Senkung der Produktionskosten durch Verwendung von Nanocomposite-Schichten

7. Zerspanungsseminar

Senkung der Produktionskostendurch Verwendung von

Nanocomposite-SchichtenM. Morstein, T. Cselle, O. Coddet , PLATIT AG / W. Blösch AG, Grenchen

«Effizienter zerspanen»7. SWISSMEM Zerspanungsseminar, Winterthur und Olten, 23./24.01.2007


Überblick1. Nanokomposit-Hartstoffschichten

2. nACRo® – Das Cr1-xAlxN/SiNy Nanokomposit-System• Strukturelle Eigenschaften• Vergleich mit nACo® (Ti1-xAlxN/SiNy)

3. Produktive Zerspanung mit Nanokompositen

• Bearbeitung von Stählen und anderen Standardwerkstoffen

• Hartbearbeitung von Werkzeugstählen

• Bearbeitung von Sonderwerkstoffen

4. Zusammenfassung


1. Überblick Nanokomposit-Hartstoffschichten

TiN/SixN Nanokomposite– Der Prototyp – Li Shizi, S. Veprek et al., seit 1995

Ti1-xAlxN/SiyN Nanokomposite– PLATIT nACo®, seit 2002

Cr1-xAlxN/SiyN Nanokomposite– PLATIT nACRo®, seit 2004

• Keramische Nanokomposite mit “Superhärte” (≥40-50GPa)• Hall-Petch Beziehung – Kleine Korngrösse ergibt hohe Härte• Nanokomposit-Struktur entsteht bei einer Mischungslücke

durch spinodale Entmischung => selbstordnende Nanostruktur

1 µm


Strukturverfeinerung durch SiliziumKonventionell: Ti1-xAlxN

Übergang zum Nanokomposit

High (Al+Si)

TEM-Bilder: ToP Nano Projekt, EPFL, A. Karimi+M. Parlinska

Nanokomposit Ti1-xAlxN/SiNy

“Superhärte”(≥ 40-50 GPa)Zusatz von Silizium

Spinodale Entmischung


PLATIT Arc-PVD-TechnologieZylindrische, rotierende Arc-Kathoden: Ideal für Nanokompositbeschichtung

π80: LARC® π300: LARC® + CERC®


2. nACRo – Das Cr1-xAlxN/SiNyNanokomposit-System

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

no Silow Si high Silow Crultrahigh Si

Cry

stal

lite

size

Sch

erre

r for

mul

a [n

m]

Composition x - Cr1-x

AlxN

crystallite sizeof h-Al(Cr)N5-8 nm

hcp-Al(Cr)N

Kontrolle der Nanostruktur durch Silizium-Einbau!


Einfluss von Si auf die Cr1-xAlxN/SiNyNanostruktur – Hochauflösendes XTEM

Kolumnare Struktur bei wenig Si (1.6 at.-% Si)

Homogene Struktur bei≈ verdoppeltem Silizium-Gehalt (Al-Gehalt x gleich)

5 nm 5 nm P757, P863 – images EPFL,M. Parlinska


Mikrostuktur (REM) von nACRox=0.49, kein Si (CrAlN) x=0.48, wenig Si x=0.49, viel Si

nACo x=0.45, viel Si

• Si-Zusatz lässt die Mikrostruktur von kolumnarnach isotrop wechseln

• Effekt analog zum Ti-basierten System• In Ti1-xAlxN/SiNy braucht man weniger Si,

um eine glasartige Struktur zu erzielen


Material: Vergüteter Stahl STC3, 45 HRC, - Wkz: zyl. HM-Schaftfräser, Ø 10 mm, z = 4vc=113 m min-1 - fz=0.042 mm – ap=15 mm – ae=0.2mm – n=3600 min-1 – vf=600 mm min-1, Emulsion

3. Produktive 3. Produktive Zerspanung Zerspanung mitmitNanokompositNanokomposit--SchichtenSchichten

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mete

rs m

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d u

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o V

B=

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mm

marketAlTiN

marketTiAlN

marketAlCrN

marketAlCrN II

µ-AlTiN

nACRo0.00

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0 20 40 60 80Cutting Length [m]

market AlTiN

market TiAlN

market AlCrN

market AlCrN II

nACRo

µ-AlTiN


Gravieren von rostfreiem Stahl mit nACo®

WkzWkz: : Gravierstichel dGravierstichel d11= 0.1mm in Edelstahl rostfrei 1.4435= 0.1mm in Edelstahl rostfrei 1.4435BearbeitungsBearbeitungs--ParPar.:.: n=26n=26’’000 RPM, 000 RPM, vf= vf= 250 mm/min (Eintauchen 25mm/min), 250 mm/min (Eintauchen 25mm/min),

Schlitztiefe = 0.25 mmSchlitztiefe = 0.25 mmStandzeitkriterium:Standzeitkriterium: WerkzeugbruchWerkzeugbruch=> => nAConACo--DDüünnschichtnnschicht kombiniert sehr guten Verschleisswiderstand, geringe kombiniert sehr guten Verschleisswiderstand, geringe Verklebungsneigung mit rostfreiem Stahl und eine scharfe SchneidVerklebungsneigung mit rostfreiem Stahl und eine scharfe Schneidee

source: DIXI outils SA

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A nACo® C

Coating


“Power Tapping” in Vergütungsstahl 42CrMo4

Starres Gewindeschneiden, Stahl 1.7225 mit 28 HRC, Gebos FRAISA X-tap-R (PM-HSS), Gewinde M6 x 9 mm, Sackloch, vc=20 mmin-1, n=1061min-1,Emulsion 7% extern, FEHLMANN CNC-Center, Kriterium: Lehrenhaltigkeit

