Multielementige Nanoschichten für Maxiprofit

Vor 3,5 Jahren hat man sich im Technischen-F&E-Zentrum für Oberflächenveredelung und Hochleistungswerkzeugbau in Schömberg-Langenbrand sich für die Entwicklung von verschleißresistenten elastischen hybriden gradierten Nano-Hartstoffsystemen der Zweiten Generation entschieden.

Um dieses Ziel realisieren zu können, wurde das „3D-Hybride-AU-Quadroimpuls-CVD-Verfahren“ entwickelt und eine entsprechende technische Produktionsanlage gebaut. Nach etwa weiteren 2,5 Jahren konnte das geplante Endziel, dank dem Mischen von bis zu 18 verschiedenen chemischen Elementen und einer sehr genauen dynamischen Prozessparameter-Optimierung wie z. B. Spannung, Strom, Temperatur, Vakuumniveau, Zeit, Konzentration im Prozess teilnehmender Ionen und Elemente, Magnetfeldstärke, Magnetfeldfrequenz usw., mit relativ großem Erfolg beendet werden.

Dank diesem Verfahren konnte die Standzeit von Zerspanungswerkzeugen, die in der mechanischen Bearbeitung von Aluminium, Aluminiummagnesium-, Aluminiummagnesium-Silizium-Legierungen, Titan-Aluminium-6-Vanadium-4, Kupfer, Kupfer-Legierungen, Edelstählen, GG, GGG, St., usw. im Vergleich zu mittels aller drei PVD-Verfahren beschichteten, sowohl Zerspanungs- als auch Umform- und Spritzgießwerkzeugen, beachtlich gesteigert werden. Die Standzeitsteigerung kann das Niveau zwischen Faktor 2 und 25 erreichen, jeweils abhängig vom Festigkeitszustand des zu bearbeitenden Werkstoffs und der Bearbeitungsart.

Vervielfachung der Standzeiten

Diese technischen und technologischen Tatsachen wurden von der Fa. Albert Weber GmbH in Neuenbürg genutzt und in die Optimierung der Hochleistungs-Zerspanungsprozesse aufgenommen. In der Fa. Albert Weber GmbH wird sehr intensiv auf dem Gebiet der mechanischen Bearbeitung von Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen geforscht und sowohl bestehende Prozesse ständig optimiert als auch neue entwickelt. Den Prozessen liegen folgende Kriterien zugrunde:

• Maximale Reproduzierbarkeit der Oberflächenqualität (Oberflächenrauheit)

• Maximal mögliche Reproduzierbarkeit der Fertigungstoleranzen

• Optimale Fertigungskosten

• Maximal mögliche Umweltfreundlichkeit bei der Bearbeitung

Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen der Fa. Albert Weber GmbH und dem Technischem F & E Zentrum für Oberflächenveredelung wurden für die Bearbeitung von vier-, sechs-, acht-, und zwölfzylinder Motorblöcken entsprechende Hochleistungs-Zerspanungswerkzeuge entwickelt, optimiert, veredelt und mit Erfolg eingesetzt. Die Standzeit von Hartmetallbohrern konnte im Vergleich zu mittels PVD-Technik beschichteten Werkzeugen um bis zum Faktor 5 (von 30.000 auf 150.000 Bohrungen) erhöht werden.

80 Prozent weniger Ausschuss

Dieses Ergebnis hatte eine Senkung der Ausschussquote fast um 80% zur Folge. Der Fertigungsprozess konnte durch die Nichtunterbrechung um die normalerweise benötigte Zeit für den Austausch der verschlissenen Werkzeuge beschleunigt und damit die Leistung des Prozesses entsprechend verbessert werden. Die verschlissenen Werkzeuge können bis zu 15 Mal nachgeschliffen, beschichtet und erneut eingesetzt werden. Das Qualitätsniveau der nachgeschliffenen Bohrer nach dem Nachschleifprozess ist dem der neuen Werkzeuge gleich zu setzen.

Im Rahmen einer sehr intensiven Zusammenarbeit zwischen dem Werksleiter der Albert Weber GmbH Herrn Dipl.-Ing. Uwe Cagol konnten neue Nano-Hartstoffschichten für sowohl das Gewindeschneiden als auch Gewindeformen für die oben genannten Legierungen mit einem Siliziumgehalt zwischen 6 und 12% entwickelt und in die industrielle Prozesse übernommen werden. Hier ist die Lebensdauer der Gewindewerkzeuge im Schnitt um das 8-fache im Vergleich zu mittels PVD-Verfahren beschichteten Werkzeugen gestiegen. Dieses Ergebnis sorgte für eine entsprechende Prozesssicherheit, hohe Gewindequalität und eine langzeitige Einhaltung der Fertigungstoleranzen.

Die abgenutzten Gewindebohrer konnten mehrmals nachgeschliffen und mittels dem neuen 3D-Hybriden-AU-Quadroimpuls-CVD-Verfahren nachbeschichtet werden. Die Leistung der mehrmals nachgeschliffenen und nachbeschichteten Gewindebohrer ist konstant auf dem primären Niveau geblieben.

