Unter den zahlreichen Beschichtungsvarianten für Werkzeuge zeichnen sich PVD-Schichten durch ihre hohe Anpassungsfähigkeit und Variantenvielfalt aus. Entscheidend für den Erfolg einer Beschichtung ist aber immer das stimmige Gesamtpaket von der Werkstoffauswahl incl. Wärmebehandlung über Fertigungsverfahren, das Oberflächenfinish bis zu Einsatz und Dosierung des Schmierstoffes. Da Umformprozesse ebenfalls eine große Variantenvielfalt aufweisen, gibt es kein Patentrezept sondern das Schichtsystem muss fallweise angepasst werden.
09.05.2008 - Steigende Werkstoffkosten und die Notwendigkeit spezielle und damit teure Werkzeuge für die Zerspanung einzusetzen haben zu einem verstärkten Einsatz von Umformverfahren bei der Komponentenfertigung geführt. Um auch den Vorteil der Kaltverfestigung zur Festigkeitssteigerung – und damit den Einsatz preiswerterer Werkstoffe – nutzen zu können erfährt der Einsatz der Kaltmassivumformung zur Herstellung von Rohlingen und auch endabmessungsnahen Komponenten immer größere Verbreitung. Die Anforderungen an die Werkzeuge steigen. Das erfordert eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Werkzeugwerkstoffe, Schmierstoffe, Finish-Verfahren und natürlich auch der Beschichtungen. Eine Gegenüberstellung der Härte und Dicke häufig in der Umformung eingesetzter Werkstoffgruppen und Schichtverfahren zeigt das zweite Bild. Im Folgenden wird der Fokus auf PVD-Schichten, die ihre Attraktivität durch ihre hohe Härte und konturnahe reproduzierbare Schichtdicken beziehen, und die für einen erfolgreichen Einsatz dieser Schichten in der Umformtechnik erforderlichen Rahmenbedingungen gestellt.
Verschleißmechanismen
Die prinzipiellen Verschleißmechanismen, die in der Umformung auftreten können, sind meistens eine Kombination mehrerer Verschleißmechanismen. Häufig tritt zuerst ein Adhäsionsverschleiß (Anhaften von Material) und in der Folge abrasiver Verschleiß auf. Hieraus lassen sich auch die generellen Anforderungen an eine Beschichtung in der Umformung ableiten. Die Schicht soll rissfrei und glatt sein um Mikroverkrallungen vorzubeugen, eine geringe Oberflächenenergie zur Vermeidung von chemischen Reaktionen mit dem Umformmaterial, eine hohe Härte zur Verringerung von abrasivem Verschleiß und eine ausgezeichnete Haftfestigkeit aufweisen. Wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind lassen sich auch Schmierstoffe einsparen.
Zahlreiche Verschleißursachen hängen nicht von der Oberflächenqualität ab, während die beschichtungsrelevanten Ursachen, Oberflächenverschleiß und Ablösen der Beschichtung, durch eine PVD-Schicht abgestellt werden können.
Schichtsysteme
Ein Schichtsystem kann häufig nur einen Kompromiss der gewünschten Eigenschaftskombination erzielen. Dieses Defizit kann durch einen geschickt gewählten Schichtaufbau substituiert werden. Von besonderem Interesse für die Umformung sind hier sicherlich die gradierten Schichten mit der Möglichkeit sehr haftfeste, reibarme Beschichtungen mit einem harten, verschleißfesten und dabei auch tragfähigen Unterbau zu kombinieren sowie die Multilayer-Varianten, die auch die Abscheidung „dicker“ Schichten bei hoher Haftfestigkeit gestatten.
Generell lassen sich zwischen Oberflächenmodifizierenden Diffusionsverfahren und Beschichtungsverfahren zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften unterscheiden. In den einzelnen Verfahrengruppen gibt es wiederum eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren und Schichtsystemen. Zu beachten ist bei der Auswahl eines geeigneten Verfahrens, dass die Eigenschaften des Grundwerkstoffes nicht negativ beeinflusst werden. In den meisten Fällen impliziert dieses eine relativ moderate Beschichtungstemperatur. Eine ideale Eigenschaftskombination von guter Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit ergibt sich durch die Kombination von Nitrieren mit einer nachfolgenden PVD – Beschichtung.
