Swissmem Zerspanungsseminar 2022: Argor Aljba SA ta-C DLC: Schichthärten von 7000 HV

Von Dr. Ing. Claudio Ghielmetti, Sales & Marketing Manager

Neue technische Anforderungen in der Materialbearbeitung und in der ästhetischen und funktionellen Beschichtung fertiger Bauteile können mit den neuesten ta-C-DLC-Beschichtungen, die mit der patentierten dropless-Technologie hergestellt werden, effektiv gelöst werden. So können extrem glatte und hochharte (7000 HV) Schichten erzeugt werden, die in der Zerspanung von hohen Nutzen sind.

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ta-C-Beschichtung mit ca. 7000 HV Schichtdicke ab 0.5 µm können idealerweise für Mikrowerkzeuge genutzt werden.
ta-C-Beschichtung mit ca. 7000 HV Schichtdicke ab 0.5 µm können idealerweise für Mikrowerkzeuge genutzt werden.
(Bild: Argor Aljba)

Die Geschichte des diamantähnlichen Kohlenstoffs (DLC) beginnt in den frühen 1970er Jahren, als der erste Bericht über diamant­ähnlichen Kohlenstoff veröffentlicht wurde. Es wurde für industrielle Zwecke zur Beschichtung von Automobilkomponenten wie Hochdruck-Dieseleinspritzsystemen und Antriebsstrangkomponenten verwendet. Heute ist die Familie der DLC-Beschichtungen ziemlich gross und diversifiziert mit spezifischen Eigenschaften, die untersucht wurden, um die Kundenerwartungen in verschiedenen Segmenten zu erfüllen.

Die Beschichtungen werden üblicherweise nach dem Verhältnis von sp3- zu sp2-Bindungen und dem Wasserstoff­gehalt klassifiziert. Wenn Kohlenstoff sp3-gebunden ist, bildet er Diamant; sp2-Bindungen führen zu Graphit. Mit einer Erhöhung des Verhältnisses von sp3- zu sp2-Bindungen nimmt typischerweise die Härte der Beschichtung zu.

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Erste Anwendungen für Ventilstössel

ta-C DLC ist eine wasserstofffreie Kohlenstoffbeschichtung mit einem hohen sp3/sp2-Verhältnis. Im Vergleich zu anderen DLC-Beschichtungen weisen ta-C-Schichten eine höhere Härte und Temperaturbeständigkeit auf. Die erste Anwendung der Beschichtung fand wiederum in der Automobilindustrie statt: Sie wurde auf Stössel (Ventilstössel) aufgebracht, wo sie auch heute noch verwendet wird.

Die Reduzierung des Reibungskoeffizienten ist einer der Zwecke der Beschichtung; dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch und geringeren CO2-Emissionen. ta-C-Beschichtungen werden auf Werkzeugen zur Bearbeitung von NE-​Werkstoffen und auf Umformwerkzeugen verwendet. Darüber hinaus kommen sie in anderen Bereichen zum Einsatz, wie zum Beispiel Brillen, Maschinenbau, Medizintechnik oder Gehäusen von Kameras und Smartphones. Darüber hinaus werden DLC-Beschichtungen häufig mit funktionalen/ästhetischen Zwecken für Uhrengehäuse und Komponenten im Luxusuhrenbereich verwendet.

Schichtdicken typischerweise unter 1 µm

Beim Zerspanen von NE-Werkstoffen unterscheiden sich die Werkzeugverschleissmechanismen im Vergleich zu Schneidstahl. Eine der Hauptherausforderungen besteht darin, die Schneidkante scharf zu halten und Aufbauschneiden zu reduzieren. Daher ist es wichtig, die Schichtdicke so dünn wie möglich zu halten. Diese Anforde­rungen werden durch die Ab­scheidung von ta-C-Beschichtungen auf Schneidwerkzeugen speziell für die Be­arbeitung von Nichteisenmetallen und Kunststoffen erfüllt.

