7. Zerspanungsseminar
Senkung der Produktionskostendurch Verwendung von
Nanocomposite-SchichtenM. Morstein, T. Cselle, O. Coddet , PLATIT AG / W. Blösch AG, Grenchen
«Effizienter zerspanen»7. SWISSMEM Zerspanungsseminar, Winterthur und Olten, 23./24.01.2007
7. Zerspanungsseminar
Überblick1. Nanokomposit-Hartstoffschichten
2. nACRo® – Das Cr1-xAlxN/SiNy Nanokomposit-System• Strukturelle Eigenschaften• Vergleich mit nACo® (Ti1-xAlxN/SiNy)
3. Produktive Zerspanung mit Nanokompositen
• Bearbeitung von Stählen und anderen Standardwerkstoffen
• Hartbearbeitung von Werkzeugstählen
• Bearbeitung von Sonderwerkstoffen
4. Zusammenfassung
7. Zerspanungsseminar
1. Überblick Nanokomposit-Hartstoffschichten
TiN/SixN Nanokomposite– Der Prototyp – Li Shizi, S. Veprek et al., seit 1995
Ti1-xAlxN/SiyN Nanokomposite– PLATIT nACo®, seit 2002
Cr1-xAlxN/SiyN Nanokomposite– PLATIT nACRo®, seit 2004
• Keramische Nanokomposite mit “Superhärte” (≥40-50GPa)• Hall-Petch Beziehung – Kleine Korngrösse ergibt hohe Härte• Nanokomposit-Struktur entsteht bei einer Mischungslücke
durch spinodale Entmischung => selbstordnende Nanostruktur
1 µm
7. Zerspanungsseminar
Strukturverfeinerung durch SiliziumKonventionell: Ti1-xAlxN
Übergang zum Nanokomposit
High (Al+Si)
TEM-Bilder: ToP Nano Projekt, EPFL, A. Karimi+M. Parlinska
Nanokomposit Ti1-xAlxN/SiNy
“Superhärte”(≥ 40-50 GPa)Zusatz von Silizium
Spinodale Entmischung
7. Zerspanungsseminar
PLATIT Arc-PVD-TechnologieZylindrische, rotierende Arc-Kathoden: Ideal für Nanokompositbeschichtung
π80: LARC® π300: LARC® + CERC®
7. Zerspanungsseminar
2. nACRo – Das Cr1-xAlxN/SiNyNanokomposit-System
0
5
10
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20
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30
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
no Silow Si high Silow Crultrahigh Si
Cry
stal
lite
size
Sch
erre
r for
mul
a [n
m]
Composition x - Cr1-x
AlxN
crystallite sizeof h-Al(Cr)N5-8 nm
hcp-Al(Cr)N
Kontrolle der Nanostruktur durch Silizium-Einbau!
