1
Schichten für Zerspanungswerzeuge – Quo Vadis 2008Überblick – Durchblick – Ausblick
T. Cselle, PLATIT, Grenchen, Switzerland
Fachkolloquium Innovative ZerspanwerkzeugeTU Dresden, 28.09.2007
Verteilung der Hauptansprüche in Patenten für Zerspanungswerkzeuge
Quelle: Reserche mit Hilfe desEuropean Patent Office, München, 2005
Beschichtungen29.8%
Geometrie1.0%
Schneidstoff19.3%
Kombinationen49.9%
"Den Schneidstoff und die Geometrie beherrschen alle führenden Werkzeughersteller. Die grössten Anteile am High-Tech-Markt werden diejenigen haben, die die bestenBeschichtungstechnologien verwenden" [M. Müller, Walter AG, Nov/2004].
2
• Überblick und Ausblick nach1. Geschäftsgang2. Beschichtungsverfahren
– CVD -> P3e– PVD; Ionenverdampfen, Sputtern -> HIPIMS, ARC -> LARC– Kombinationen; Plasmanitrieren + PVD
3. Schichtstruktur– Monolayer, Gradient, Multilayer– Nanolayer, Nanocomposite, Triple
4. Schichtzusammensetzung– Ti-C-Al-Cr-Si-…
5. Produktionsform– Lohnbeschichtung mit Schwerpunkt Logistik– In-House-Beschichtung mit Schwerpunkt
– Dedicated Schichten entsprechend der Werkzeuganwendung– Dedicated Schneidkantenpräparation
6. Zusammenfassung (hoffentlich mit Durchblick)
Schichten für Zerspanungswerzeuge – Quo Vadis 2008Überblick – Durchblick – Ausblick
INHALT
4
Index 2000 = 100
Fläche für Grafik Fläche für Grafik
*Strukturbruch in der Erhebung Quelle: VDMA OberflächentechnikP - Prognose
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001* 2002 2003 2004 2005 2006 2007 P
1. Überblick und Ausblick nach Geschäftsgang-1Geschäftsgang: Industrielle Plasma-Oberflächentechnik
3
5
1. Überblick und Ausblick nach Geschäftsgang-2Geschäftsgang: Deutscher Maschinenbau
Index, preis- und saisonbereinigt, glatte Komponente
*) ab 1991 Deutschland Quelle: VDMA, Statisches Bundesamt
70
80
90
100
110
120
13019
77
1979
1981
1983
1985
1987
1989
1991
*
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
2007
Index
81,8
86,8
93,1
96,7
76,3 76,1
84,0
1. Überblick und Ausblick nach Geschäftsgang-3Geschäftsgang: deutsche Präzisionswerkzeugindustrie
4
7
reale Veränderung gegenüber dem Vorjahr
* Prognose Quelle: Statistisches Bundesamt, VDMA
3,3
0,0
3,9
5,1
1,6-
7,0
1,4
2,8-
1,2-
5,34,7
7,8
9,0
-4
-2
0
2
4
6
8
10
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
%
1. Überblick und Ausblick nach Geschäftsgang-4Veränderung: Deutscher Maschinenbau
8
-20% -10% +0% +10% +20% +30% +40% +50% +60% +70% +80%
Gesamtanlagen
Komponenten
Dienstleistungen
Gesamt1. Hj. 07/061. Hj. 06/05
Überblick und Ausblick nach Geschäftsgang-5Industrielle Plasma-Oberflächentechnik: Veränderung des Auftragseingangs
-50% +0% +50% +100% +150% +200% +250% +300%
Inland
Ausland
Gesamt
1. Hj. 07/061. Hj. 06/05
Die Plasma-Oberflächentechnik weist wesentlich höhere Wachstumsraten aufals die Maschinenbauindustrie und auch als die Präzisionswerkzeugindustrie.
5
nACo; TiAlN/SiN
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-1
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-2
Lehrbuchvergleich 2005
Doch LARC mit Cr-Ni:1-15 sogar bis 60 µm
Doch: 3Pe!