ta-C-Beschichtungen tragen dazu bei, die Haftung von Aluminium an der Schneide zu reduzieren. Aufgrund der hohen Härte der Beschichtung ist bei Schneidwerkzeugen wie Bohrern, Schaftfräsern, Reibahlen, Fräseinsätzen typischerweise eine Schichtdicke unter 1 µm (normalerweise zwischen 0,3 und 0,8 µm) ausreichend. Es wurden auch Tests in der Luft- und Raumfahrtindustrie durchgeführt – beim Bohren eines Titan- und CFK-Sandwichmaterials – und die Ergebnisse zeigten, dass ta-C-Beschichtungen die Werkzeugstandzeit verlängern und die Lochqualität im Vergleich zu einem nicht ta-C-beschichteten Werkzeug erheblich verbessern können. Da ta-C eine maximale Betriebstemperatur von ca. 500 °C hat, sind in diesen Fällen Kühlmittelanwendungen erforderlich.

Klassisches Verfahren: Härte von mehr als 5000 HV

Die Abscheidung von harten ta-C-Beschichtungen wurde traditionell mit der Kathodenlichtbogen-Verdampfungstechnologie durchgeführt. An mit Graphit-Targets bestückten Kreisbogenkathoden wird eine Bogenentladung erzeugt. Aufgrund der extrem hohen Temperatur im Lichtbogenfleck und des von diesem emittierten Elektronenstroms werden die verdampften Kohlenstoffatome positiv ionisiert. Durch Anlegen einer negativen Spannung an die Produkte bombardieren die Kohlenstoff­ionen sie. Dieses Verfahren führt zu einer ta-C-Beschichtung mit einer Härte von mehr als 5000 HV.

Die Lichtbogenverdampfung hat als negativen Effekt die Erzeugung von Makropartikeln oder Tröpfchen und damit eine raue Beschichtung. Bei den meisten Fräs- und Bohranwendungen beeinträchtigt eine raue Oberfläche die Schneidleistung nicht; bei einigen Anwendungen muss die Werkzeugoberfläche jedoch glatt sein, um die Schneidleistung zu verbessern. Eine Nachbehandlung durch spezielle Poliertechnologien kann beispielsweise bei Mikrowerkzeugen oder Sonderformwerkzeugen nicht immer durchgeführt werden.

Extrem glatte und hochharte Beschich­tungen

Die Lösung zur Reduzierung von Makropartikeln ist seit vielen Jahren die gefilterte Lichtbogenverdampfung. Ein Magnetfilter wird verwendet, um die Kohlenstoffionen in Richtung der Werkzeuge zu lenken, während die neutralen Kohlenstoffmakropartikel nicht gelenkt werden und den Magnetkanal bombardieren. Die Kathode ist weniger als 90° von der Kammer entfernt angeordnet. Die Partikel bewegen sich geradeaus und bombardieren den gekrümmten Kanal. Ein Magnetfeld wird angelegt, um die Ionen durch die Kurve zu lenken und die Kammer zu erreichen. Die Nachteile dieser Lösung sind eine relativ langsame Abscheidungsgeschwindigkeit und eine kleine Abscheidungsfläche sowie hohe Ausrüstungskosten für einen einzigen Zweck. Darüber hinaus werden einige Makropartikel im Kanal abgelenkt und erreichen dennoch die Substrate.

Ausgezeichnet geeignet für Mikrowerkzeuge

Die Filterlichtbogen-Verdampfungstechnologie wurde mit der patentierten drop­less-Technologie verbessert, bei der ein elektrisches Feld, das auch als Abbrems- oder Ablenkfeld bezeichnet wird, entlang des Weges der Makropartikel von der Quelle zum zu beschichtenden Substrat angelegt wird, das geladene Makroteilchen elektrostatisch abstösst oder ablenkt. Das Ergebnis ist eine glatte und sehr harte Oberfläche (bis 7000 HV) mit hervorragender Haftung und einem dichten Lackfilm.

Mit der dropless-Technologie ist es möglich, ta-C-Beschichtungen auf sehr kleinen Werkzeugen bis zu einem Durchmesser von 0,01 mm abzuscheiden. Damit eröffnen sich vielfältige neue technologische Möglichkeiten für die Beschichtung von Mikrowerkzeugen für die Bearbeitung anderer Werkstoffe als NE-Werkstoffe.
SMM

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