Beschichtungen wurden anfangs auf Grund ihrer hohen Oberflächenhärte vornehmlich zum Verschleißschutz eingesetzt. Eine Schicht kann natürlich immer nur so gut wie der zu beschichtende Werkstoff sein. Die Beschichtungstemperaturen und damit auch die zur Beschichtung nutzbare thermische Energie müssen auf den Werkstoff und seinen Wärmebehandlungszustand abgestimmt sein. Generell lassen sich aus Beschichtersicht 3 Werkstoffgruppen unterscheiden:
– Niedrig legierte Kaltarbeitsstähle
– Hoch legierte Kaltarbeitsstähle
– Pulvermetallurgische Werkstoffe
Die Anlasskurven verschiedener Vertreter der 3 Werkstoffgruppen und die sich daraus ergebenden relevanten Temperaturbereiche für eine Beschichtung sind dargestellt.
Durch die vergleichsweise geringe Härte und Festigkeit des Werkzeugmaterials kann es dennoch zu einem Versagen des Werkzeugs kommen. Hauptanforderungen an eine Beschichtung sind neben einer hohen Härte eine hervorragende Haftfestigkeit und ein möglichst geringer Reibungskoeffizient sowie eine möglichst hohe Duktilität. Chemisch soll das Schichtmaterial helfen Kaltaufschweißungen des umzuformenden Materials zu vermeiden. Klassisch hat man daher häufig eine TiCN – Schicht eingesetzt, die mit ihrer guten Haftfestigkeit, hohen Oberflächenhärte und befriedigenden chemischen Beständigkeit die Standzeiten bis um einen Faktor 5 verbessert werden. AlTiN-Multilayer bieten für schwere Umformprozesse deutlich höhere Reserven. Schichtsysteme basierend auf CrN zeichnen sich vor allem durch eine erheblich geringere Affinität zum Umformmaterial aus, haben aber auf Grund ihrer silbernen Farbe den Nachteil, dass die Verschleißgrenze der Schicht nicht sicher vom Anlagenbediener erkannt wird. Für die Umformung von Leichtmetallen haben sich DLC Schichten außerordentlich bewährt, die zusätzlich die Reibkräfte während der Umformung erheblich reduzieren.
Kombinationsbehandlungen Nitrieren und PVD
Eine entscheidende Verbesserung der Tragfähigkeit und der Ermüdungsfestigkeit der Werkstückoberfläche lässt sich durch eine dem Beschichtungsprozess vorgeschaltete Nitrierbehandlung erzielen. Diese kann entweder klassisch in einem separaten Plasmanitrierprozess mit entsprechender Nacharbeit oder direkt in einem Kombiverfahren als Prozessschritt vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess durchgeführt werden. Während für die nicht nitrierte, „nur“ beschichtete Variante sich eine Eindrucktiefe von 33 µm ergibt zeigt die nitrierte und beschichtete Variante eine Eindrucktiefe von nur 6,5 µm. Ferner lassen sich bei der nicht nitrierten Variante erste Ausbrüche am Rand der Ritzspur erkennen, die ein baldiges Schichtversagen indizieren.
Die bessere Stützwirkung der vor der Beschichtung nitrierten Oberfläche hilft punkt- oder linienförmige Belastungen, die in der Umformung durch z.B. eingeschleppte Verunreinigungen auf der Werkstückoberfläche oder durch harte im Umformwerkstoff enthaltene Phasen auftreten können, abzufedern.
Am Beispiel eines Umformstempels aus 1.2344 für Innenverzahnungen in Stahlnaben konnte durch ein vorheriges Nitrieren die Standzeit im Vergleich zur „nur“ beschichteten Variante mehr als verfünffacht werden.