6
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
ARC CVD Magnetron E-gun PACVD
Year
ly V
alue
(M€
)
Deco
Component
Tool
Present Status (2006); deposition technologies
Source: Kolk, Ionbond, PSE, 2006
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-3
Physical Vapor DepositionIonenverdampfen: e-beamVerdampfen des Targets mittels StrahlNur Ti-TiCN, glatte Oberflächeheute noch für Gewinden und Umformen
Sputtern:Herauslösen von Atomen aus dem Target durch Stoß mit energiereichen Ionen
Vakuumbogen (ARC - LARC): Verdampfen des Targets mittels Lichtbogen
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-4
7
RF
Sample Holder
N
Ti Cr
Al or Si
Al
N
N
N
N
N
S
S
S
S
S
S
DC
OEM
Ar+N2
DC
PDC
Cr
DC
RF
Unbalanced magnetron sputteringAr + N2 atmosphereCr OEM controlSubstrate: PDC biased
Cr AlSi
Cathodic LARCN2 atmosphereVirtual shutterSubstrate: DC biased
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-5Vergleich UMS - LARC
CrAlN and CrAlN/SiN coatings were deposited by unbalanced magnetron sputtering and rotating cathode arc. The samples were compared in their properties and also in their performance for high speed machining. By magnetron sputtering, a maximum Al/Cr atomic ratio of 0.6 wasachieved under which a hardness of about 30 GPa was obtained .By cathodic arc, a maximum Al/Cr ratio of 2.5 was achieved under which a hardness of 40 GPa was measured. LARC vs MS:- better adhesion- higher deposition rate, - Al/Cr ratio & higher hardness,- better wear resistance, - rougher surface
Merkmale LARC im Vergleich zum Sputtern-Bessere Haftung-Höhere Abscheiderate-Höhere Härte-Höhere Verschleissfestigkeit-Rauere Oberfläche
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-6Vergleich UMS - LARC
8
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-7Grund der rauhen Oberfläche der ARC-Schichten: Die Droplets
Lennart Karlson (SECO): "Droplets are not important for cutting tools", ICMTCF, San Diego, 2005T. Cselle: Es ist wahr für kurze Werkzeuge, ohne Spanflussprobleme
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-8Grund der rauhen Oberfläche der ARC-Schichten: Die Droplets
9
LARC®: LAteral Rotating Cathodes
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-9
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-9Verbesserung der Oberflächequalität durch LARC-Technologie
10
Heat Generation at Drilling
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-11Verbesserung der Oberflächequalität durch LARC-Technologie
BrightnACo not wiped
StraightFluted
CC Ø = 1,75 mm
TwistFluted
CC Ø =1,55 mm
=> Less heat creation with coated toolsMat: cast iron GG25 - Ø=10,5 - vc =120 m/min - f = 0,3 mm/rev - ap = 133 mm – Minimim Lubrication - p = 7,0 bar
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-12Verbesserung der Oberflächequalität durch LARC-Technologie
11
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-13HIPIMS: Renaissance für Magnetron Sputtering ?
HIPIMS or HPPMS: high power impulsed magnetron sputtering
-Die Begrenzungen der Sputtering-Technologie (niedrige Ionisierung, Haftungsprobleme)erfordern eine intensive Forschung auf dem Gebiet.-Die Elektrondichte und die Fluxus wird für eine sehr kurze Zeit (~20-50 µsec) extrem (bis zu einer Leistungsaufnahme 1 MW) erhöht.- Der Schlüssel der HIPIMS-Technologie ist die neue BIAS-Elektronik:
Quelle: Gudmundsson, SI, Iceland
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-14P3e: Alternative für CVD ?
12
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-15P3e: Alternative für CVD ?
2. Übersicht und Ausblick nach Beschichtungsverfahren-16P3e: Alternative für CVD ?
13
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-1
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-2
14
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-3
500 nm
Multilayer verbessert die Schichtzähigkeit
Source: A. Matthews, University of Hull, UK
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-4
Die Schichteigenschaften von Nanolayers werden von der Periode beeinflusst. Die Periode hängt stark von derKathodenanordung und der Substratdrehung ab. In einer gemischten Charge können die Schichteigenschaften Auf unterschiedlichen Substraten abweichend sein.
15
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-5
Die Siliziumnitrid-Matrix verhindertden Kornwachstum und erhöht damit die Schichthärte.
