Oberflächentechnik

Gesamtheit betrachtet

28.09.2006 | Redakteur:

PVD-Beschichtung von Umform- und Stanzwerkzeugen führt bei hochfesten Stahlblechen zu einer Kostenreduzierung....

PVD-Beschichtung von Umform- und Stanzwerkzeugen führt bei hochfesten Stahlblechen zu einer KostenreduzierungIn der Stanz- und Umformtechnik ist ein zunehmender Trend zu höherfesten Stählen für bestimmte Bauelemente und Komponenten festzustellen. Dies bedeutet, es entstehen fertigungstechnische Probleme aufgrund der hohen Abrasion im Umformprozess. Ist aber erst einmal die harte Nuss geknackt, solche hochfesten Werkstoffe in wirtschaftlich verträglicher Losgröße zu verarbeiten, so wollen auch andere Marktsegmente diesen Vorteil nutzen. Selbst unter extremen Anforderungen lässt sich die Produktivität noch steigern. Selbstverständlich lassen sich auch derartige Ergebnisse aus Laborversuchen und parallel bestätigender Praxiseinsätze auf jede nicht so hoch beanspruchte Anwendung „herunterbrechen“. Es gibt bereits etablierte Anwendungen, für die Stähle der Festigkeitsklassen von etwa 400 bis 1200 MPa verarbeitet werden.

Martensitische Anteile erhöhen den Verschleiß

Mit Hilfe geeigneter Parameter lassen sich Auswirkungen chemischer Stoffe untereinander vergleichen (Tabelle). Jedoch wird die jeweilige Anwendung durch die Wechselwirkung verschiedener Einflussgrößen bestimmt. Daher kann die Stahlhärte beispielsweise als ein Indiz für die positiv wirkenden Eigenschaften der Balinit-Schichtreihe von Balzers herangezogen werden.Je nach Zusammensetzung und Verarbeitung der Blechwerkstoffe können martensitische Anteile im Halbzeug enthalten sein, die eine Vickershärte von 700 bis 1150 HV haben. Ferrit hat im Vergleich dazu eine Härte von nur 150 HV. Balzers ist es gelungen, mit der Schicht Balinit Lumena den hochabrasiven Blechwerkstoffen im Umformprozess „die Stirn“ zu bieten.Das schwächste Glied in der Kette führt zum vorzeitigen Versagen des Umform- oder Stanzprozesses. So sind neben der ausgewählten Schicht mit ihren chemisch und mechanisch wirkenden Eigenschaften zusätzliche Einflussgrößen hinsichtlich der Prozesssicherheit zu beachten: - Wesentliche Einflussgrößen sind die mechanische Bearbeitung der Werkzeugoberfläche sowie die Wärmebehandlung, also Härteverfahren verschiedener Art. - Die Vorbehandlung und Vorbearbeitung der Werkzeugoberfläche beeinflusst die Werkzeug-Topografie.- Tribologische Einflussgrößen sind prozessbestimmend. Dazu gehören Größen wie die mechanischen Eigenschaften der Blechwerkstoffe, die Gleitgeschwindigkeit, Schmierung, Blechtopografie sowie der Spannungs- und Dehnungszustand des Werkstoffs. Die Flächenpressung (SN) wirkt auf die geometrischen Formflächen und die Blechbeschichtung und hat somit auch Einfluss auf die Prozesssicherheit. Gegebenenfalls hilft eine verfahrensabhängige Nachbehandlung der Schicht weiter.Nicht nur wegen der angewandten Presskraft und Umformverhältnisse sollen die mechanischen Eigenschaften von Werkzeugwerkstoffen auf den Umform- oder Stanzprozess abgestimmt sein, sondern auch aufgrund des Eierschaleneffekts dünner Hartstoffschichten. Dünne Hartstoffschichten (zum Beispiel PVD-Schichten) brechen entweder aufgrund der mangelnden Druckfestigkeit des Werkzeugwerkstoffs - also wegen eines zu weichen Substrats - oder infolge zu hoher Flächenpressung auf den „Peaks“ der topografischen Oberfläche. Es bedarf einer Mindest-Substrathärte von 59 HRc. Die Spannungsverhältnisse übersteigen dabei die Haftkraft der Schicht: Es kommt zu Abplatzungen. Darum bedarf es einer ausreichenden Substrathärte in Bezug auf die vorherrschenden Kräfte bei der jeweiligen Anwendung. In keinem Fall darf man die Substrathärte durch Randschichthärten erzeugen.Zum Bearbeiten hochfester Werkstoffe ist außer der Druckfestigkeit auch ein ausreichender Verschleißwiderstand erforderlich. Trotz der Anwesenheit karbidbildender Legierungselemente sind jedoch den sonst bewährten und kostengünstigen Bearbeitungsstählen bezüglich des zu erreichenden Verschleißwiderstands Grenzen gesetzt. Sie werden durch die eingebetteten Gefügephasen wie Ferrit, Bainit, Martensit und Restaustenit erreicht. Außerdem sollen die Bearbeitungsstähle eine ausreichende Zähigkeit haben, die sich ebenfalls durch Legierungszusätze erreichen lässt. Zähigkeit und Härte sind gewünschte, aber gegenläufige Eigenschaften von Stahl.

