PVD-Beschichtung (PVD = Physical Vapour Deposition)

Immer schneller und präziser, mit einer noch höheren Standzeit der Werkzeuge, das ist der Dauertrend in der Zerspanungstechnik. Zu HSS-Zeiten suchte man nach Werkstoffen, die aufgrund spezieller Bestandteile leicht zerspant werden konnten. Man liegt gewiss nicht falsch, wenn man feststellt, dass es heute umgekehrt ist. Die Werkstoffe diktieren mehr und mehr das Geschehen, schwer zu bearbeitende Materialien sind auf dem Vormarsch, gesucht werden die dafür geeigneten Werkzeuglösungen. Beispiele finden sich unter modernen hochlegierten Stahlsorten, hochfesten Leichtmetallen oder im Bereich der Hartbearbeitung. Als weiterer Punkt kommt hinzu, dass inzwischen Standard-Werkzeugmaschinen zur Verfügung stehen, deren Kinematik keine Wünsche mehr offen lässt, Stichwort simultane Fünfachsbearbeitung. Bei dieser Bearbeitung muss das Werkzeug innerhalb eines Arbeitsganges mit unterschiedlichen Schnittwinkeln, Schnittgeschwindigkeiten und Schnitttiefen fertig werden. Kurzum: die Anforderungen an die Werkzeugschneide nehmen rasant zu.

Die Werkzeughersteller reagieren auf diese neuen Trends mit ebenso neuen Technologien. Eine moderne Entwicklung ist beispielsweise die PVD-Beschichtung (PVD = Physical Vapour Deposition). Hierbei werden metallische Hartstoffe wie Titannitrit, Titanaluminiumnitrit oder Titankarbonnitrit auf den Hartmetall-Grundkörper aufgebracht. Die Schichtdicken liegen lediglich im Bereich 2 bis 5 µm. „Mit PVD-Beschichtungen lassen sich Härte und Zähigkeit der Werkzeugschneide maßschneidern“, meint Dr. Veit Schier, verantwortlich für den Bereich PVD bei der Walter AG in Tübingen.

Flexible Lösung: Multilayer-Beschichtung

Um das zu verstehen, ist ein Blick in den Schichtaufbau notwendig, denn diese wenigen µm Hartschicht haben es im wahrsten Sinne des Wortes in sich. Es gibt zwei Vorgehensweisen bei der PVD-Beschichtung. Die eine besteht in der Aufbringung zahlreicher Einzelschichten, wodurch man eine Multilayer-Beschichtung erhält. Es sind bis zu 2.000 Einzellagen möglich, wobei sich jede Lage im Bereich weniger Atomschichten bzw. Nanometer bewegt. Die Abstimmung auf die Einsatzbedingungen in Richtung mehr Härte oder mehr Zähigkeit erfolgt durch die Wahl der Hartstoffe und ihrer Schichtdicken. Die andere Möglichkeit ist das Aufbringen einer einlagigen Gradientenschicht, innerhalb der sich die Eigenschaften zum Beispiel durch Kohlenstoffzusatz fließend steuern lassen.

Die Schichtaufbringung erfolgt nach dem Lichtbogen-Verfahren (ARC-Verfahren). In einer Niedervoltentladung wird ein Plasma aus Me und N2-Ionenen (Reaktivgas) erzeugt, aus dem sich die verschiedenen Hartstoffe auf den zu beschichtenden Hartmetall-Grundkörpern abscheiden. Das ganze findet in einer speziellen Hochvakuum-Kammer bei mehreren hundert Grad Celsius statt. Die reine Prozessdauer für eine Schichtdicke von 1 µm beträgt etwa eine Stunde. Das Verfahren ermöglicht es, relativ einfach die verschiedenen Hartstoffe zu wechseln, was letztendlich die Herstellung maßgeschneiderter Multilayer-Schichten überhaupt erst möglich macht.

Die Multilayer-Schicht ist überall dort das Maß der Dinge, wo eine hohe Zähigkeit verlangt wird. Veit Schier: „Der viellagige Schichtaufbau verhindert, dass sich Risse, die beim Zerspanen entstehen, nach innen fortpflanzen. Abgetragenes Material kann nicht so schnell in die Schneide eindringen, um sie aufzusprengen. Mit Viellagen-Beschichtungen erreicht man daher höhere Standzeiten.“ Wichtig für die Abstimmung auf bestimmte Einsatzbedingungen ist neben dem Schichtaufbau auch die oberste Schicht, der Toplayer. Gewisse Werkstoffe, vor allem NE-Metalle, neigen schnell zur Bildung von Aufbauschneiden. Diese treiben die Schnittkräfte und Temperaturen in die Höhe, was zu schnellem Werkzeugverschleiß führt. Die Ursache liegt in den Reibungsverhältnissen zwischen Span und Spanfläche des Werkzeugs. Reibarme Toplayer minimieren dieses Problem.

PVD bringt Zähigkeit

Was ist PVD ?