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-6
Erhöhung der Schichthärte durch Nanocomposite-Struktur
16
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-7Kombinationen von Schicht-Mikrostrukturen
Vorgestellt auf der EMO, Hannover, September, 2007
3. Übersicht und Ausblick nach Schichtstruktur-8Kombinationen von Schicht-Mikrostrukturen: TripleCoating3
Vorgestellt auf der ICMCTF, San Diego, April, 2007
17
Trend zu applikationsbezogenen Schichtsystemen
Anzahl der Schichtsysteme am Markt
0
10
20
30
40
50
60
70
1980 1988 20061 3
60
Quelle: Voigt, LMT
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-1
60 verschiedene Schichten auf dem Markt, wenn man nur die verschiedenen Materialkompositionen berücksichtigt.Es sind wesentlich mehr, falls man die Stochiometrie auch mit in Betracht zieht.
TiN
TiNTiCNCrN
Gruppen:Ti-basiertTi-C basiertCr-basiertZr-basiertW-basiertV-basiertMo-basiertAl-basiertCr-basiertSi-basiert…..
Freiprogrammierbare Stochiometrie mit nicht legierten LARC-Kathoden-> unzählige Schichten auf dem Markt
0 1000 2000 3000 40000
10
20
30
40
50
60
70
50
60
70
N
Al
Ti
Si
W
C
Co
depth (nm)
4 µm
Trend zu applikationsbezogenen Schichtsystemen4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-2
atom
ic c
once
ntra
tion
(%)
18
Freiprogrammierbare Stochiometrie mit standard unleigierten Kathoden:
Eine Kathodenkonfiguration für die Schichten:1. Ti und Al und Cr
für:TiN, TiCN, Ti2N, SuperTiN,TiAlN (50/50%), AlTiN (60/40%), (67/33%),TiAlCN (75/25%)CrN, CrTiN, AlCrNTiAlCrN
-Kein Kathodenwechsel-Keine teueren legiertenTargets
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-3
EINE Kathodenkonfiguration für Schichten zur Optimierung einer Anwendung:1. Ti und Al für:
TiAlN (50/50%), AlTiN (60/40%), (67/33%),
Tool Life Comparison at Milling with Inserts SPGN12CK45, carbon s teel 200HB - vc=220m /m in - fz=0,2 - ap=2,0 - ae=100m m
32.7
47.3 40.344.848.3
0
20
40
60
AlTiN (67/33%)50V-BIAS
AlTiN (50/50%)22V-BIAS
AlTiN (60/40%)30V-BIAS
AlTiN (67/33%)50V-BIAS
SECO 276-160
proces
tool
life
T(m
in)
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-4
19
Marktanteile von Schichten an Zerspanungswerkzeugen
Marketshares of Coatings on HSS Tools
0%
20%
40%
60%
80%
100%
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
[%]
othersTiAlNTiCNTiN
Market Shares of Coatings on Carbide Tools
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
[%]
others
TiAlN
TiCNTiN
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-5
Wichtigste Neuelemente:- Cr- Si- sind im Bereich Ti-Al-C
mit dabei!!
