Vergleich der Hartstoff-Mikroschichten auf dem Gebiet einer rationellen Obeflächenveredelung von Spritzgieß-, Zerspanungs- und Umform-Werkzeuge sowie Maschinenbauteilen
Superharte TiN-PVD-Mikroschicht der I. Generation
(entwickelt in den Jahren 1978/85 von Balzers, Lybold Hereaus und Multi Arc)
Mikrohärte: 1600 - 2100 HV
Abscheidetemperatur: 300 - 480 °C
Schichtdicke: 4,5 µm
Ultraharte Karbidische Mikroschicht UH10 der II. Generation
(entwickelt im Technischen F&E - Zentrum in den Jahren 1998/2023)
Mikrohärte: 3200 - 3300 HV
Abscheidetemperatur: 480 - 600 °C
Schichtdicke: 0,8 - 1,6 µm
Hieraus folgt eine exorbitante Standzeitsteigerung, proportionale Produktionskostensenkung, sowie hoher Umweltschutz.
Und dadurch eine extreme Stabilisierung der Arbeitsplätze
Ultraharte abriebresistente Hartstoffe und deren aktuelle Anwendung
Laut VDMA werden jährlich in Deutschland 8 bis 10 Milliarden Zerspanungs-, Umform-, Spritzgieß- und andere Werkzeuge hergestellt. Fast 40 % aller Zerspanungswerkzeuge, die in der metallverarbeitenden Industrie eingesetzt werden, sind aus unterschiedlichen Hartmetallen, die restlichen 60 %, die in der Bearbeitung von Kunststoffen, Gummi, Holz und NE-Legierungen eingesetzt werden, sind aus Hochleistungs-Werkzeug-stählen. Stahl- und Hartmetall-Werkzeuge sind ein strategisch wichtiges Gut. Sie werden aus hochschmelzenden Sonder-Werkstoffen wie Chrom, Eisen, Molybdän, Niob, Vanadin, Wolfram gefertigt und aus vielen Ländern in der Welt importiert.
Da der Preis der oben aufgelisteten Sonder-Werkstoffe bereits seit den fünfziger Jahren ständig nach oben korrigiert wird, versuchen alle Werkzeughersteller und Anwender die hohen Teuerungsraten durch den Einsatz des 1956 neu entwickelten Hochtemperatur-CVD-Beschichtungsvenfahrens aufzufangen. Sofort gelang dies nur in der Oberflächenveredelung von Hartmetall-Werkzeugen mit TiN (2100 HV), TiCN (2600 HV) und TiC (3200 HV) im Temperaturbereich 850° C bis 1100° C. Die, mittels dem neu entwickelten Hochtemperatur-CVD-Verfahren veredelten HM-Werkzeuge, erreichten auf Anhieb in der Fertigung von Stahl-Maschinenelementen eine Standzeitverbesserung um den Faktor 3 bis 6. Die Folge dieser Steigerung war eine proportionale Senkung der Werkzeugkosten, eine weitere Optimierung der Zerspanungsparameter und somit Senkung der Produktionskosten im Maschinenbau.
Mittels diesem neu entwickelten Hochtemperatur-CVD-Verfahren ist eine Beschichtung von Werkzeugen aus Werkzeugstählen bis heute nicht möglich. Die Ursache ist jedes Mal die hohe Beschichtungstemperatur von 850° C bis 1100° C, die immer einen nicht reparablen Verzug von z.B. HSS-Werkzeugen und Bauteilen verursacht.
Diese Tatsache hat bereits vor 1956 alle Forschungs- und Entwicklungs-Institutionen in Deutschland sowie in der gesamten Welt in Gang gesetzt, nach einem neuen Tieftemperatur-Beschichtungsverfahren zu suchen. Das Hauptkriterium war eine verzugsfreie Oberflächenveredelung von Stahlwerkzeugen im Anlassbereich.