7. Zerspanungsseminar
Einfluss von Si auf die Cr1-xAlxN/SiNyNanostruktur – Hochauflösendes XTEM
Kolumnare Struktur bei wenig Si (1.6 at.-% Si)
Homogene Struktur bei≈ verdoppeltem Silizium-Gehalt (Al-Gehalt x gleich)
5 nm 5 nm P757, P863 – images EPFL,M. Parlinska
7. Zerspanungsseminar
Mikrostuktur (REM) von nACRox=0.49, kein Si (CrAlN) x=0.48, wenig Si x=0.49, viel Si
nACo x=0.45, viel Si
• Si-Zusatz lässt die Mikrostruktur von kolumnarnach isotrop wechseln
• Effekt analog zum Ti-basierten System• In Ti1-xAlxN/SiNy braucht man weniger Si,
um eine glasartige Struktur zu erzielen
7. Zerspanungsseminar
Material: Vergüteter Stahl STC3, 45 HRC, - Wkz: zyl. HM-Schaftfräser, Ø 10 mm, z = 4vc=113 m min-1 - fz=0.042 mm – ap=15 mm – ae=0.2mm – n=3600 min-1 – vf=600 mm min-1, Emulsion
3. Produktive 3. Produktive Zerspanung Zerspanung mitmitNanokompositNanokomposit--SchichtenSchichten
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
mete
rs m
ille
d u
p t
o V
B=
0.2
mm
marketAlTiN
marketTiAlN
marketAlCrN
marketAlCrN II
µ-AlTiN
nACRo0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0 20 40 60 80Cutting Length [m]
market AlTiN
market TiAlN
market AlCrN
market AlCrN II
nACRo
µ-AlTiN
7. Zerspanungsseminar
Gravieren von rostfreiem Stahl mit nACo®
WkzWkz: : Gravierstichel dGravierstichel d11= 0.1mm in Edelstahl rostfrei 1.4435= 0.1mm in Edelstahl rostfrei 1.4435BearbeitungsBearbeitungs--ParPar.:.: n=26n=26’’000 RPM, 000 RPM, vf= vf= 250 mm/min (Eintauchen 25mm/min), 250 mm/min (Eintauchen 25mm/min),
Schlitztiefe = 0.25 mmSchlitztiefe = 0.25 mmStandzeitkriterium:Standzeitkriterium: WerkzeugbruchWerkzeugbruch=> => nAConACo--DDüünnschichtnnschicht kombiniert sehr guten Verschleisswiderstand, geringe kombiniert sehr guten Verschleisswiderstand, geringe Verklebungsneigung mit rostfreiem Stahl und eine scharfe SchneidVerklebungsneigung mit rostfreiem Stahl und eine scharfe Schneidee
source: DIXI outils SA
0
50
100
150
200
250
300
A nACo® C
Coating
7. Zerspanungsseminar
“Power Tapping” in Vergütungsstahl 42CrMo4
Starres Gewindeschneiden, Stahl 1.7225 mit 28 HRC, Gebos FRAISA X-tap-R (PM-HSS), Gewinde M6 x 9 mm, Sackloch, vc=20 mmin-1, n=1061min-1,Emulsion 7% extern, FEHLMANN CNC-Center, Kriterium: Lehrenhaltigkeit
0
100
200
300
400
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600
700VB1 [µm]
VB2VB3
010937864891810531087
0
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300
400
500
600
700VB1 [µm]
VB3 VB2
0108270432594810999124213501403
TiCN nACVIC
7. Zerspanungsseminar
Material: Al-Knetlegierung, stranggepresste Profile Ø 20 mmWendeplatte: Iscar CCGT 09T302-AS IC20Parameter: f=0.1 mm/U, n=3000 min-1, ap=0.5 mm, Emulsion
Drehen von Aluminium-Profilen
Unterbrochener SchnittProblem: Schnelle Bildung einer Aufbauschneide an der WSP
=> Gratbildung am WerkstückLösung: nACVIC® (nACRo®+CBC): nach 600 gefertigten Teilen
immer noch gute Oberfläche, kein Ausschuss!
Quelle: Institut für Fertigungstechnologie, Grenchen
7. Zerspanungsseminar
Bearbeiten von gehärteten Werkzeugstählen
Stahl 1.2344, 57 HRC, Kugelkopffräser Ø 10 mm, z=2, n=18500 min-1, fz=0.18mm, ap=0.25mm, ae=0.6mm, MMS
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50
100
150
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250
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0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tool Life Lf [m]
nACo-MLH nACo-MLH
dedicated AlTiN dedicated AlTiN
Uncoated nACo-grad Si+
nACo-grad
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
benötigt.