Entwicklung der Balzers-Schichten auf Ti-Al-C BasisNeues Element; Cr in den Ti-Al-basierten Schichten seit 2004
WC/CDLC
BALINIT® CBALINIT® TRITON
AlCr-Basis BALINIT® ALDURA (2007)BALINIT® HELICA Si (2006)BALINIT® ALCRONA (2004)
TiN BALINIT® A
TiCN BALINIT® B
TiAlNBALINIT® FUTURABALINIT® FUTURA NANOBALINIT® X.TREME
AlTiN BALINIT® X.CEED
HärteVerschleissfestigkeit
WarmhärteOxidationswiderstand
OxidationswiderstandZähigkeit
VerschleissfestigkeitWarmhärteOxidationswiderstand
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-6
20
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-7
Neues Element; Cr in den Ti-Al-basierten Schichten
Vorteile der Cr-dotierten Al-basierten Schichten:- Sehr gute Haftung- Hohe Zähigkeit (ähnliches E-Modul wie HSS)- Höhere Schichtdicken möglich (< 7µm)- Höhere Warmfestigkeit als bei Ti-Basis
Nachteile der Cr-dotierten Al-basierten Schichten:- Einatmen vom Cr-Staub für den Operator beim Beschichten- Cr(VI)- Bildung beim schwierigen Entschichten- Teuere Targets- Niedrigere Härte als mit Ti-Basis
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-8
Neues Element; Si in den Ti-Al-basierten Schichten
Vorteile der Si-dotierten Al-Ti-basierten Schichten:- Sehr hohe Warmfestigkeit, dank Silizium siehe Seite 21
- höher als bei Cr-Basis- Sehr hohe Härte dank Nanocomposite-Struktur; siehe Seite 15- Sehr gute Haftung mit Ti-Haftlayer, siehe TripleCoating, Seite 16- Hohe Zähigkeit; höheres Si reduziert internal Stress; siehe Seite 22- Kostengünstige Targets (AlSi)- Keine Gesundheitsgefährdung
Nachteile der Si-dotierten TiAl-basierten Schichten:-Nanocomposite Struktur (Si-Segregation) nur dann möglich,
- falls die Targets (Ti-AlSi)dicht nebeneinander eingebaut sind
21
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-9Neues Element in den PLATIT -Schichten; Silicon in den Ti-Al-basierten Schichten
Patent; 1998, Industriell; 2000
Vergleich der Warmhärte von state-of-art Schichten
• CrAlN without silicon loses up to 10 GPa after 1000°C annealing• Hardness increase after 2h annealing at 1000°C in forming gas (N2 / 8% H2) for high Si content!• Comparable to nACo (1100°C and more)
0
10
20
30
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 (no Si) Cr1-xAlxN/SiNy low Si Cr1-xAlxN/SiNy high 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]
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-10Neues Element in den PLATIT -Schichten; Silicon in den Ti-Al-basierten Schichten
Patent; 1998, Industriell; 2000
Einfluss von Si-Gehalt auf die Warmhärte
22
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-11
Einfluss vom Si-Gehalt auf den Residual Stress (interne Spannung)
x=0.49, no Si (CrAlN) x=0.48, low Si x=0.49, high Si
nACo x=0.45, high Si • Mehr Si ändert die Schichtmorphologie
vom columnar zu isotropic• In Ti1-xAlxN/SiNy weniger Si genügt
um glasklare (glassy) Struktur zu erreichen
4. Übersicht und Ausblick nach Schichtzusammensetzung-12
Einfluss vom Si-Gehalt auf die Schichtmorphologie
23
Fraisa SAAndreas Nold / 19.12.2006
Vergleich der Verschleissfestigkeit in TiAl6V4 beim Schruppfräsen
(1.1) nACRo auf NX-FP 5379
Zahn 1 Zahn 2
Zahn 3 Zahn 4
1.1 AlCrN n. 40min
Zahn 1 Zahn 2
Zahn 3 Zahn 4
1.2 nACRo n. 40min
Uncoated TiAlCN nACo
AlCrN AlTiN+MoS2 nACRo
Source: MACHERENA 6th FP EU Project, WZL Aachen, D. Lung, I Essel
Vergleich der Verschleissfestigkeit in Inconel IN100 beim Schlichtfräsen
24
Vergleich der Standzeit beim Hartfräsen in Abhängigkeit des Si-Gehaltes
Vergleich der Standmengen beim Fräsen von Kegelrädern
25
oderIntegration
der Beschichtung in die eigene FertigungLohnbeschichtungmit aufwendiger Logistik
5. Übersicht und Ausblick nach Produktionsform-1
Schwerpunkt: Logistik Schwerpunkt: Entwicklung von dedicated, an die Anwendungangepassten Schichten
50
Industrielle Plasma-Oberflächentechnik Auftragseingang 1. Halbjahr 2007*nach Produkten und Dienstleistungen nach Anwendungsbereichen
Fläche für Grafik Fläche für Grafik
* vorläufig Quelle: VDMA Oberflächentechnik
Large Area41%
Sonstige8%
Dekoration2%
Verschleiß-schutz49%
Gesamt-anlagen
65%
Dienst-leistungen
22%
Kompo-nenten13%
Durch die In-House Beschichtungen verstärken sich die Neuinvestitionen und damitdas Anlagengeschäft, wobei der Verschleissschutz den wichtigsten Anteil aufweist.