Wirtschaftlichkeit zwingt zur Rationalisierung

Der Verschleißwiderstand der Werkzeugstähle kann nur durch nachgeschaltete Verfahren weiter gesteigert werden, etwa durch Beschichten im PVD-Verfahren. Zwecks Kostenreduzierung ist dabei jedoch die Anzahl der Prozesse zur Herstellung des Werkzeugs so gering wie möglich zu halten. Zwar sind die gewünschten Eigenschaften des Werkzeugstahls oft gegenläufig - wie Verschleißwiderstand und Zähigkeit zeigen -, doch können sie durch geschickte Kombinationen werkstofflicher und verfahrenstechnischer Möglichkeiten weitestgehend kompensiert werden. Nur eine Gesamtbetrachtung der Prozesskette berücksichtigt alle Parameter zur Steigerung der Werkzeugverfügbarkeit.Zweck der Werkzeugbeschichtung ist nicht nur die Machbarkeit, sondern auch eine dauerhafte Fertigungsstabilität - und zwar unter Einschluss aller Prozesseinflussgrößen. Eine hinreichende Kontinuität ist also gewünscht und sie bestimmt die Effizienz: Herstellungskosten plus Fertigungskosten sind ganzheitlich zu kalkulieren.In der Regel steht die Härte eines Werkzeugstahls für den Abriebswiderstand. Dieser wird durch Wärmebehandlung und Karbidbildung infolge des Kohlenstoffgehalts sowie bestimmter Legierungselemente im Stahl erreicht. Eine noch höhere Härte bedeutet, dass andere chemische Verbindungen erzeugt werden müssen. So sind Nitride, also Stickstoffverbindungen, härter als Karbide. Hier ist nicht das Nitrieren gemeint, das lediglich eine Verspannung des Atomgitters bewirkt und somit auch einen gewissen Verschleißschutz erreicht. Solche harten Stickstoff-Verbindungen lassen sich bei den meisten Werkzeugstählen im PVD-Verfahren bilden - und das bei Prozesstemperaturen, die nicht die Anlassbeständigkeit der Stähle beeinträchtigen. Die Nitride selbst sind jedoch in einem weitaus höheren Anwendungsbereich noch temperaturbeständig.Bei hohen Umformkräften und unter Einbeziehung sowie Berücksichtigung der oben genannten Einflussgrößen muss die hochwertig ausgewählte PVD-Schicht in der Lage sein, entsprechend hohe Schubspannungen aufnehmen zu können. Darum sollte die Druckeigenspannung der Schicht einerseits so gering wie möglich und andererseits die Haftung noch ausreichend hoch sein sowie die Abriebfestigkeit der Anwendung genügen. Natürlich ist die Werkstoffdicke eine weitere Einflussgröße auf die Standzeit. Um so mehr muss auf die Druckfestigkeit des Werkzeugstahls geachtet werden. Je nach Gegebenheit lässt sich als Werkstoff zum Beispiel HSS, PM-Stahl oder Hartmetall verwenden. Um die Zerspanbarkeit und die Schweißbarkeit zu erfahren, sollte der Stahlhersteller befragt werden. Die Verfahren zur Schichtabscheidung im PVD-Verfahren auf Metallen wurden von Balzers weiterentwickelt. Sie ermöglichen eine prozesssichere und reproduzierbare Abscheidung innovativer Schichtwerkstoffe. Aufgrund solcher Schichten und Schichtkombinationen können damit auch größere Schichtendicken erzeugt werden, ohne dass die Haftung zum Substrat eingeschränkt wird. Auch wenn hohe Schubspannungen beim Umformen hochfester Stahlbleche auf die Schicht Balinit Lumena einwirken, nimmt diese die Spannungen auf - dank einer ausreichenden Haftung. Kennzeichnend für diese Verschleißschutzschicht sind - außer der technischen Vergleichbarkeit mit einer chemisch kovalenten Schicht - auch monetäre Leistungsvorteile: ohne Verzug oder Wachstum des Werkzeugstahls. Außerdem wird eine aufwendige Vor- und Nachbehandlung eingespart.Je nach Gegebenheiten ist die Geometrie des Blechteils im Werkzeug zu beachten. Denn Stahlsorten mit niedriger Festigkeit haben keine so hohe Rückfederung, wie sich anhand des ZStE- und DP-Stahlblechs bei gleichen Prozessparametern zeigen lässt. Idealerweise wird mit dem Beschichter vor der Werkzeugauslegung Rücksprache genommen. Werkzeugbauer und Beschichter sind in die Planungsphase einbezogen. Wegen der hohen Flächenpressung sollten scharfe Kanten und Eckradien konstruktiv vermieden werden, weil Schutzschichten derselben Flächenpressung wie Stahloberflächen unterliegen. Schließlich sollte das Werkzeug so ausgelegt sein, dass eine gleichmäßige Kräfteverteilung im Werkzeug vorherrscht. Diese optimierten Voraussetzungen begünstigen die Wirksamkeit einer PVD-Verschleißschutzschicht, der die Werkzeugstandzeit um ein Vielfaches verlängert.

