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ta-C DLC Beschichtung für die Bearbeitung von schmierigen Werkstoffen Swissmem Zerspanungsseminar Daniele Galatioto CEO Argor- Aljba SA

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1. Grundlagen amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC)

2. Cutting performance von ta-C DLC beschichteten Werkzeugen in Trockenbearbeitung von Al Legierungen

3. Praxisbeispiel Kupferbearbeitung: Werkzeuge zur Herstellung von Kupfersteckern

4. Praktische Diplomarbeit Bearbeitungskosten: Diamant Werkzeuge ersetzen durch HM Stichfräser mit DLC Beschichtung

5. DLC Beschichtungen dialong® und dialong ®dropless ®

6. Anwendungsempfehlungen Zerspanen für dialong® ta-C Schicht

Themenschwerpunkte der Präsentation

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Struktur von amorphen Kohlenstoffschichten (DLC)

Diamant (Kristallin) kubisches

sp-3 Hybrid

Graphit (hexagonal gebundene

Kohlenstoff-atome) sp2

DLC = Amorphe Kohlenstoffschicht

sp2 / sp3 Hybridisierung.

Grundlagen amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC)

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Einordnung amorphe Kohlenstoffschichten (DLC)

Sp3-konfigurierter Kohlenstoff: Purer

Diamant mit extremer Härte (10.000 HV).

Polymer-CH: Durch das CVD-Verfahren wird

Wasserstoff in die Kohlenstoff-Schicht

eingebaut. Dieser verringert die Härte

Sp2-konfigurierter Kohlenstoff (Graphit): Ein

schwarzes und weniger hartes Material . Je grösser

der Anteil, desto weicher die Schicht. Dies trifft

auf die mit dem herkömmlichen Sputterverfahren

hergestellten amorphen Kohlenstoffschichten zu.


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Übersicht Kohlenstoffschichten (VDI Norm 2840)

Die Beschichtung dialong® von Argor-Aljba lässt sich als ta-C (tetraedrisch amorpher Kohlenstoff) klassifizieren.


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Droplets: Einschlüsse in Arc-PVD Schichten

Amorphe Kohlenstoffschichten (Diamond-like-carbon DLC)

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Mitbewerber A Hard carbon ta-C 32%

Vergleich von unterschiedlichen ta-C DLC Oberflächen

Prozent = mit «Droplets» bedeckte Fläche

Mitbewerber B ta-C 28%

Argor-Aljba SA dialong® 18%

Argor-Aljba SA dialong®dropless® 4%


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Rauheit (Rz ~ 10 Ra)

Mit zunehmender Schicht- dicke d, nimmt die Rauheit wie folgt zu: Rauheit Rz ~ d0,4 [mm]

Rauheit von Arc-PVD Schichten


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Tribologie: DLC trocken gegen Hartmetall WC-Co Abnehmender Reibungskoeffizient: a-C -> a-C:H -> ta-C Zunehmende Reibung bei abnehmender Luftfeuchtigkeit


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Cutting performance von ta-C DLC beschichteten Werkzeugen in Trockenbearbeitung von Al Legierungen

H. Fukui et al. / Surface & Coatings Technology 187 (2004) 70–76

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Fig. 4. SEM Aufnahme der Spanfläche und der Freifläche nach dem trocken Fräs- Test von einer AlCu2.5Si18 Legierung (Schneidlänge 36 m).

Um ca. 50% reduzierte Schneid-

kräfte

Um ca. 50% reduzierte

Oberflächen-rauheit


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Hitzeentwicklung an der Spanfläche beim trocken Bearbeiten von AlMg2.5

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Fig. 9. FEM simulation results of types of chip and contours of temperature for AlMg2.5 alloy milling test (V=300 m/min, f = 0.15 mm/rev, depth of cut 1 mm, lubrication: dry).

Fig. 10. Types of chip after milling test for AlMg2.5 alloy (V=300 m/min, f = 0.15 mm/rev., A d =R d =5 mm, lubrication: dry).

HM unbeschichtet vs. HM ta-C DLC Beschichtung

Δ T 317° vs. Δ T 177° Entspricht einer Reduktion der

Hitzeentwicklung von 45% Längerer, dünnerer Span mit kleinerem Krümmungsradius.

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Fazit: 1. Die glatte Werkzeugoberfläche (Ra-0.01µm mit tiefem Reibwert (0.1) mit

einer exzellenten Anti Haft Eigenschaft ist verantwortlich für das Verhindern von Aufbauschneiden.

2. Unter trockenen Bedingungen konnte die Oberflächenrauheit bei den beiden getesteten Materialien AlMg2.5 und AlCu4.5Si12 um die Hälfte reduziert werden.

3. Durch die ta-C DLC Beschichtung konnte die Lebensdauer der Werkzeuge erheblich verbessert werden. Durch die tiefe Reibung an der Spanfläche ergibt sich ein besserer Spänefluss und eine bessere Oberfläche.

4. In der FEM Simulation der Hitzeentwicklung und die praktischen Untersuchungen der Späne zeigen eindrücklich wie die ta-C DLC Beschichtung die Reibung zwischen Span und Schneide reduziert und so zu kleineren Bearbeitungskräften und tieferen Bearbeitungstemperaturen führt.


