Beschichten

Beschichten

Was ist Beschichtung? Eine dünne Materialschicht eines Fremdmaterials wird auf eine Werkzeugoberfläche aufgebracht. Mit dem Begriff „Werkzeug" lassen wir den Bereich der dekorativen Schichten außen vor. Bei den Werkzeugen kann es sich z. B. um Schneidwerkzeuge, Umformwerkzeuge oder Formen handeln. Das Schichtmaterial selber kann je nach Beschichtungsprozess sehr unterschiedlich sein. Beispiele für Beschichtungsprozesse sind: Lackieren. Galvanik. Plasmaspritzen, CVD, PVD.

Was ist PVD?

Was ist CVD?

siehe Seite PVD & CVD

Wie erzeugt man Hartstoffschichten? Das Metall Titan wird als Feststoff in einer Hochvakuumkammer über spezielle Vorrichtungen direkt verdampft. Dabei wird der Metalldampf stark überhitzt, so dass sich Elektronen von den Atomrümpfen abspalten. Die Physiker sprechen dann von einem Plasma. Dieses Plasma dient als Werkzeug zur Erzeugung der Hartstoffischichten. Das Plasma wird unter Einfluss starker elektromagnetischer Felder auf die Werkzeugoberflächen gelenkt und mit Stickstoff gemischt. Unter den gegebenen, besonderen Prozessbedingungen entsteht so Titannitrid.

2Ti + N2 --> 2TiN

Diese Titannitrid bildet im PVD-Prozess feste, dichte Niederschläge (Schichten) auf beschichtungsgerechten hochreinen Flächen.

Vorbehandlung

Damit wären wir bei dem nächsten Stichwort: hochrein und beschichtungsgerecht. Dies bedeutet, wir müssen die Werkzeuge vor dem Beschichten vorbehandeln, also erst „beschichtungsgerecht” machen. Dafür muss man je nach Ausgangszustand des Werkzeuges unterschiedliche Schritte wie z.B. Entgraten, Strahlen, Polieren, Entfetten, Ultraschallreinigen bis hin zum Plasmaätzen schalten. Bei diesem hohen Aufwand stellt sich die Frage:

Wozu ist dieser Aufwand gut?

Die Standzeit bzw. die Wechselzyklen von Werkzeugen in Zusammenhang mit Einsatzparameter wie Schmierung, Kühlung, Schnittgeschwindigkeiten. Taktzeiten usw. bestimmen die Wirtschaftlichkeit eines Herstellungsprozesses. Damit stehen Fragen der Tribologie im Mittelpunkt des Interesses: Tribologie? Fachchinesisch für die Lehre vom Verschleiß, also alles das was unser Werkzeug im Einsatz altern lässt. Dazu gehören die Abrasion, die Adhäsion, die Tribooxidation und die Mikrozerrüttung. All diese Verschleiß-Prozesse werden wesentlich durch die Oberflächeneigenschaften des Werkzeuges bestimmt. Dazu braucht die Oberfläche eines Werkzeuges Eigenschaften wie hohe Härte. Oxidationsbeständigkeit, gute Wärmeleittähigkeit usw. Der Kern des Werkzeuges soll aber andere, zum Teil gegenläufige Eigenschaften wie hohe Zähigkeit oder leichte Zerspanbarkeit besitzen. Es ist sehr schwierig alle gewünschte Eigenschaften in ein einziges Material hineinzupacken. Daher nimmt man für die Werkzeugoberfläche andere Materialien wie für den Kern: Man beschichtet das Werkzeug mit Hartstoffischichten.

PVD

Anwendungen

Die PVD-Beschichtung (engl. Physical Vapour Deposition) kann als letzter Schritt in der Herstellung der Werkzeuge ausgeführte werden, - ohne Härteverlust Verzug oder Beeinflussung der Mikrostruktur der Stähle. Wesentlicher Vorteil des PVD-Verfahren ist, im Gegensatz zum CVD-Verfahren, die geringe Beschichtungstemperatur, die unterhalb von 500°C liegt und somit unterhalb der Anlaßtemperatur von Schnellarbeitsstählen, Warmarbeitsstählen und einigen Kaltarbeitsstählen. Entsprechend werden PVD-Beschichtungen für die spanabhebende Bearbeitung, die Umformtechnik und auch für die Kunststoffverarbeitung eingesetzt. Für dekorative Anwendungen ist es sogar möglich, die Beschichtungstemperatur soweit zu senken, daß Materialien wie Messing oder Aluminium beschichtet werden können. Spezielle PVD-Varianten erlauben auch die Beschichtung von Isolatoren, z.B. für die Optik oder Elektronik.

