Neue Perspektiven für Beschichtung von Formwerkzeugen mit hoch belasteten Oberflächen Dicke Hartstoffschichten für Werkzeuge

Die Arbeitsgruppe PVD-Schichten des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik Dresden (IWS) arbeitet an einem neuen Lösungsansatz, der die Herstellung harter Beschichtungen im Dickenbereich von grösser als 100 Mikrometer ermöglicht.

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Fraunhofer IWS Dresden

Verschleissmindernde PVD-Beschichtungen sind in der Zerspanungs-, Umform- und Kunststofftechnik seit Jahrzehnten erfolgreich im Einsatz. In vielen Anwendungsfällen sind Schichtdicken im Bereich von 3 bis 5 Mikrometer ausreichend. Für hoch belastete Oberflächen bieten dicke, harte Verschleissschutzschichten einen besseren Schutz als die dünnen Schichten, ihre Herstellung ist allerdings um ein Vielfaches schwieriger.

Die Herstellung von Hartstoffbeschichtungen mit klassischer PVD-Beschichtungstechnologie ist industriell etabliert. Die typischen Schichtdicken von 1 bis 10 µm lassen sich prozesssicher, mit hoher Qualität und wirtschaftlich herstellen. Die Abscheidung dickerer Schichten (100-µm-Bereich) ist jedoch schwierig, weil Wachstumsfehler und Defekte mit wachsender Beschichtungsdauer die Schicht­eigenschaften zunehmend dominieren. Bei der Nutzung von Standard- Beschichtungstechnologien (z.B. der Arc-Verdampfung oder Sputtertechnologie) kann man im Allgemeinen davon ausgehen, dass die Schichtrauheit proportional zur Schichtdicke ansteigt. Darüber hinaus darf die wirtschaftliche Komponente nicht ausser Betracht gelassen werden. Mit modernen industriellen Anlagen zur Werkzeugbeschichtung werden typische Beschichtungsraten von 1 bis 5 µm/h realisiert. Für die Herstellung dickerer Schichten sind aus wirtschaftlicher Sicht wesentlich höhere Schichtwachstumsraten notwendig.

Feinkristallin und homogen

Durch Weiterentwicklung der Prozesstechnologie des Arc-Verdampfens ist es den Wissenschaftlern des Fraunhofer IWS gelungen, auf der Basis des Schichtsystems AlCrSiN/TiN in einer nanolagigen Struktur, Beschichtungen mit mehr als 100 μm Dicke prozesssicher herzustellen. Wesentliche Voraussetzung dafür war es, das Wachstum von Schichtfehlern und Defekten wirkungsvoll zu unterdrücken und vorhandene Defekte so in die Schichtstruktur einzubinden, dass sie die Leistungsfähigkeit der Beschichtung nicht beeinträchtigen. In vielen Fällen gelingt es, die Rauheit der unbeschichteten Ausgangsoberfläche auf der Schichtoberfläche abzubilden oder sogar leicht zu verringern. Die Schichten sind sehr feinkristallin, homogen und für Werkzeuganwendungen geeignet. Die Verteilung der mechanischen Eigenschaften, wie z. B. der Schichthärte, ist in der Schicht gleichmässig. Damit sind bei Bedarf eine spätere Oberflächenstrukturierung, eine Kantenschärfung oder auch eine Politur möglich.

Durch einen angepassten Beschichtungsprozess sowie leistungsfähige Verdampfungsquellen können Beschichtungsraten im Bereich von 20 µm/h realisiert werden. Damit ist es möglich, 100 µm dicke Schichten im für PVD-Werkzeugbeschichtungen üblichen Zeitrahmen zu realisieren. Dies ist insbesondere für die zu erwartende Kostenstruktur solcher Beschichtungen relevant.

Für hohe mechanische Belastungen

Diese Schichten eignen sich insbesondere für Werkzeuge, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, wie sie z. B. in der Massivumformung genutzt werden. Verschiedene Labor- und Einsatztests haben gezeigt, dass die im Fraunhofer IWS erzeugten dicken Schichten eine hohe Härte und Abrasionsbeständigkeit bei hohen Flächenpressungen besitzen. Im geschmierten Tribosystem weisen sie eine geringe Reibung gegenüber Stahloberflächen sowie eine exzellente Haftfestigkeit auf. Die Neigung zu Kaltaufschweissungen ist ebenfalls gering. Ein weiterer Vorteil dieses Schichtkonzeptes besteht in der gegenüber klassischen Hartstoff­beschichtungen gesteigerten Duktilität bei hoher Härte. Dadurch können in gewissen Grenzen sogar Verformungen des Grundwerkstoffes ohne Rissbildung toleriert werden.

Durch die Möglichkeit, Schichten im Dickenbereich von grösser als 100 µm herzustellen, ergeben sich auch neue Ansatzpunkte bezüglich des Werkzeugdesigns und der Auswahl der Grundwerkstoffe. Simulationsrechnungen zeigen, dass maximale mechanische Spannungen bei punktförmiger Belastung der Oberfläche (Hertzsche Pressung) einige zehn Mikrometer unter der Oberfläche auftreten. Diese Zone befindet sich gewöhnlich im Grundwerkstoff, der für diese Belastungen ausgelegt werden muss. Bei der Nutzung dickerer Hartstoffschichten ist diese Zone jedoch in der Schicht, die eine wesentlich höhere Festigkeit besitzt. Die auftretenden Spannungen im Grundwerkstoff sind wesentlich geringer. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, gegebenenfalls preiswertere Grundwerkstoffe für die Werkzeuge einzusetzen und Kosten zu sparen.

Dreifache Einsatzdauer

Erste Einsatzerfahrungen mit diesen Beschichtungen aus der industriellen Praxis liegen inzwischen vor. Beim Schmieden von Getriebeteilen bei der amerikanischen Firma Meritor Inc., einem Hersteller von Fahrzeug- und Maschinenkomponenten, müssen Werkzeuge bei mehr als 1000 °C zuverlässig höchsten Belastungen standhalten. Durch den Einsatz der Beschichtung kann die Einsatzdauer der Werkzeuge auf das Dreifache der unbeschichteten Werkzeuge gesteigert werden. Neben der Einsparung an Werkzeugen fällt auch die gesteigerte Anlagenverfügbarkeit ins Gewicht.

Ziel der Fraunhofer-Forscher ist es, diese Beschichtungslösung für möglichst zahlreiche Anwendungsgebiete zu qualifizieren. Dies soll in Kooperation mit industriellen Anwendern erfolgen, die Bedarf an der Steigerung der Leistungsfähigkeit ihrer Werkzeuge haben. SMM

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