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700VB1 [µm]

VB2VB3

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700VB1 [µm]

VB3 VB2

0108270432594810999124213501403

TiCN nACVIC


Material: Al-Knetlegierung, stranggepresste Profile Ø 20 mmWendeplatte: Iscar CCGT 09T302-AS IC20Parameter: f=0.1 mm/U, n=3000 min-1, ap=0.5 mm, Emulsion

Drehen von Aluminium-Profilen

Unterbrochener SchnittProblem: Schnelle Bildung einer Aufbauschneide an der WSP

=> Gratbildung am WerkstückLösung: nACVIC® (nACRo®+CBC): nach 600 gefertigten Teilen

immer noch gute Oberfläche, kein Ausschuss!

Quelle: Institut für Fertigungstechnologie, Grenchen


Bearbeiten von gehärteten Werkzeugstählen

Stahl 1.2344, 57 HRC, Kugelkopffräser Ø 10 mm, z=2, n=18500 min-1, fz=0.18mm, ap=0.25mm, ae=0.6mm, MMS

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Tool Life Lf [m]

nACo-MLH nACo-MLH

dedicated AlTiN dedicated AlTiN

Uncoated nACo-grad Si+

nACo-grad

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“

benötigt.

Al1-xTixN/SiNy Nanokomposit schlägt konventionelles Al0.65Ti0.35NOptimierung des Si-Gehalts brachte nochmalige Verbesserung

Bild: Röders GmbH, Deutschland


Trockenfräsen von Kaltarbeitsstahl 1.2379


Thermische Beständigkeit von nACRo-Schichten:Einfluss des Siliziumgehalts

• CrAlN ohne Silizium verliert bis zu 10 GPa nach Tempern bei 1000°C• Härtezuwachs („age hardening“) nach 2h Tempern bei 1000°C in Formiergas

(N2 / 8% H2) bei optimiertem Si-Gehalt!• Vergleichbar mit nACo (≥1100°C)

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400 500 600 700 800 900 1000 1100

P966, x=0.49

P965, x=0.61

P967, x=0.64

Har

dnes

s [G

Pa]

Annealing Temperature [ °C]

400 500 600 700 800 900 1000 1100

P870, x=0.41P859, x=0.45P862, x=0.48P863, x=0.51P867, x=0.57P868, x=0.54

Annealing Temperature [°C]

Cr1-xAlxN (ohne Si) Cr1-xAlxN/SiNy wenig Si Cr1-xAlxN/SiNy opt. Si

400 500 600 700 800 900 1000 1100

P1027, x=0.40P1031, x=0.45P1032, x=0.47P1034, x=0.50P1033, x=0.54P1035, x=0.50P1039, x=0.50

Annealing Temperature [°C]


Bearbeiten von SonderlegierungenBearbeiten von Sonderlegierungen– Drehen von Alloy 286

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50 m/min,0.25 mm/rev



75-85 m/min,0.35 mm/rev

75-85 m/min,0.40 mm/rev

Rem

oved

Mate

rial

[cm

3]

nACo #1223

nACRo #1220

Kennametal TiAlN

• ap = 1.25 mm, Emulsion• Beide Nanocomposite-Schichten stets besser als die TiAlN-Referenz• Grösster Vorteil bei höchster Produktivität!


Inconel 718 - Nuten fräsen• Langer Kontaktbogen zwischen Fräser und Werkstück, grosse Wärmebelastung• Gleichmässiger Verschleiss mit Mikroausbrüchen, Werkzeugecke relativ stabil• Effekt der Hightech-Schichten ist sichtbar, weitere Werkzeugoptimierungen aber nötig!

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5.0

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average

life

tim

e

[cm

3]

AlCrN

0506-1219

0506-1210

nACo D

nACRo Si+

FRAISA 5325.450 NX-V, Ø10 mm z=4, variable Helix 38/41°, γ = 0°, r=1 mm (kundenspez.)Testbedingungen: ae=10 mm, ap=2.5 mm, vc=25m/min, fz=0.025 mm


4. Zusammenfassung• Kontrolle der Nanostruktur durch Zusatz von Silizium zu Cr- and Ti-basierten

Me1-xAlxN-Systemen

• Thermische Stabilität bis >1000°C und age hardening bei Me1-xAlxN/SiNy(Me = Ti (nACo), Cr (nACRo)), im Gegensatz zu Me1-xAlxN-Systemen

• Zusatz von Silizium reduziert den Stress von Cr1-xAlxN/SiNy

• Beschichtung von (WC/Co), Werkzeugstählen, Cermets, PCBN

Höchste Zeitspanvolumina in Kohlenstoff-/niederlegierten Stählen beim Einsatz von nACRo® (Cr1-xAlxN/SiNy) Hohe Produktivität

Sowohl nACRo® als auch nACo® steigern die Produktivität bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen und Nickelbasis-Legierungen

nACo® (Ti1-xAlxN/SiNy) bleibt die erste Wahl für Hartbearbeitung und umweltfreundliche Trockenbearbeitung

nACVIC® bietet eine CBC (DLC)-Deckschicht für reibungskritische Fälle

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Senkung der Produktionskosten durch Verwendung von Nanocomposite-Schichten