Technik

Alle PVD-Verfahren fiden im Hochvakuum statt. Dabei wird ein Metall, z.B. Titan, in den dampfförmigen Zustand überführt. Durch Zugabe eines Reaktionsgases, (z.B. Stickstoff), bildet sich auf den Werkzeugoberflächen dann eine dünne, harte und außergewöhnliche fest haftende Schicht. (z. B. TiN = Titannitrid). Die einzelnen PVD-Verfahren unterscheiden sich untereinander nur durch die Art der Metall-Verdampfung.

Vorreinigung

Von großer Bedeutung für den Erfolg der Beschichtung ist die Sauberkeit der Werkzeugoberfläche. Vor der Beschichtung werden die Werkzeuge deshalb einer intensiven Reinigung unterzogen, bei der Öle, Fette, anorganische Salze und Rostschutzmittel entfernt werden. Diese Reinigungslinie besteht im wesentlichen aus einer Ultraschall-unterstützten, mehstufigen Entfettung mit alkalischen Bädern, einer kaskadenförmigen Wasserspülung und einer abschließenden fleckenfreien Trocknung. Um hartnäckige Oberflächenverschmutzungen zu entfernen, wird in manchen Fällen zu Beginn der Vorreiningung ein Naßstrahlverfahren mit Wasser, Druckluft und Aluminiumoxyd feinster Körnung eingesetzt.

Beschichtung

Die vorgereinigten Werkzeuge kommen in eine Vakuumkarnmer, die auf etwa lxlO"5 mbar evakuiert wird. Nachdem die zu beschichtenden Teile auf Beschichtungstemperatur gebracht werden, werden mittels Ionenätzens unter Edelgasatmosphäre dünne Oxydschichten von der Substratoberfläche abgestaubt. Unmittelbar darauf erfolgt die eigentliche Beschichtung. Nach erreichen der Schichtdicke und anschließendem Abkühlen der Werkzeuge unter Vakuum, werden diese der Kammer entnommen. Der Beschichtungszyklus dauert je nach Werkzeuggröße und Form zwischen 4 und 8 Stunden.

Zum Verschleißschutz werden momentan folgende Schichten abgeschieden:

- TiN (ca. 2400 HV )

- TiCN (ca. sooo HV)

- Variantic( ca. 3500 HV )

- TiAlN (ca. 3500 HV)

- CrN ( ca. 2000 HV)

- Graphit-iC (c a. 1SO0HV)

Anforderungen zur PVD-Beschichtung von Metallteilen

Materialeigenschaften:

Die Teile müssen elektrisch leitend sein. Für die während des Beschichtungsprozesses auftretenden Temperaturen von ca. 500 °C, müssen die Werkstoffe geeignet sein, (Härteverlust Verzug), in Frage kommen hier insbesondere einige Kaltarbeitsstähle wie z. B. 1.2369, 1.2378, 1.2379 AISI D2, 1.2601 ), die bei mindestens 520 °C angelassen sind, sowie Warmarbeitsstähle, HSS, Hartmetalle und rostfreie Stähle.

Die Teile müssen in unmagnetischem Zustand angeliefert werden, um Probleme beim Entfernen des Schleifstaubes zu vermeiden.

Die Beschichtung von gelöteten Teilen ist nur möglich, wenn das verwendete Lot vakuum- und temperaturbeständig ist. (Das Lot darf kein Cadmium oder Zink enthalten, die Löttemperatur muß über 600°C liegen, die Lötung darf keine Lunker oder Flußmittelrückstände aufweisen).

- Beispiele für vakuumtaugliche Lote: Fontargen A317, A321, A325, sowie Degussa 2168 und Degussa CBL 900.

Oberflächenbeschaffenheit

Die Oberfläche der Teile muß metallisch blank sein (geeignet sind z. B. geschliffene, polierte, schlichterodierte oder läpp-gestrahlte Teile). Stumpfe Schleifscheiben sind zu vermeiden!