5. Übersicht und Ausblick nach Produktionsform-2
26
Anwendungsbereich
Schichtleistung
universal dedicated
5. Übersicht und Ausblick nach Produktionsform-3
Warum Schwerpunkt dedicated Schichten; wegen der Leistung
0
50
100
150
200
250
300
roughing finishing
tool life; Number of made work pieces AlTiN nACo
Zahnradfräsen mit Kombiwerkzeug
nACoML
nACoGrad
Quelle: Kristen & Görrmann
5. Übersicht und Ausblick nach Produktionsform-4Sogar innerhalb eines Werkzeuge braucht man unterschiedliche, dedicated Schichten
zur optimalen Lösung der unterschiedlichen Aufgaben; Schruppen und Schlichten
27
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 5 10 15 20 25 30 35 40
honing width; [um]
wea
r;[m
m] a
fter L
m=6
0m
margin wearcorner wear
Material: Vergütungsstahl - 1.7225 – 42CrMo4 – 4140H – LuftkühlungAlTiN beschichtet - d=10mm, z=4, ae=1 mm – ap=d – vc=140 m/min – fz=0.1 mm/z
5. Übersicht und Ausblick nach Produktionsform-5Zum Fräsen von unterschiedlichen Stählen braucht man unterschiedliche,
dedicated Schneidkantenpräparationen
Optimum: 30 µm Schneidenverrundung
After grindingbefore edgeprep
After edgeprep
0
20
40
60
80
100
120
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00
honing w idth; [um ]
tool
life
; [%
]
tool life
Polynomisch (tool life)
Material: Hochlegierter Stahl - 1.2379 - X155CrVMo12-1Schaftfräser 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
5. Übersicht und Ausblick nach Produktionsform-6Zum Fräsen von unterschiedlichen Stählen braucht man unterschiedliche,
dedicated Schneidkantenpräparationen
Optimum: 17 µm Schneidenverrundung
28
• Durchblick1. Geschäfsgang: Die Plasma-Oberflächentechnologie hat höchste Zuwachsraten
und beste Chancen zum eben noch besseren Geschäftsgang im Jahre 2008
2. Beschichtungsverfahren; Die PVD-Technologie übernimmt mehr und mehr die führende Rolle in der Dünnschichttechnologie für Zerspanungswerkzeuge
– Die 3 hoffnungsvollsten Verfahren heissen heute: P3e, HIPIMS, LARC
3. Schichtstruktur; Die Nanocomposite-Struktur bietet eindeutige physikalische Vorteile bei hoher Produktivität.Die Triple-Struktur ermöglicht einen noch kostengünstigeren Schichteinsatz durch die Kombination von konventionellen und Nanocomposite-Schichten.
4. Schichtkomposition: Die höchsten Leistungen bieten heute die Ti-Al-basierten Schichten mit Cr- und Si-Doping, wobei nicht nur die Zusammensetzung, sondern die Schichtstruktur entscheidend ist.
Schichten für Zerspanungswerzeuge – Quo Vadis 2008Überblick – Durchblick – Ausblick
6. Zusammenfassung-1
• Durchblick• 5. Produktionsform;
– Die grossen Lohnbeschichtungszentren werden sich mehr und mehr auf die kostengünstigen Standardschichten mit Schwerpunkt Logistik konzentrieren.
– Dies zwingt die Anwender zu Investitionen von eigenen In-House-Beschichtungssystemen.
– Dies gilt in erster Linie für KMU's, die schon immer als innovativsten Unternehmen die Zerspanungstechnik vorantrieben. Aber nicht nur; Die grossen Unternehmen werden immer mehr In-House-Beschichtungszentren, z.B. in den eigenen Nachschleifereien gründen.
– Der Schwerpunkt der In-House-Beschichtungen liegt bei der Entwicklung von dedicated, an die Werkzeuganwendung angepassten Schichten.
– Dies erfordert kleinere, flexible Beschichtungsanlagen, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Schichten schnell und flexibel abscheiden können.
– Neben den dedicated Schichten muss die Schneidkante der Werkzeuganwendung entsprechend, dedicated vorbehandelt werden.
Schichten für Zerspanungswerzeuge – Quo Vadis 2008Überblick – Durchblick – Ausblick
6. Zusammenfassung-2