160 statt 28 Turbolader pro Fräser

Die Fa. Albert Weber GmbH beschäftigt sich nicht nur mit der Bearbeitung von AlMgSi- Legierungen, sondern auch mit der Zerspanung von Magnesium, Stahl, Edelstählen und allen Graugusssorten. Im Rahmen eines Sonderprojektes wurde die Fertigung von Pleuel optimiert. Hier wurde in der Zusammenarbeit mit den Herren Dipl.-Ing. U. Cagol, M. Otto und Dipl.-Ing. L. F. Paterok ein Werkzeug entwickelt, welches die Kerbbildung mittels Laserverfahren ersetzte und damit eine Fertigungszeitersparnis von 4 ½ Minuten pro Pleul brachte. Dementsprechend wurde der Fertigungsprozess rationalisiert. Das neue hier eingesetzte Werkzeug wies dank der Beschichtung mittels 3D-Hybride-AU-CVD-Verfahren eine Lebensdauerverlängerung um Faktor 9 im Vergleich zu mittels PVD-Prozess veredelten Werkzeugen auf. Ähnlich konnte der Fräsprozess von Magnesium Turboladern rationalisiert werden. Sowohl die neu entwickelte Fräsergeometrie als auch ein neues Nanohartstoffsystem des Typs H-SS 6500.Mg führte zu einer Standzeitsteigerung von 28 auf 160 Turboladern pro Fräser.

18 Elemente beliebig mischen

Die Dynamische Zusammenarbeit zwischen beiden Firmen führt in einigen Fällen zu einer enormen Verbesserung der Zerspanungsprozesse und so beim Drehen von Edelstahl (1.4571) Maschinenbauteilen konnte die Standzahl von 12 auf 210 erhöht werden.

Im Hause Albert Weber GmbH werden nicht nur Maschinenbauelemente für die Automobilindustrie, sondern auch verschiedene Elemente aus dem Flugzeugbau aus dem Werkstoff TiAl6V4 bearbeitet. Hier konnte durch eine rationelle Oberflächenveredelung von Hartmetallwendeschneidplatten ihre Standzeit im Vergleich zu mittels PVD-Verfahren beschichteten um Faktor 7-8 erhöht werden. Dem Ergebnis folgten auch entsprechende Ersparnisse.

Im Augenblick werden im Technischem F & E Zentrum mehrere Prozesse in verschiedenen Betrieben in Bezug auf Standard- und Sonderwerkstoffe optimiert und mittels 3D-Hybride-AU-CVD-Verfahren rationalisiert.

Das neue 3D-Hybride-AU-CVD-Verfahren erlaubt sowohl eine niedrig- als auch eine hochenergetische Oberflächenprozessführung. Derartige Möglichkeit lässt eine flexible und sehr genaue Beeinflussung aller chemischen und physikalischen Eigenschaften einer definierten Werkstoffoberfläche zu. Dies wird in diesem Fall mit Erfolg durch die Anwendung der Impulsfrequenztechnik realisiert.

In diesem Verfahren können sämtliche im Prozess teilnehmenden Elemente in einer beliebigen Konzentration während des Oberflächenveredelungsprozesses, bei einer definierten Berücksichtigung der Spannung, des Stroms, des Vakuums, der Strömung der entsprechenden Atome und Ionen ins Vakuum, der Elementenkonzentration, der Prozesszeit, der Temperatur, der Magnetfeldstärke, -frequenz, Impulsparametern usw., alle miteinander beliebig gemischt werden.

Die Konzentration aller Elemente kann in jeder Nanokeramik beliebig von 0 bis 100 % (falls notwendig) während des Beschichtungsprozesses gewählt werden. In einigen Fällen reicht bereits ein Mikrozulegieren von einem oder mehreren Elementen z. B. in eine Werkzeugschneide, um eine besonders hohe Lebenserwartung dieser zu erreichen.

Schichtdicke 1,5 µm aus mindestens 25 Nanoschichten

Die Dicke der Aufbauschichten überschreitet selten den Wert von 0,0015 mm und sie können aus mindestens 25 Nanoschichten bestehen, wobei jede Nanoschicht ein anderes Keramiksystem, mit anderen sowohl physikalischen als auch tribochemischen Eigenschaften sein kann.

Dieses neue Beschichtungsverfahren besteht aus vier Unterverfahren, die in einem Prozess integriert sind:

a. Dem hochenergetischen Desoxidieren der zu beschichtenden Werkstoffoberflächen

b. Dem dynamischen, thermochemischen „Ausheilen“ der durch Wärmebehandlung oder durch das Erodieren vor dem Beschichten geschädigten Werkzeugoberflächen, -kanten oder auch Schneidecken. Das Ausheilen erfolgt durch ein gezieltes reaktives, niedrigenergetisches Dotieren der fehlenden Elemente in die geschädigten Werkzeugoberflächen.

c. Dem Hochleistungsimplantieren (HLI) von Elementen wie z. B. Aluminium, Bor, Chlor, Chrom, Kohlenstoff, Molybdän, Niob, Sauerstoff, Silizium, Stickstoff, Tantal, Titan, Vanadin und Wolfram in die entsprechende Werkstoffoberfläche.

d. Dem Abscheiden von entsprechend konstruierten Hartstoff-Nano-Systemen.

Ein anderes Nebenprodukt dieses Verfahrens ist die Möglichkeit der Umwandlung von Dioxinen in neutrale und wertvolle verschleißfeste sowohl sauerstoffhaltige oder sauerstofffreie Keramiken.W

www.technisches-fe-zentrum.de