Hoher Schutz vor Abrasion bei Martensitphasenstahl

Werden die Anwendungsbedingungen beachtet, ist beispielsweise beim Hohlprägen (DIN 8582) - eine Variante des Zugumformens mit gerundeten Konturen - selbst bei hohen Prozessanforderungen ein ausreichender Werkzeug-Verschleißschutz möglich. Dieses Beispiel aus dem Automobilbau zeigt das Umformen eines Werkstoffs mit der Dehngrenze Rm von 1000 bis 1200 MPa, also eines Martensitphasenstahls (Handelsname MS-W 1200). Das Produkt ist als sicherheitsrelevantes Bauteil ausgelegt. Das warmgewalzte und sonderbehandelte Warmband mit 1,8 mm Dicke erhält zur Erhöhung der Steifigkeit ein Wellenprofil, das in der zweiten Stufe quer zur Profilierung nochmals verformt wird. Solch ein Fertigungsprozess kann als einer der höchsten Herausforderungen angesehen werden, wenn in Bezug zur enormen Beanspruchung Standzeiten von mehr als 125000 Hub erreicht werden und die Balinit-Lumena-Schicht noch nicht verschlissen ist. Bild 5 zeigt, wie im Vergleich mit der Schicht Balinit Lumena eine CVD-Abscheidung von Titancarbid abschneidet: bei einem Halter im Kraftfahrzeug, Komponente „Fahrwerk“. Das dazu verwendete Umformwerkzeug wurde aus pulvermetallurgisch hergestelltem Werkzeugstahl (PM-Stahl) gefertigt und beschichtet. Bei den Blechen entschied man sich für den Werkstoff S 420MC mit der Zugfestigkeit Rm von 480 bis 620 MPa, also für den Stahl Q StE 420 (Werkstoff-Nummer 1.0980). Die Tiefziehmatrize aus PM-Stahl formt den Federbeinhalter in sieben Ziehstufen, bei einer eingestellten Oberflächenrauheit N3. Ein weiterer vorteilhafter Vergleich verdeutlicht das Einsparungspotenzial, wenn ausschließlich die Effektivkosten - bezogen auf wegfallende Prozesse bei gleicher Standmenge, also ohne die Betrachtung technischer Vorteile - nachkalkuliert werden. So entfallen die Kosten für zwei Produktionsausfallzeiten, zweimalige Instandsetzungs- und Rüstkosten und für das viermalige Nachpolieren - bezogen auf die neue Standzeit. Darüber hinaus entstehen keine zusätzlichen Kosten zur Einstellung einer höheren Oberflächengüte. Diese Kosteneinsparung entspricht bezüglich der Balinit-Lumena-Lebensdauerperiode dem zehnfachen PVD-Beschichtungswert. Das heißt: Die Beschichtungskosten amortisieren sich bereits nach 24000 Teilen, also noch unterhalb der CVD-Standmenge, bei der ein Aufpolieren erforderlich wurde.

Vorteile trotz duktiler Feuerverzinkung

Sogar bei einem Bake-Hardening-Stahlblech (ZStE 220 BH) hat Balzers - trotz der duktilen Feuerverzinkung - im Vergleich zu einer CVD-Abscheidung einen beachtlichen Erfolg mit der PVD-Schicht Balinit Lumena erzielt. Das Kundenprojekt aus der Automobilindustrie ist noch nicht abgeschlossen. Etwa die Hälfte der zu erwartenden Standmenge wurde erreicht. Es wird bislang bestätigt, dass die Schutzschicht Balinit Lumena auch ein Aufschmieren duktiler Werkstoffe verhindern kann, sofern bestimmte Voraussetzungen gegeben sind und ohne dass mit einer kostenträchtigeren Kombinationsschicht gearbeitet werden muss. Ebenso hat sich gezeigt, dass die hohen Kräfte beim Umformen des Stahlblechs von der Schicht aufgenommen werden. Dahinein wirken die nicht ausgewogene Kräfteverteilung des verwendeten Tailered Blanks im Werkzeug, die hohe Abrasion an der Schweißnaht sowie der Formänderungswiderstand aufgrund der bis zu 400 MPa hohen Bruchfestigkeit des Werkstoffs.Es ist festzustellen, dass immer mehr Entscheider wie Planer, Konstrukteur und Werkzeugbauer die Beschichtung in die prozessorientierte Kalkulation einbeziehen, werden doch bereits im Vorfeld der Fertigung die Weichen für vermeidbare Folgekosten gestellt. Nur so lässt sich das Einsparungspotenzial berechnen.