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Praxisbeispiel Kupferbearbeitung

Werkzeuge zur Herstellung von Kupfersteckern

Verbesserung um Faktor 8, bei gleichbleibender Schneidleistung

Unbeschichtet ca. 10.000 Stück, beschichtet ca. 80.000 Stück pro Werkzeug.

Material: electrolytic copper E N 13601

Tools: DIXI 7242, ∅6mm Machine: HURON KX10 Lubricant: Emulsion oil

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Praxisbeispiel Kupferbearbeitung

Mit ta-C Beschichtung: Intakte Kantengeometrie & geringer Verschleiss

Ohne Beschichtung: Kantenausbruch & hoher Verschleiss

Material: electrolytic copper E N 13601

Tools: DIXI 7242, ∅6mm Machine: HURON KX10 Lubricant: Emulsion oil

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Praktische Fräsversuche in der Grossserienproduktion von Uhr-Platinen aus Messing mit der Zielsetzung 25% der Werkzeugkosten zu senken. Das Ziel konnte Dank der ta-C DLC Beschichtungen erreicht werden.

Erste Resultate der neu entwickelten Beschichtung dialong®dropless® im Vergleich zur aktuellen Schicht dialong® (ta-C DLC)

Praktische Diplomarbeit Bearbeitungskosten: Diamant Werkzeuge ersetzen durch HM Stichfräser mit ta-C DLC Beschichtung

Auszug Diplomarbeit P. Dürrenmatt Grenchen 2014

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Sämtliche Qualitätsanforderungen konnten mit den beschichteten HM Werkzeugen eingehalten werden. Dadurch wurde ersichtlich, dass viele Diamanten zu Unrecht eingesetzt werden! Die Beschichtung dialong® bzw. dialong®dropless® erreichten z.T. sogar massiv höhere Standzeiten wie die Diamantwerkzeuge.

dialong®dropless® erreicht durchschnittlich 75% höhere

Standzeit als dialong®

Auszug Diplomarbeit P. Dürrenmatt Grenchen 2014


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Die Nachteile bei der Bewirtschaftung von Diamantwerkzeugen sind insbesondere die hohen Anschaffungskosten - Sticheldiamant 250 - 600 CHF pro Werkzeug - Formdiamant 800 – 900 CHF pro Werkzeug Jedoch sind auch die Betriebskosten erheblich, da die Diamantwerkzeuge ca. alle 50’000 Teile nachgeschliffen werden müssen. Kosten für das Nachschleifen liegen bei ca. 200-300 CHF. Die Zielsetzung in der Grossserienproduktion von Uhr Platinen die Werkzeugkosten um 25% zu senken wurde erreicht. Die Kostenersparnis werden Dank der dialong Beschichtungen sogar im laufenden Betrieb ohne die Berücksichtigung der Anschaffungskosten erreicht!


Die neu entwickelte Schicht dialong®dropless® erreichte zusätzlich eine um ca. 75% höhere Performance wie dialong® und bietet somit noch grössere Kostenvorteile als gefordert.

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DLC Beschichtungen dialong® und dialong ®dropless ®

dialong®and dialong®dropless® ta-C DLC haben einen Anteil von 80-90% des sp3-konfigurierten Kohlenstoffs! Die Schichten haben folgende Eingenschaften: • Extreme Härte von ca. 5'300 HV und dialong®dropless®

hat sogar 6500HV • Höchste Verschleissfestigkeit • Sehr tiefer Reibungskoeffizient ~ 0.1 trocken gegen Stahl • Die einzigartigen Eigenschaften der Beschichtungen werden durch das eigens entwickelte filtrierte arc-PVD-Verfahren erzielt. Dank dieser Methode werden Bearbeitungstemperaturen von unter 100°C erzielt • Dies ermöglicht die Beschichtung von fast allen Materialen, ohne Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Zudem bleibt die Formkonstanz der Objekte garantiert, und es gibt keine Kantenverrundungen.

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MATERIAL DREHEN FRÄSEN BOHREN

WSP

HM

Schaftwerkzeuge

HSS

HM

WSP

HM

HSS

HM

Aluminium und deren Legierungen ( Si <18%) +++ +++ +++ +++ +++ +++

Messing, Kupfer, Bronze (Kupfer-Beryllium) +++ +++ +++ +++ +++ +++

Nickel und deren Nickellegierungen ++ ++ ++ ++ ++ ++

Edelstahl (INOX) + ++ ++ ++ + +

Graphit ++ ++ ++ ++ ++ ++

Titanlegierungen ++ ++ ++ ++ ++ ++

Faserverstärkte Materialien CFK/GFK – PCB ++ ++ ++ ++ ++ ++

Edelmetalle (Gold, Silber) +++ +++ +++ +++ +++ +++

Kunststoffe(Polycarbonate, NXT) +++ +++ +++ +++ +++ +++

Verbundwerkstoffe (Aramide, Kevlar) ++ ++ ++ ++ ++ ++

Holz +++ +++ +++ +++ +++ +++

+++ Ausgezeichnete Resultate ++ Sehr gute Resultate + Gute Resultate

HM=Hartmetall HSS=Schnellarbeitsstahl WSP=Wendeschneidplatten

Sämtliche Angaben verstehen sich als Richtwerte. Exakte Werte sind vom jeweiligen Substrat, der Geometrie, der Oberfläche und den Bearbeitungstemperaturen abhängig.

Anwendungsempfehlungen Zerspanen für dialong® ta-C Schicht

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