CVD-Beschichtungen für Formgebungs- und Umformwerkzeuge

Entdecken Sie die Vorteile von CVD-Beschichtungen zur Erhöhung der Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit von Formwerkzeugen

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Ionbond™ CVD-Beschichtungen für die anspruchsvollsten Umformungsanwendungen unter rauen Bedingungen

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist die älteste Abscheidungstechnologie für verschleißfeste Beschichtungen für industrielle Umformanwendungen. Moderne CVD-Anlagen gewährleisten einen robusten und zuverlässigen Betrieb und hohe Ausbeuteraten. Dies hat dazu geführt, dass CVD für bestimmte Anwendungen, wie z. B. Metallumformungswerkzeuge und Strangpresswerkzeuge, sehr beliebt ist. Diese Werkzeuge sind rauen Umgebungsbedingungen in Form von abrasivem und adhäsivem Verschleiß sowie Oxidation und Korrosion ausgesetzt, und CVD-Beschichtungen verleihen ihnen eine extreme Zähigkeit und Verschleißfestigkeit.

Fallstudien

Fallstudien zu Umformung und Formgebung

Holen Sie sich jetzt die Fallstudien und entdecken Sie selbst die beeindruckende Leistungsfähigkeit unserer vielseitigen und hochwertigen Beschichtungslösungen bei unterschiedlichen Umformanwendungen.

38 Seiten | 30 Minuten sinnvoll genutzt

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Äußerst wünschenswerte Eigenschaften und Flexibilität

Zu den Vorteilen von CVD-Verfahren gehören::

  • Vorteilhaftes Eigenspannungsprofil, das die Abscheidung von dicken CVD-Schichten (20 µm und mehr) ermöglicht
  • CVD-Schichten mit extremer Zähigkeit und unübertroffener Schlagzähigkeit
  • Hohe Haftung der CVD-Beschichtung auf Werkzeugen durch Interdiffusion zwischen CVD-Beschichtung und Grundmaterial
  • Die zu beschichtenden Werkzeuge müssen in der Retorte nicht gedreht werden.
  • Die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu beschichten, einschließlich bestimmter Innendurchmesser
  • Ausgezeichnete Beschichtungsgleichmäßigkeit, unabhängig von der Werkzeuggeometrie

Die CVD-Technologie ermöglicht die Herstellung von Schichten auf der Basis von Titan (Ti) oder Chrom (Cr) in Form von Nitriden (N), Carbiden (C) und Carbonitriden (CN). Darüber hinaus können hochwertige Aluminiumoxidschichten (Al2O3 ) sowohl in der α- als auch in der κ-Phase erzeugt werden. Diese CVD-Schichten werden fast immer als Multilayer abgeschieden, z. B. TiC/TiN, TiN/TiCN/TiN, TiCN/Al2 O3 oder TiCN/Al2O3 /TiN, wobei die Schichtkombination auf die Anforderungen einer bestimmten Umformanwendung abgestimmt ist. Die Schichtdicke liegt in der Regel zwischen 5 µm und 12 µm, in einigen Fällen können die Schichten aber auch 20 µm oder mehr dick sein.

Die verschiedenen CVD-Ti-Beschichtungsstrukturen und ihre Vorteile

TiC

Eine durch CVD abgeschiedene TiC-Schicht bietet einen niedrigen Reibungskoeffizienten, hohe Zähigkeit und hohe Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß. Dies ist vorteilhaft für Umformanwendungen wie die Kaltumformung von ferritischem und austenitischem nichtrostendem Stahl, hochfesten niedriglegierten Stählen (HSLA), hochfesten Stählen (AHSS) und Stahlwerkstücken mit einer Dicke von mehr als 2 mm.

TiN/TiC/TiN-Mehrschichtstruktur oder TiCN Mischkristall

Die Kombination von einzeln abgeschiedenen TiN- oder TiC-Beschichtungen in einer TiN/TiC/TiN-Mehrschichtstruktur oder in einem TiCN-Mischkristall erhöht dieLeistung bei Umformanwendungen weiter. TiCN ist die bevorzugte Beschichtungslösung für leichte bis mittelschwere Metallumformungsanwendungen mit rostfreien Stählen, HSLA und Stahlwerkstücken mit einer Dicke von > 3 mm. Die mehrlagige CVD-Beschichtung TiN/TiC/TiN weist eine extreme Zähigkeit bei Schlagbeanspruchung und eine hervorragende Haftung zwischen der Beschichtung und dem Werkzeug auf, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für das Kaltschmieden von Stählen und das Warm- oder Warmfließpressen von Keramiken oder Nichteisenlegierungen macht.