Al1-xTixN/SiNy Nanokomposit schlägt konventionelles Al0.65Ti0.35NOptimierung des Si-Gehalts brachte nochmalige Verbesserung
Bild: Röders GmbH, Deutschland
7. Zerspanungsseminar
Trockenfräsen von Kaltarbeitsstahl 1.2379
7. Zerspanungsseminar
Thermische Beständigkeit von nACRo-Schichten:Einfluss des Siliziumgehalts
• CrAlN ohne Silizium verliert bis zu 10 GPa nach Tempern bei 1000°C• Härtezuwachs („age hardening“) nach 2h Tempern bei 1000°C in Formiergas
(N2 / 8% H2) bei optimiertem Si-Gehalt!• Vergleichbar mit nACo (≥1100°C)
0
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40
400 500 600 700 800 900 1000 1100
P966, x=0.49
P965, x=0.61
P967, x=0.64
Har
dnes
s [G
Pa]
Annealing Temperature [ °C]
400 500 600 700 800 900 1000 1100
P870, x=0.41P859, x=0.45P862, x=0.48P863, x=0.51P867, x=0.57P868, x=0.54
Annealing Temperature [°C]
Cr1-xAlxN (ohne Si) Cr1-xAlxN/SiNy wenig Si Cr1-xAlxN/SiNy opt. Si
400 500 600 700 800 900 1000 1100
P1027, x=0.40P1031, x=0.45P1032, x=0.47P1034, x=0.50P1033, x=0.54P1035, x=0.50P1039, x=0.50
Annealing Temperature [°C]
7. Zerspanungsseminar
Bearbeiten von SonderlegierungenBearbeiten von Sonderlegierungen– Drehen von Alloy 286
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100
200
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400
500
600
700
800
50 m/min,0.25 mm/rev
50 m/min,0.35 mm/rev
50 m/min,0.45 mm/rev
75-85 m/min,0.35 mm/rev
75-85 m/min,0.40 mm/rev
Rem
oved
Mate
rial
[cm
3]
nACo #1223
nACRo #1220
Kennametal TiAlN
• ap = 1.25 mm, Emulsion• Beide Nanocomposite-Schichten stets besser als die TiAlN-Referenz• Grösster Vorteil bei höchster Produktivität!
7. Zerspanungsseminar
Inconel 718 - Nuten fräsen• Langer Kontaktbogen zwischen Fräser und Werkstück, grosse Wärmebelastung• Gleichmässiger Verschleiss mit Mikroausbrüchen, Werkzeugecke relativ stabil• Effekt der Hightech-Schichten ist sichtbar, weitere Werkzeugoptimierungen aber nötig!
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
average
life
tim
e
[cm
3]
AlCrN
0506-1219
0506-1210
nACo D
nACRo Si+
FRAISA 5325.450 NX-V, Ø10 mm z=4, variable Helix 38/41°, γ = 0°, r=1 mm (kundenspez.)Testbedingungen: ae=10 mm, ap=2.5 mm, vc=25m/min, fz=0.025 mm
7. Zerspanungsseminar
4. Zusammenfassung• Kontrolle der Nanostruktur durch Zusatz von Silizium zu Cr- and Ti-basierten
Me1-xAlxN-Systemen
• Thermische Stabilität bis >1000°C und age hardening bei Me1-xAlxN/SiNy(Me = Ti (nACo), Cr (nACRo)), im Gegensatz zu Me1-xAlxN-Systemen
• Zusatz von Silizium reduziert den Stress von Cr1-xAlxN/SiNy
• Beschichtung von (WC/Co), Werkzeugstählen, Cermets, PCBN
Höchste Zeitspanvolumina in Kohlenstoff-/niederlegierten Stählen beim Einsatz von nACRo® (Cr1-xAlxN/SiNy) Hohe Produktivität
Sowohl nACRo® als auch nACo® steigern die Produktivität bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen und Nickelbasis-Legierungen
nACo® (Ti1-xAlxN/SiNy) bleibt die erste Wahl für Hartbearbeitung und umweltfreundliche Trockenbearbeitung
nACVIC® bietet eine CBC (DLC)-Deckschicht für reibungskritische Fälle