Poliermittel mit geeignetem Lösungsmittel entfernen (beim Hersteller des Poliermittel erfragen), evtl. mit Ultraschall reinigen und anschließend sofort einölen. - Die Teile sollen zum Schutz gegen Rost leicht eingeölt werden (mit wasserverdrängendem Öl). Die Oberflächenrauhigkeit sollte zur Erzielung optimaler Resultate bei Schneidwerkzeugen Rz < 4, bei Umformwerkzeugen Rz < 2 sein. Gerade bei Umformwerkzeugen ist eine Hochglanzpolitur der Funktionsflächen anzuraten. An den Schneiden dürfen keine Grate vorhanden sein. Die Teile müssen frei von Rost, Farbrückständen, Farbkennzeichnungen, und frei von Fremdschichten sein. Sie dürfen nicht nitriert, o.ä. sein. Rückstände von Verpackungsmitteln sind zu vermeiden (z. B. Wachse, Klebemittel, PVC-Reste). Verschraubte oder verpreßte Teile bitte einzeln anliefern; armierte Matrizen (Sonderbehandlung) auf Anfrage. Innenkonturen sind nur im Verhältnis Öffnung:Tiefe von etwa 1:1 beschichtbar.

CVD

Die Hochtemperaturbeschichtung (CVD, engl. Chemical Vapour Disposition) bedeutet häufig auch eine umfassende Wärmebehandlung der fertigen Werkzeuge.

Wärmebehandlung von Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen

Alle zu härtenden Stähle haben ein werkstoffspezifisches Maßänderungsverhalten, das durch die Art der Wärmebehandlung beeinflußbar und bei manchen ledeburitischen Chromstählen sogar befriedigend steuerbar ist. Bei den ledeburitischen Chromstählen hat sich für beschichtete Werkzeuge in den letzten Jahren der Werkstoff 1.2379 herauskristallisiert. Denn dieser Werkstoff ist in seiner Härte und in seinem Maßänderungsverhalten durch unterschiedliche Anlaßtemperaturen gut zu beeinflussen. Das Maßänderungsverhalten, welches bei der CVD-Beschichtung auftritt ist geringer, wenn die Werkzeuge vorab einer optimalen Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese sollte, wenn möglich, unter Schutzgas oder im Vakuum stattfinden. Je nach Austenitisien.rngstemperatr.rr sollten mehrere Vorwärmestufen durchgeführt werden. Die entsprechenden Austentisierungstemperaturen sind in einschlägigen Regelwerken oder Katalogen der Werkzeugstahl-Hersteller aufgeführt. Weitere ausführliche Hinweise über Werkzeugstähle und deren Wärmebehandlungen sind der DIN 17350 zu entnehmen. Bei der Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur sollte ein möglichst mildes Abschreckmedium angewandt werden. Dabei ist zu beachten, daß die Abkühlung so schnell erfolgt daß der Gefügebestandteil Perlit oder Bainit nicht entsteht. Damit die Abkühl- und Umwandlungsspannungen durch Überlagerung in der Addition nicht zu hoch werden, empfiehlt es sich, die Werkzeuge nicht bei Raumtemperatur, sonder bei ca. 80-100°C abzufangen. Um die Volumenänderung so gering wie möglich zu halten, ist eine auf das spezielle Maßänderungsverhalten angepaßte Vorwärmebehandlung - vor der Beschichtung - von großer Bedeutung. Hier ist eine frühzeitige Abstimmung zwischen Werkzeughersteller und dem Beschichtungszentrum ein wichtiger Aspekt. Die Durchführung der Wärmebehandlung beim Beschichter bietet eine maximale Prozeßsicherheit. Der Werkzeughersteller sollte für die Beschichtung nachfolgende Punkte mit angeben: Angabe des Werkstoffes, Sollmaße mit Angabe der Toleranzen, Konstruktive, mikrogeometrische oder topographische Zeichnungsergänzungen. Bei Werkzeuganlieferung zur Beschichtung sollten diese Angaben feststehen, oder es muß auf Abweichungen zu den Zeichnungen deutlich hingewiesen werden.

Hartmetalle und CVD-Beschichtung

Häufiger kommt es vor, daß unzureichende Druckfließgrenze, Warmfestigkeit oder Elastizitätsmodul der Werkzeugstähle den Beanspruchungen im Einsatz nicht gerecht werden. In diesen Fällen werden immer häufiger Hartmetalle als Werkstoffe verwendet. Bei der Beschichtung von Hartmetallen entstehen keine Maßänderungen. Denn thermisch bedingte Maßänderungen treten bei heißisostatisch gepreßten Werkstoffen in der Praxis nicht auf.

