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Neue Schichtgeneration von Oerlikon Balzers Die glatte Revolution eingeläutet: BALIQ und S3p

| Redakteur: Luca Meister

>> Zur EMO stellte Oerlikon Balzers – Hauptsponsor des SMM-Kongress 2013 – eine revolutionäre Generation von Verschleissschutzschichten auf Basis ihrer innovativen Technologie «S3p» vor. Unter dem Motto «The Smooth Revolution» und der neuen Marke «BALIQ» überzeugen die ersten Schichtprodukte «BALIQ Micro Alcronos» für Mikrowerkzeuge und «BALIQ Tap Alcronos» für Gewindewerkzeuge mit einer massgeschneiderten Mikrostruktur, deren Herstellung einen technologischen Meilenstein markiert.

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Links: die gewünschte (ideale) Impulsform des Stroms. Rechts: typisches Stromverhalten von handelsüblichen HiPIMS-Stromversorgungssystemen. Mitte: S3p verwendet eine spezielle Spannungsversorgung, um Impulse nach den gewünschten Parametern zu produzieren – mit beeindruckender Genauigkeit und Beständigkeit.
Links: die gewünschte (ideale) Impulsform des Stroms. Rechts: typisches Stromverhalten von handelsüblichen HiPIMS-Stromversorgungssystemen. Mitte: S3p verwendet eine spezielle Spannungsversorgung, um Impulse nach den gewünschten Parametern zu produzieren – mit beeindruckender Genauigkeit und Beständigkeit.
(Bild: Oerlikon Balzers)

mei. Die neuen Schichten zeichnen sich durch aussergewöhnlich glatte Oberflächen sowie extreme Dichte, Härte, Haft- und Verschleissfestigkeit aus. Diese bahnbrechende Kombination von Eigenschaften wurde möglich durch die «S3p»-Technologie (Scalable Pulsed Power Plasma), eine signifikante Weiterentwicklung des «HiPIMS» (High Power Impulse Magnetron Sputtering). Die mit dem industriereifen Verfahren von Oerlikon Balzers aufgebrachten Schichten werden unter dem Markennamen «BALIQ» in Kombination mit der spezifischen Anwendung angeboten. Zur EMO stellte der Beschichtungsspezialist die ersten beiden Kundenlösungen vor.

BALIQ Micro Alcronos – absolut glatt ohne Nachbehandlung

Gerade Mikrowerkzeuge können von den erweiterten Möglichkeiten der S3p-Technologie profitieren. Entscheidend sind bei Mikrowerkzeugen absolut glatte Oberflächen, denn diese ermöglichen einen reibungslosen Spanabfluss und vermindern Anhaftungen sowie die Bildung von Aufbauschneiden.

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BALIQ Micro Alcronos wurde speziell für die Ansprüche von Mikrobohrern und -fräsern entwickelt und garantiert höchstmögliche Glattheit und Defektfreiheit bei hervorragender Haftung. Als AlCrN-basierte Schicht ist sie auch bei grosser thermischer Belastung hoch verschleissfest und neigt kaum zum Aufkleben, auch nicht bei rostfreien Stählen und anderen schwierigen Werkstoffen. Durch die spezifischen Eigenschaften der BALIQ-Schicht erübrigt sich eine mechanische Nachbehandlung, die bei Mikro-Tools aufgrund kleinster Dimensionen ohnehin kaum möglich ist.

Prozesssicherheit: BALIQ Tap Alcronos setzt neue Massstäbe

Die bahnbrechenden Vorteile von BALIQ sind auch ein Plus für BALIQ Tap Alcronos, der spezifisch entwickelten Lösung für Gewindeformer und -bohrer. Die AlCrN-basierte Schicht stellt eine deutlich leistungsfähigere Alternative zu gängigen TiN- oder TiCN-Produkten dar.

Die innovativen Fertigungsmöglichkeiten führen zu einer deutlichen Erhöhung der Standzeiten, höchster Prozesssicherheit und Effizienz unter allen Anwendungsbedingungen.

Sputtern neu erfunden

Mit solchen Vorteilen hat S3p die HiPIMS-Technologie auf produktivere Beine gestellt und bisherige Schwächen überwunden. Damit wird der eigentliche Fortschritt von HiPIMS nun besser nutzbar: Dieses Verfahren verbindet die Vorzüge der gängigen PVD (Physical Vapor Deposition)-Technologien «Sputtern» und «Arc Evaporation» (siehe Kasten), die bei der Beschichtung von Teilen in tribologischen Systemen eingesetzt werden. Dabei ist Arc Evaporation aufgrund höherer Dichte, Härte und Haftung der Schichten sowie geringerer Kosten oft das bevorzugte Verfahren, vor allem für die Werkzeugbeschichtung. Bei Anwendungen, die eine absolut glatte Oberfläche erfordern, wird hingegen Sputtern bevorzugt. Der Grund: Anders als bei der Arc-Technik bilden sich auf der Beschichtung keine Tröpfchen (Droplets), die die Rauigkeit erhöhen.

