Funktionale Anwendungen von PVD-Beschichtungen in der industriellen Produktion

Im Automobilbereich wurde das Problem mit der Schmierung von Komponenten sich bewegender mechanischer Teile wie Zahnräder, Kolben, Nocken und Lager durch PVD-Beschichtungen brillant gelöst. PVD-Beschichtungen ändern die Oberflächeneigenschaften der behandelten Teile, indem sie ihnen einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe mechanische Verschleißfestigkeit verleihen.

Diese Technologien werden inzwischen häufig auch bei der Herstellung von Werkzeugen wie Bohrer, Fräsen und Reibahle eingesetzt. In den letzten Jahren erleben wir zunehmend einen massiven Gebrauch dünner, verschleißfester Physical Vapour Deposition-Beschichtungen bei allen Arten von Schneidwerkzeugen mit einer Diversifizierung und Spezialisierung der Beschichtungen entsprechend der spezifischen Anwendung je nach Art des Werkzeugs, des Werkzeugmaterials und des verarbeiteten Materials, wobei kontinuierlich neue Arten von ein- und mehrlagigen PVD-Beschichtungen erforscht werden.

Dieser Artikel behandelt folgende Themen:

1. Fräsen, Reibahle, Bohrer: Verschleiß- und Oxidationsfestigkeit mit PVD-Abscheidung auf Titan-Aluminium-Nitrit-Basis - TiAIN
2. Zahnräder, Kolben, Nocken, Lager: niedriger Reibungskoeffizient mit PVD-Beschichtungen auf Molybdänsulfid-Basis - MoS₂
3. Lager, gehärtete Stähle und Einsatzstähle: maximale Verschleißfestigkeit mit PVD-Beschichtungen auf Wolframkarbid-Kohlenstoff-Basis - WC-C
4. Schneidwerkzeuge, Formen, Präzisionskomponenten: maximale Härte mit PVD-Beschichtung auf Diamond Like Carbon-Basis - DLC
5. Fräsen, sonstige Schneidwerkzeuge: Härte, Korrosionsbeständigkeit, niedriger Reibungskoeffizient, Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, optimaler Kompromiss bei Anwendungen mit Titannitrid TiN

Fräsen, Reibahle, Bohrer: Verschleiß- und Oxidationsfestigkeit mit PVD-Abscheidung auf Titan-Aluminium-Nitrid-Basis - TiAIN

Die interessanteste Neuheit in diesem Bereich ist die zunehmend verbreitete Anwendung von speziell entwickelten Beschichtungen für Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitungen wie die Verwendung von ein- und mehrlagigen Beschichtungen auf der Basis von Titan-Aluminium-Nitrid - TiAIN - mit hoher Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur, hoher Warmhärte, verringerter Wärmeleitfähigkeit und hoher chemischer Stabilität.

FORDERN SIE EIN KOSTENLOSES ANGEBOT AN

Zahnräder, Kolben, Nocken, Lager: niedriger Reibungskoeffizient mit PVD-Beschichtungen auf Molybdändisulfid-Basis - MoS₂

Hinzu kommen PVD-Beschichtungen auf der Basis von Molybdändisulfid - MoS₂ - mit niedrigem Reibungskoeffizienten und mit selbstschmierenden Eigenschaften, die ideal für bewegliche Motorenteile wie Kolben, Nocken und Pleuelstangen sind. Und schließlich Diamant- und DLC-Beschichtungen (Diamond Like Carbon) mit sehr hoher Härte und niedrigem Reibungskoeffizienten.

Die selbstschmierenden PVD-Beschichtungen auf der Basis von Molybdändisulfid - MoS₂ - sind eine richtiggehende Revolution im Bereich der Oberflächenbehandlungen von beweglichen mechanischen Teilen wie Zahnräder, Kolben, Nocken und Lager, da sie sehr wichtige Eigenschaften miteinander kombinieren wie:

• einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten (0,05-0,1);
• eine maßvolle Härte (50 HV);
• eine optimale Oxidationsbeständigkeit und eine hohe thermische Stabilität (bis zu 800 °C).
• Behandlungen bei niedrigen Temperaturen (150 °C)
• eine minimale Beschichtungsdicke (0,5-1 μm)

Lager, gehärtete Stähle und Einsatzstähle: maximale Verschleißfestigkeit mit PVD-Beschichtungen auf Wolframkarbid-Kohlenstoff-Basis - WC-C

WC-C, Wolframkarbid-Kohlenstoff, besteht aus einer amorphen Kohlenstoffphase, die in einer Wolframkarbid-Abscheidung eingebracht wird.