Al2O3

Die CVD-Abscheidung von Al2O3  kann die Oxidationsbeständigkeit und die Warmhärte unter aggressiven Bedingungen, z. B. bei der Hochtemperaturumformung, weiter verbessern. Al2O3 kann in der α-Phase (thermodynamisch stabil) oder der κ-Phase (metastabil) abgeschieden werden und wird häufig in einer Mehrschichtstruktur auf TiC oder TiCN abgeschieden. Eine Al2O3 -Schicht weist eine ausgezeichnete thermische Stabilität, chemische Inertheit und eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion, abrasiven Verschleiß und adhäsiven Verschleiß auf. Das macht sie zur führenden Beschichtungslösung für das Warmstrangpressen sowohl von Eisen- als auch von Nichteisen-Legierungen.

Mehrlagige TiCN/Al2O3/TiN-Beschichtung

Eine mehrlagige TiCN/Al2 O3 /TiN-Beschichtung schließlich vereint die wichtigsten Vorteile der einzelnen Schichten. Die TiCN-Gleitschicht gewährleistet eine hohe Verschleißfestigkeit und bietet eine hervorragende Haftung am Werkzeug. Die Schicht Al2 O3 weist eine ausgezeichnete thermische Stabilität, hohe Warmhärte und extreme Verschleißfestigkeit auf. Und die TiN-Deckschicht kann zur Verschleißerkennung während der Lebensdauer des beschichteten Formwerkzeugs verwendet werden.

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Geeignet für viele Werkzeugstähle mit Wärmebehandlung nach der Beschichtung

Thermische CVD ist ein wärmeaktiviertes Verfahren, bei dem die zu beschichtenden Werkzeuge auf eine geeignete Temperatur erhitzt und einem oder mehreren festen oder flüssigen Vorläufern ausgesetzt werden. Zum Beispiel die Halogenide TiCl4 , AlCl3 oder CrCl3 . In Verbindung mit bestimmten reaktiven Gasen wie H2 , N2 oder CH4, reagieren die Halogenidvorläufer auf der Werkzeugoberfläche und erzeugen die gewünschte Beschichtung. Die Abbildung zeigt die schematische Darstellung eines CVD-Prozesses. Durch Kombination der Vorstufen TiCl4 und CH4 bei 1.000 °C entsteht eine TiC-Schicht.

TiCl4 + CH4TiC + 4 HCl

Die typische Prozesstemperatur für CVD-Beschichtungen liegt zwischen 900 °C und 1.050 °C für Hochtemperatur-CVD (HT) und zwischen 720 °C und 900 °C für die MT-CVD-Verfahren von IHI Bernex. Diese hohen Prozesstemperaturen können dazu führen, dass bestimmte Grundwerkstoffe für CVD ungeeignet sind oder eine Wärmebehandlung der Werkzeuge nach der Beschichtung erforderlich ist. Die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung sollte jedoch nicht von der Anwendung von CVD-Verfahren auf Werkzeugstähle abhalten. Die CVD-Beschichtung wird durch die Wärmebehandlung nach der Beschichtung nicht beeinträchtigt. Wenn die Wärmebehandlung unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird, behält die CVD-Schicht ihre mechanischen Eigenschaften und ihre Haftung am Werkzeug

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Auswahl von Wärmebehandlungsparametern zur Anpassung an das Grundmaterial

Durch die sorgfältige Auswahl der CVD-Beschichtung und der Wärmebehandlungsparameter tragen die Oberflächeningenieure von Ionbond dazu bei, übermäßigen thermischen Verzug der beschichteten Werkzeuge nach der Wärmebehandlung zu verhindern. Dies kann für gängige Kalt- und Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle erfolgen, siehe Tabelle. Austenitischer nichtrostender Stahl kann sogar mit CVD bearbeitet werden, ohne dass eine Wärmebehandlung nach der Beschichtung erforderlich ist, da er unterhalb der CVD-Verfahrenstemperatur keine Phasenumwandlung erfährt. Eine weitere Ausnahme ist der wärmebehandelte martensitische nichtrostende Stahl. Dieser kann auch bei einer niedrigeren Temperatur verarbeitet werden, so dass es möglich ist, die Kernhärte im Bereich von 35 bis 40 HRC durch MT-CVD beizubehalten.

Tabelle: Übersicht über Grundwerkstoffe für Umform- und Spritzgusswerkzeuge, gängige Arten von CVD-Beschichtungen und erforderliche Wärmebehandlungen nach der Beschichtung™.

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Tobias Brögelmann, Globaler Segmentleiter Umformung und Formgebung, wird Sie gerne untersützen.

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Dr. Ing. Tobias Brögelmann

Globaler Segmentleiter Umformung und Formgebung

Beschichtungsanwendungen für Umform- & Urformwerkzeuge

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