspanen als auch beim Umformen von Nichteisenwerkstoffen wie Aluminium- und Kupferlegierungen eingesetzt werden. Von den anwendungsspezifischen Werkzeugbeschichtungen einschließlich Vor- und Nachbehandlungen wird dabei erwartet, dass sie beim Umformen und Zerspanen von NE-Metallen eine Erhöhung der Standzeit, aber insbesondere eine deutliche Reduzierung der Materialaufklebneigung gegenüber am Markt befindlichen beschichteten Werkzeugen ermöglichen. Das führt bei den Anwendern der beschichteten Werkzeuge zu Kosteneinsparungen und produktiveren Fertigungsprozessen. Der Transfer der Ergebnisse in Anwenderunternehmen erfolgt über Präsentationen auf Messen, Ausstellungen und Tagungen wie die "Schmalkalder Werkzeugtagung", die Publikationen in Fach- und Kennzifferzeitschriften sowie über die Internetpräsenz und den Geschäftsbericht der GFE. Auch die „GFE-News“ an die Mitglieder der GFE sowie die Netzwerkarbeit der GFE in verschiedenen Clustern und Netzwerken wie das „ThZM“ (Thüringer Zentrum Maschinenbau) und das „FerMeTh“ (Cluster für Fertigungstechnik Metallbearbeitung Thüringen) sind wichtige Transferstellen. Die GFE Schmalkalden e. V. erwartet auf Grund der erzielten Ergebnisse eine erhöhte Nachfrage nach Beschichtungsaufträgen im Beschichtungszentrum und ein weiterhin starkes Interesse von Partnern aus der Industrie und Forschung an gemeinsamen Projekten.