Gestaltung der Funktionsflächen

Ein wichtiger Aspekt für eine optimale Beschichtung ist die Funktionsflächengestaltung. Die Funktionsflächen sind grundsätzlich im Sinne gleitgünstiger und schmierfilmfördernder Topographie zu gestalten. Rauhtiefen Rz = 0.4 - 1.2 liefern für die Stahlumformung gute Ergebnisse. Solche geringen Werte für die Rauhtiefe an den Arbeitsflächen werden durch gezielte Oberflächenbearbeitung realisiert. Diese Oberflächen-Feinbearbeitungen können entsprechend den speziellen Erfordernissen bzw. nach Zeichnungsangaben bei der Firma Eifeler durchgeführt werden. Die Fachleute von Eifeler polieren die Funktionsflächen des Werkzeuges auf die erforderlichen Rauhtiefenwerte. Um Kantenverrundungen auszuschließen, geschieht dies bei einzelnen Segmenten mittels spezieller Vorrichtungen oder bei Großwerkzeugen auch im komplett zusammengebauten Zustand. Nach dem Beschichten des Werkzeuges erfolgt eine abschließende Hochglanz-Politur. In jedem Fall sollte aber in den Funktionsflächen zumindest eine Rauheit von Rz < 3 angestrebt werden. Die Beschichtungstemperaturen von 800-1000°C erfordern bei Werkzeugen aus Stahl ein dem Beschichten nachfolgendes Härten und Anlassen. Aufgrund dieser Vorgehensweise kommen nur Stähle in Frage, die im Vakuum gehärtet werden können. Da die keramischen Schichten sehr dünn sind und keinesfalls maßkorrigierend zu bearbeiten sind, muß die Wärmebehandlung der Werkzeuge toleranzgenau erfolgen.

Daher ist es zum Teil zwingend erforderlich, daß vor dem Beschichtungsablauf frühzeitig über gewisse Korrekturmaße (Abstimmung zwischen Werkzeughersteller und Beschichter) gesprochen werden muß. Paßmaße nicht funktioneller Flächen sollten mit Aufmaß ausgeführt werden und nachträglich nach der Beschichtung fertig bearbeitet werden.

Beschichtungsablauf

Das chemische Abscheiden von Hartstoffen aus der Gasphase (CVD) erfordert einen hohen technischen Aufwand von Geräten und Regeleinrichtungen. Damit ist es möglich, die Reaktionspartner unter Einhaltung der notwendigen Prozeßparameter auf der Substratoberfläche in gewünschter Weise reagieren zu lassen. Die unterschiedlichen Schichtsysteme bestehen aus Karbiden, Nitriden und Oxiden, d.h. aus oxidischen Keramikstoffen, deren Phasen mehrheitlich ineinander vollständig löslich sind und gute Voraussetzung für die schwerlasttaugliche Schichttechnik bieten. Mit dem Hochtemperatur-Beschichtringsverfahren sind diese Schichtsysteme in ihrer großen Variationsvielfalt industriell gut beherrschbar. Die hohen Beschichtungstemperaturen ( 800-1000°C ) bieten Vorteile in Bezug auf Diffusion und Entspannung. Die eigenfliche Stärke der bei hohen Temperaturen aufwachsenden Schichten liegt in Ihrer sicheren, hochfesten Haftung auf den Trägerwerkstoffen. Ihre Haftfestigkeit wird bei geeigneter Prozeßführung selbst durch beschichtungswidrige Eigenschaften der Funktionsflächen (Weichfleckigkeit, Oxydation, Ausgasung, Poren) nur bedingt beeinträchtigt.

Schichtarten

TiN - Titannitrid, goldfarben 2400, HV

TiCN - Titan-Carbonitrid, grau-blau, 3000 HV

TiC - Titancarbid, grau-metallisch, 4000 HV

TiC-TiN - Titancarbid-Titannitrid, gold-farben, 3000 HV

TiAlN- Titan-Aluminiunmitid, antrazit-grau, 3500 HV

CrN - Chromnitid, silber-metal, 2000 HV