Oberflächenrauigkeit
Die Rauigkeit der Oberfläche spielt eine entscheidende Rolle für die Standzeit und den Erfolg einer Beschichtung. Daher ist eine saubere Vor- und Nacharbeit der Funktionsflächen unerlässlich. Diese erfolgt wegen der unterschiedlichen Geometrien zum großen Teil in Handarbeit und ist damit von der Erfahrung des Polierers abhängig. Im Zusammenhang mit einer Kombinationsbehandlung ergeben sich unterschiedliche Varianten nach denen durch ein Zwischenpolieren zwischen Nitrieren und PVD-Beschichtung in der Regel eine glättere Oberfläche zu erzielen ist, da die Aufrauung nach der Nitrierbehandlung wieder geglättet wird.
PVD - Beschichtungsverfahren
Die am weitesten verbreiteten PVD-Verfahren sind die kathodische Lichtbogenverdampfung (PVD – Arc – Verfahren), das Magnetronzerstäuben (Sputtern), sowie das Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD). Das Arc-Verfahren ist das gebräuchlichste im Bereich der Verschleißschutzschichten, wird aber auch für dekorative Applikationen eingesetzt. Das Magnetronsputtern wird ebenfalls im Verschleißschutz eingesetzt, eignet sich daneben aber auch sehr gut für die Abscheidung reibarmer Kohlenstoffschichten und findet darüber hinaus ebenfalls vielfach Anwendung im dekorativen Bereich.
Die EB-PVD-Technik eignet sich insbesondere wegen seiner hohen Beschichtungsraten für die Beschichtung von Turbinenschaufeln, wo erheblich dickere Schichten als Wärmedämmschichten aufgetragen werden. Bei diesem Verfahren wird das zu beschichtende Material in einem Tiegel im Vakuum durch Elektronenbeschuss aufgeschmolzen, verdampft und auf den Bauteilen als Schicht kondensiert.
Beim Magnetronsputtern dagegen liegt das zu zerstäubende Material als festes Target im Reaktionsraum vor. Durch Anlegen einer Spannung von etwa 300 V wird bei einem Druck im Bereich von 0,1-0,5 Pa eine Glimmentladung (Plasma) gezündet. Die dabei entstehenden Argon- und z.B. Stickstoffionen werden auf das kathodisch geschaltete Target beschleunigt und schlagen durch Impulsübertrag Atome des Targetmaterials heraus. Durch Anlegen eines Magnetfeldes (das Magnetron) hinter dem Target werden die Elektronen des Plasmas auf eine Kreisbahn parallel zur Targetoberfläche konzentriert. Dadurch wird zum einen die Substraterwärmung infolge Elektronenbeschusses vermindert, zum anderen bewirkt die hohe Elektronenkonzentration vor der Targetoberfläche eine stärkere Gasionisation und damit einen höheren Materialabtrag am Target. Diese Atome werden teilweise (5-15 %) ionisiert und werden durch Anlegen einer negativen Spannung an die zu beschichtenden Teile auf diese zu beschleunigt. Ist ein Reaktivgas wie Stickstoff vorhanden, bildet sich auf den Teilen eine Metallnitridschicht als Hartstoffschicht aus.
Beim Arc-Verfahren liegt das zu beschichtende Material ebenfalls als festes Target vor. Durch Zünden eines Lichtbogens auf der Targetoberfläche im Druckbereich von 0,5-5 Pa werden lokal kleinste wenige µm große Bereiche aufgeschmolzen, das Material verdampft und wird nahezu vollständig ionisiert. Der Lichtbogen bewegt sich dabei i.a. willkürlich über die Targetoberfläche, wo die Emission der Elektronen zum Aufheizen und damit lokalen Aufschmelzen des Targetmaterials führt. Im Gegensatz zum Magnetronsputtern liegen beim Arc-Verdampfen geringe Spannungen von typischerweise 30 V an, die Stromstärke beträgt etwa 100 A. Durch den erheblich höheren Ionisationsgrad ist die Energiedichte des Plasmas deutlich höher als beim Magnetronsputtern, weshalb sich das Arc-Verfahren in besonderem Maße für die Abscheidung dichter, gut haftender Hartstoffschichten eignet. An die Substrate wird wiederum eine negative sogenannte Biasspannung angelegt, wodurch die Ionen des Targetmaterials auf die zu beschichtenden Teile zu beschleunigt werden, wo sie dann kondensieren und mit dem Reaktivgas die keramischen Schichten ausbilden. Die Biasspannung ist häufig bipolar gepulst um Aufladungen zu verhindern. Nachteilig beim Arc-Verfahren ist die Bildung von Droplets, winzigen Metalltröpfchen, die vom Target mit auf das Substrat übertragen werden können. Für Werkzeugbeschichtungen mit Hartstoffen spielen diese Droplets eine untergeordnete Rolle, im Fall von dekorativen oder reibarmen Schichten können aber Maßnahmen wie die Verwendung von Dropletfiltern Vorteile bringen. Derartige Filter sind allerdings noch nicht im großtechnischen Einsatz.