1. Beschreibung

Das Schlagwort PVD (Abkürzung für physical vapour deposition) 
bezeichnet alle Verfahren der physikalischen Abscheidung dünner 
Schichten über die Dampfphase. 
Dabei wird das Ausgangsmaterial für die Schichten über die 
physikalischen Vorgänge des Verdampfens (mit Lichtbogen ("Arc") 
oder Elektronenstrahl) oder der Kathodenzerstäubung im Hochvakuum 
in die Dampfphase übergeführt und anschließend auf einem 
geeigneten Substrat wieder niedergeschlagen. Die dabei erzeugten 
Schichtdicken auf Werkzeugen und Bauteilen bewegen sich zwischen 
1 µm und maximal 15 µm.

Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen und Bauteilen werden mit 
allen drei oben erwähnten PVD-Verfahren auf computergesteuerten 
Beschichtungsanlagen abgeschieden.
Es handelt sich dabei um nitridische Hartstoffschichten, d.h. 
Verbindungen aus den Übergangsmetallen Titan und Chrom mit 
Stickstoff. Erweiterte Eigenschaften liefern Schichten, die zusätzlich 
Aluminium und Kohlenstoff enthalten. Die bei den Lohnschichtern 
auf dem Markt erhältlichen Schichten basieren auf den Grundtypen 
der nitridischen Hartstoffschichten Titannitrid TiN, Titankarbonitrid 
TiCN, Titanaluminiumnitrid TiAlN und Chromnitrid CrN, die mit einigen 
ihrer Eigenschaften in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind.

 

Schicht	TiN	TiCN	TiAlN	CrN
Farbe	gold	violett - dunkelgrau	anthrazit	metallisch
Schichtdicke µm	1 - 5	1 - 5	1 - 5	1 - 10
Mikrohärte HV 0,05	2.300	3.000	3.000	1.900
Oxidationstemperatur °C	> 450	> 350	> 700	> 600

 

 

 

 

 

 

Sie zeichnen sich augrund der hohen kovalenten Bindungsanteile der 
Schichtatome durch hohe Schichthärte, gute Oxidationsbeständigkeit 
und chemisch träges Verhalten aus.

Der von den Verdampfern ausgehende, gerichtete Teilchenstrahl 
des metallischen Schichtbestandteils durchfliegt die Hochvakuum-
kammer, wobei der Ionenanteil durch das am Beschichtungsgut 
liegende negative Potential auf die Werkzeuge beschleunigt wird. 
Die aufwachsende Schicht ist dadurch einem Ionenbeschuss 
ausgesetzt, was zu einer Verdichtung und insbesondere zu einer 
verbesserten Haftung der Dünnschicht auf der Werkstückoberfläche 
führt. Durch den hohen Ionenanteil beim Lichtbogenverdampfen 
ist dieser Effekt gegenüber den anderen PVD-Verfahren 
besonders ausgeprägt.

Zur Erzeugung dieser Verbindungsschichten wird ein Reaktivgas 
durch die Hochvakuumkammer geleitet. TiN-Schichten erhält man 
so durch die Reaktion des Titandampfes mit Stickstoff im Plasma, 
für TiCN wird zusätzlich ein kohlenstoffhaltiges Gas eingesetzt. 
Wegen des gerichteten Stroms der Schichtteilchen müssen die 
Werkzeuge bzw. Bauteile während des Prozesses bewegt werden, 
um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten.

Schichten zur Reibungsverminderung, wie Weichschichten auf 
Basis von Molybdändisulfid und Kohlenstoffschichten, werden 
vorzugsweise mit dem PVD-Verfahren Kathodenzerstäubung 
abgeschieden.

 

2. Geeignete Werkstoffe

Geeignet zur Abscheidung der nitridischen Hartstoffschichten sind 
gehärtete Werkzeugstähle mit Anlasstemperaturen über 500°C 
(Schnellarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, ausgewählte 
Kaltarbeitsstähle, rostbeständige Stähle, Kunststoffformenstähle, 
da die Beschichtungstemperaturen im allgemeinen bei 450°C liegen. 
Des weiteren sind Hartmetalle beschichtungsfähig.
Es ist zu beachten, dass es sich bei der PVD-Beschichtung um eine 
weitere Wärmebehandlung an einem fertig bearbeiteten Werkzeug 
handelt und es deshalb wichtig ist, dass das Werkzeug vorher 
beschichtungsgerecht wärmebehandelt wurde, um Veränderungen 
im Gefüge, der Härte und der Maße zu vermeiden.

In Spezialfällen und/oder für Spezialschichten sind auch 
PVD-Beschichtungsprozesse unterhalb von 200°C möglich.

 

3. Standardprüfverfahren

PVD-beschichtete Werkzeuge und Bauteile werden visuell auch 
Schichtfehler überprüft. Auf Wunsch des Kunden kann die 
Schichtdicke mit zerstörungsfreien Methoden auf der Funktionsfläche 
gemessen werden.

 

4. Vorzüge dieser Wärmebehandlung

Die PVD-Beschichtung erfolgt als letzter Veredelungsschritt auf 
dem fertig bearbeiteten Werkzeug oder Bauteil ohne Veränderung 
der Maßhaltigkeit aufgrund der dünnen Schichtdicken.
Durch die besonderen Eigenschaften der Schichten erhält man eine 
deutliche Steigerung des Verschleißwiderstandes bzw. eine 
Reibungsminderung. Dadurch ergibt sich ein breites 
Anwendungsspektrum auf Werkzeugen zur Zerspanung, Umformung, 
Druckgießen, Werkzeugen zur Kunststoffverarbeitung und vielen Bauteilen.