Die Eigenschaften der PVD-Beschichtung auf Wolframkarbid-Kohlenstoff-Basis empfehlen sich vor allem zur Beschichtung von Zahnrändern, weil sie die Verschleißfestigkeit, die Beständigkeit gegen Lochfraß sowie die Lastkapazität der Zahnräder erhöhen. Sie werden im Textilmaschinen- und Werkzeugmaschinenbereich verwendet, zum Beispiel zur Beschichtung der Lager von Hochgeschwindigkeitsspindeln und für mechanische Bestandteile von Rennwagen und Nutzfahrzeugen.

• keine hohe Beschichtungshärte (circa 1000 HV),
• niedriger Reibungskoeffizient (0,2)
• keine sehr hohe Beschichtungstemperatur (circa 250 °C)
• mit dieser Technik können auch gehärtete Stähle, Einsatzstähle und STD-Lagerstähle beschichtet werden.

Schneidwerkzeuge, Formen, Präzisionskomponenten: maximale Härte mit PVD-Beschichtung auf Diamond Like Carbon-Basis - DLC

Diamond Like Carbon-Beschichtungen umfassen eine Gruppe von PVD-Beschichtungen, die ähnliche Eigenschaften wie natürlicher Diamant aufweisen. Der wichtigste Unterschied zum Diamanten ist, dass die Mikrostruktur der DLC-Beschichtungen amorph oder polykristallin sein kann, mit einem Wasserstoffgehalt in verschiedenen Prozentsätzen, während natürlicher Diamant kristallin ist und aus reinem Kohlenstoff besteht. Bei der Herstellung von DLC-Beschichtungen mit PVD-Prozessen wird gewöhnlich eine Bogenentladung verwendet, um reines Kohlenstoffplasma zu erzeugen.

Die Hauptvorteile des PVD-DLC-Verfahrens sind:

• sehr hohe Härte,
• sehr niedriger Reibungskoeffizient,
• niedrige Abscheidetemperatur,
• amorphe Filmstruktur ohne Wasserstoffgehalt,
• gute Haftung und hohe Abscheidegeschwindigkeit,
• hohe Dichte - etwas niedriger als die von Diamant.

PVD-DLC-Beschichtungen werden bei sehr niedrigen Temperaturen (unter 150°C) durchgeführt. Mit diesem Prozess können daher auch Polymere sowie Aluminiumlegierungen und alle Arten von Stahl beschichtet werden. Die Beschichtungsdicke kann zwischen 0,1 und 5 μm variieren und die Anwendungen sind sehr vielseitig in verschiedenen Industriebereichen wie der von Präzisionskomponenten und Ausrüstungen. Im Bereich der Schneidewerkzeuge und Formen dienen DLC-Beschichtungen dazu, die Oberflächenhärte zu erhöhen, die Reibungskoeffizienten zu verringern und die Standzeit des Werkzeugs zu verlängern.

Fräsen, sonstige Schneidwerkzeuge: Härte, Korrosionsbeständigkeit, niedriger Reibungskoeffizient, Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, optimaler Kompromiss bei Anwendungen mit Titannitrid - TiN

Titannitrid ist die am häufigsten in der Industrie verwendete PVD-Beschichtung.

Bei den Anwendungen auf Werkzeugen werden die TiN-Schichten wegen ihrer Warmfestigkeitseigenschaften als Wärmemauern für die Abführung der während der Bearbeitung entwickelten Wärme verwendet. TiN-Beschichtungen verringern in hohem Maß die Reibungskräfte zwischen Werkzeug und bearbeitetem Material, begrenzen die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen Werkzeug und Span und reduzieren die Bildung von Aufbauschneiden und die Materialbindung an scharfen Kanten. Die hohe Härte von TiN verringert plastische Verformungen und begrenzt Abrieb und Verschleiß.

Die globale Wirkung von TiN-Beschichtungen bei Werkzeugen und Formen zeigt sich in einer Reihe von Vorteilen wie:

• Verlängerung der Standzeit des Werkzeugs,
• Verbesserung der Qualität der bearbeiteten Oberflächen,
• Steigerung der Produktivität der Werkzeugmaschinen.

Eine weitere Entwicklung der Beschichtungen auf Titan-Aluminium-Basis - Ti-Al - stellen Titan-Aluminium-Carbonitride dar: Es handelt sich um „quaternäre“ Beschichtungen auf der Basis von Titan, Aluminium, Kohlenstoff und Stickstoff -  Ti-Al-C-N. Sie sind die jüngste Generation der PVD-Beschichtungen. Diese mit Kathodenbogen-PVD-Technologie entwickelte Abscheidungen synthetisieren sehr wichtige Eigenschaften wie eine sehr hohe Abriebsbeständigkeit und eine hohe Härte durch die TiCN-Phase, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und eine hohe thermische Stabilität durch die TiAlN-Phase.

FORDERN SIE EIN KOSTENLOSES ANGEBOT AN