Erst nach etwa 20 Jahren, in den Jahren 1977 bis 1985 ist es drei Firmen, BALZERS, LEYBOLD HEREAUS und MULTI ARC gelungen, drei unterschiedliche physikalische Tieftemperatur-Beschichtungsverfahren (PVD) zu entwickeln. Leider lassen sich mittels dieser drei Verfahren nur stick-stoffhaltige Hartstoffe (Metallnitride) mit einer max. Mikrohärte von 2100 HV und Me-Karbonitride mit einer max. Härte bis 2500 HV als superharte Mikroschichten auf Stahl- und Hartmetall-Oberflächen abscheiden .Sie werden im Temperaturbereich zwischen 200° C und 600° C industriell hergestellt.
Bedauerlicherweise ist bis heute aus physikalischen Gründen eine Tieftemperatur-Herstellung von ultraharten Metall-Karbiden (3200 bis 3300 HV), mittels einem der drei PVD-Verfahren praktisch nicht möglich. Erst in den Jahren 1998 bis 2023 wurde im Technischen F & E-Zentrum für Oberflächenveredelung in 75328 Schömberg-Langenbrand ein neues, welt-weit unbekanntes thermochemisches Tief-Temperatur-CVD-Verfahren (TT- CVD) entwickelt.
Dank diesem Verfahren können zum ersten Mal HSS-, WS-, HM-Zerspanungs-, Umform-, Spritzgießwerkzeuge und Maschinenbauteile mit ultraharten, abriebresistenten karbidischen Hartstoffen oder Keramiken beschichtet werden. Die Beschichtung kann, je nach Stahlsorte, im Tief-Temperaturbereich zwi-schen 480° C und 600° C durchgeführt werden. Die ultraharten karbidischen Hartstoffe können sowohl als binäre (z.B. TiC) oder multielementige Systeme (FeTiCrMoNbVW)C in einer Dicke von 0,5 µm bis 4 µm, einer Ultra-Mikrohärte von 3200 HV bis 3300 HV und einem Reibungsbeiwert von 0,11 strukturlos hergestellt werden, s. Abb. 2.
Dank der weiteren Steigerung der Mikrohärte der Hartstoffe von 2500 HV (superhart) im Bereich von 3200 HV bis 3300 HV (ultrahart), ist es in der Industrie zu einem EXORBITANTEN STANDZEITSCHUB von Faktor 5 bis zum Faktor 12 (je nach Einsatzfall) gekommen. Die Folge so einer Standzeitsteigerung sind:
HOHE FERTIGUNGSKOSTEN-SENKUNG UND EINE WEITERE STEIGERUNG DER ARBEITSPLATZSTABILITÄT
Aktuell mit ultarharten Metallkarbiden beschichtete Werkzeuge:
1. Spritzgießformen - besonders für hochlegierte (bis 80 %) Kunststoffe
2. Extruder-Schnecken - besonders für hoch mit GF-, C-Fasern u. TiO2 – Pulver legierte Kunststoffe
3. Kunststofffilter für die Reinigung der Kunststoffschmelze vor einer Düse
4. Siebe (eingesetzt vor einer Schnecke) für Granulat-Makroreinigung
5. Bohrer - für den Einsatz im Stahl, Gusseisen, NE-Metallen, Holz, Gummi, Kunststoff, GFK, Hartpapier
6. Fräser - für den Einsatz im Stahl, Gusseisen, NE-Metallen, Holz, Gummi, Kunststoff, GFK, Hartpapier
7. Umformwerkzeuge - Matrizen, Stempel, Biegeleisten, Sonderwerkzeuge
8. Gewinde-Werkzeuge - für Stahl, NE- Metalle, Kunststoffe, Holz usw.
9. Räumwerkzeuge - für Stähle, GG, NE- Metalle, hybride Werkstoffe
10. Hochleistungsmesser - für Papier, Holz, Kunststoffe, Metalle, Me-Folien, hybride Werkstoffe (Gummi/NE- Metalle/Stahl/Holz/Kunststoffe, Papier)
11. Holz - Hobelmesser, -Bohrer, Standard und Sonder-Fräser, WSP, usw.