Der Ablauf einer typischen Werkzeugbeschichtung ist wie folgt:
– Strahlen oder/und Polieren, wenn nötig
– Reinigen im Ultraschallbad und Trocknen
– Optional Nitrieren, i.a. Plasmanitrieren
– Gegebenenfalls Zwischenpolieren
– PVD-Beschichtung (Hochvakuum)
– Nacharbeiten durch Polieren und/oder Bürsten
Die abgeschiedenen Schichten stehen unter Druckeigenspannungen von wenigen GPa und weisen - anders als CVD Schichten – keine Mikrorisse auf.
Weitere Entwicklungen PVD
Neuere Schichtentwicklungen zeigen dank der Fortentwicklung im PVD-Anlagenbau eine geringere Fehlerdichte und ein verbessertes Reibungsverhalten bei gleichzeitig gesteigerter Oberflächenhärte. Als Beispiel sind die Oberflächen einer mit alter und einer mit neuer Verdampfertechnik abgeschiedenen Schicht gegenübergestellt. Die Fehlstellendichte ist signifikant verringert worden, wodurch für ARC-Technik sehr glatte Schichten realisierbar sind. Mittlerweile sind die Kenntnisse zur Beeinflussung der Schichtmorphologie und des Aufbaus so weit gediehen, dass die Entwicklung spezifischer Schichteigenschaften in Abhängigkeit von der Anwendung möglich ist. So lassen sich beispielsweise durch den Einbau geeigneter Elemente – Doping – die Oberflächenenergie verringern [9] und gleichzeitig eine im Wesentlichen amorphe Oberflächenphase erzeugen. Diese weist eine besonders glatte Oberflächenstruktur auf, da jegliche Mikrorauhigkeit durch unterschiedliche Wachstumsraten der einzelnen i.d.R. kolumnaren Kristallite unterdrückt wird.
Prinzipiell lassen sich PVD-Schichten mit der Sputter- oder Arc-Technik applizieren. Die Sputterschichten zeichnen sich durch eine sehr glatte Oberfläche aus, während die Arc-Schichten eine erheblich bessere Haftfestigkeit und eine höhere Oberflächenhärte durch die nahezu 100%ige Ionisation des Targetmaterials zeigen. Nachteilig ist die verfahrensbedingte Entstehung von sogenannten Droplets, die später Schwachstellen in der Schicht darstellen. Hier herrschen eklatante Unterschiede hinsichtlich Größe und Frequenz dieser Fehlstellen zwischen verschiedenen Beschichtern. Eine Kombination beider Techniken in einer sogenannten Hybridanlage vereint die Vorteile beider Verfahren und ermöglicht bisher nicht realisierbare Schichtsysteme.
Applikationsbeispiele
Ein schönes Beispiel für die erfolgreiche Verbesserung der Werkzeuglebensdauer zeigt Bild 14, wo eine erste signifikante Verbesserung (Faktor 10) durch eine Beschichtung und eine weitere Steigerung (Faktor 25 zur unbeschichteten Variante) durch eine Werkstoffumstellung in Kombination mit einer Kombibehandlung aus Plasmanitrieren und PVD-Beschichtung erzielt wurde.