HiPIMS nun lässt absolut glatte Schichten produzieren, die hinsichtlich Härte, Dichte und Haftung mit Arc-Beschichtungen vergleichbar sind. Die moderne Sputter-Lösung erreicht dies durch eine starke Erhöhung des Ionisierungsgrads der Partikel in der Verdampfungsphase von etwa 5 auf über 70 Prozent. Dies gelingt durch eine höhere gepulste Stromzufuhr – eine kluge Methode, damit das Substrat nicht über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt wird. Die damit enorm gesteigerte Ionisierung erleichtert die Manipulation der Ionen, wodurch sich erwünschte Eigenschaften wie hohe Dichte und erhöhte Reaktivität leichter erzielen lassen.

Das bisher bekannte HiPIMS-Verfahren hat jedoch auch Limitationen. So liessen sich bislang Dauer und Stromstärke der eingesetzten Hochleistungsimpulse nicht präzise steuern, und auch die Spannung blieb während der Dauer des Pulses nicht konstant. Die Stromimpuls-Form war nicht ideal, was zu schwankenden Beschichtungsbedingungen während des Impulses führte.

HiPIMS ohne Limits

S3p beseitigt diese Einschränkungen durch die Entwicklung eines speziellen Leistungsmoduls zur exakten Steuerung der Impulsparameter. Die voneinander unabhängige Regelung von Impulsdauer und -stärke erlaubt eine präzise Definition der Schichteigenschaften, wodurch sich breitere Anwendungsfenster öffnen.

Zusätzlich zum erweiterten Spektrum der Beschichtungsmaterialien bewirkt S3p als Sputter-Technik eine bisher unerreichte Homogenität der Dickenverteilung im Einsatz mit industriellen Beschichtungsanlagen wie etwa «Ingenia» von Oerlikon Balzers. S3p ist hierbei in der Lage, Schichten von aussergewöhnlicher Oberflächenglätte zu produzieren, die eine lange Lebensdauer sowie hohe Dichte und Widerstandsfähigkeit gegen Adhäsiv- und Abrasionsverschleiss bieten.

Skalierbarkeit eröffnet neue Möglichkeiten

Die deutlich verbesserte Skalierbarkeit der Parameter mit S3p ermöglicht eine massgeschneiderte Morphologie der Beschichtung für verschiedenste Anwendungsanforderungen. So kann z. B. eine extrem feinkörnige und dichte Morphologie oder auch eine eher säulenartige und poröse gewählt werden.

Es ist zudem möglich, mehrere Schichten von abwechselnd fein- und grobkörnigen Schichten desselben Materials zu erzeugen, wodurch sich einzigartige mechanische Eigenschaften erzielen lassen.

Davon können z. B. Mikrowerkzeuge profitieren, wie sie etwa in der Automobilindustrie zur Bohrung von Düsenlöchern für Injektionssysteme in LKW-Motoren eingesetzt werden. Diese Tools sind meist zu klein für eine Nachbehandlung, die etwa zur Entfernung von Tröpfchen infolge der Arc-Technik nötig würde. Mögliche S3p-Anwendungen sind auch Beschichtungen für Gussformen von Teilen in der Unterhaltungselektronik oder für Uhrmacherwerkzeuge.

Stabilere, effizientere Prozesse

Die nun variable Impulsdauer verbessert zudem die Prozessstabilität beträchtlich. So muss kein Kompromiss mehr zwischen Impulsdauer und -stärke gefunden werden, wodurch sich eine grösstmögliche Abscheiderate und erhöhte Effizienz gegenüber früheren HiPIMS-Verfahren erzielen lässt. Zusätzlich bewirkt die Skalierbarkeit der Impulse innerhalb eines breiten Bereichs reaktive Prozesse frei von Hysterese-Effekten. Auch dies macht den Beschichtungsprozess stabiler und einfacher kontrollierbar.

«Follow the Flow of Intelligence»

Die auf S3p-Basis entwickelte neue Schichtenfamilie BALIQ hat Oerlikon Balzers unter dem Motto «Follow the Flow of Intelligence» – passend zum Leitspruch der diesjährigen EMO: «Intelligence in Production» – vorgestellt und somit seinen Ruf als Markt- und Technologieführer bestätigt. Die beiden ersten Schichtentwicklungen belegen das grosse Potenzial der S3p-Technologie.

Damit hat Oerlikon Balzers einen weiteren technologischen Meilenstein entwickelt, der individuelle Kundenanforderungen erfüllt und als BALIQ die «glatte Revolution» einläutet: «Der Markenname erinnert nicht umsonst an unsere ‹Balinit›-Schichtmarken, mit denen vor exakt 35 Jahren das Zeitalter der PVD-Beschichtungen anbrach und die sich weiterhin bewähren. Auch mit BALIQ wollen wir den Startschuss für eine bahnbrechende Generation neuer Schichten geben, die unsere Innovationskraft erneut unter Beweis stellt», resümiert Dr. Hans Brändle, CEO von Oerlikon Balzers. <<

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