Konventioneller mit einer TiN-Beschichtung ist der Ziehring für Kochtöpfe aus Edelstahl in Bild 15 behandelt worden. Die Standzeit ist um einen Faktor 5 besser als mit unbehandeltem Werkzeug.
Eine Verbesserung der Standzeit um einen Faktor 10 wurde mit einer CrN-Schicht auf den Ziehstempeln aus sekundärgehärtetem Werkzeugstahl 1.2379 für Gasflaschen erzielt. Speziell die Kaltaufschweißneigung wird durch die extrem geringe Oberflächenenergie des CrN reduziert. Die Politur der Werkzeuge nach dem Beschichten verringert die Werkzeugtemperatur durch verringerte Reibung.
Die Kombination von Nitrieren und CrN-PVD-Beschichtung mit einer sorgsamen Politur ermöglicht erst den sicheren Einsatz der Napfmatrizen für die Umformung von verzinkten Stahlrohren. Die deutlich verringerte Kaltverschweißneigung und hohe Festigkeit sorgen für eine betriebssichere Kaltumformung der Rohrenden.
Für Kalibrierstempel (Umformen von C-Stahl) haben sich hochglanzpolierte AlTiN-PVD-Schichten als langlebig durch ihre hohe Oberflächenhärte von bis zu 3000 HV und geringe Verschweißneigung bewährt.
Im Bereich der Al-Umformung ist die Kaltverschweißneigung des reaktiven Aluminiums ein Problem. Hier bieten sich 2 Möglichkeiten an. Zum einen kann mit einer oberflächenmodifizierten CrN-Schicht die Anhaftneigung des Al deutlich herabgesetzt werden und widersteht auch hohen Umformkräften, zum anderen haben sich hier auch DLC-Schichten auf Basis Me-C:H durch Reduktion von Reibung und daraus resultierender lokaler Temperaturerhöhung mit der Folge einer verstärkten Kaltverschweißneigung bewährt.
Zusammenfassung
Die PVD-Beschichtung hat durch ihre Vielseitigkeit und die unbedingte Prozesssicherheit weite Verbreitung erlangt. Speziell durch den Einsatz von Kombinationsverfahren aus Nitrieren und PVD-Beschichtung lassen sich signifikante Standzeitverbesserungen erzielen. Neue Schichtsysteme, die den Einsatz von Schmierstoffen reduzieren oder günstigere Schmierstoffe erlauben, und die Verbesserung der Qualität durch z.B. die Implementierung neuer Verdampfertechniken zeigen nur ansatzweise das große Potential beschichteter Umformwerkzeuge. Letztlich ist das Gesamtpaket aus Werkstoff, Wärmebehandlung, mechanischer Nacharbeit und der richtigen Schichtauswahl entscheidend.
Weiterführende Literatur
[1] Witthaut, M.: PVD-Abscheidung und Charakterisierung einphasiger Gruppe III-Nitride aus dem System Al-B-N. Dissertation, RWTH Aachen. Verlag Mainz, Aachen, 1999.
[2] Kayser, O.: Kombinierte Anwendung von Plasmanitrieren und PVD-Beschichtung im Kunststoffmaschinen- und -formenbau. Vakuum in Forschung und Praxis 14, 2002, S. 156-160.
[3] Hieke, A., Vakuum in Forschung und Praxis, 13 (2001) 9
[4] Chatterjee-Fischer, R., Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen 2nd edition1995, Expert Verlag, Renningen Malmsheim
[5] Company brochure of METAPLAS IONON GmbH, Verschleißschutz in allen Disziplinen
[6] H. Dimigen, H. Hübsch, U. Schal, Schriftenreihe Wissenschaft und Technik, 30 (1986) 157
[7] Zielonka, A., Jahrbuch Oberflächentechnik, 56 (2000), 135
[8] Edenhofer, B. Industrie-Anzeiger 95 (1970), 1815
[9] Menning, G., Verschleiß in der Kunststoffverarbeitung, 1990 Carl Hanser Verlag München
[10] Kayser, O, Galvanotechnik 88 (1997), 1618
[11] Kayser, O, Kunststoffe, 85 (1995) 898
