In der Blech- und Massivumformung hat sich die PVD-Beschichtung von Presswerkzeugen gegenüber herkömmlichen Verfahren etabliert. Ursache ist der flexible Zuschnitt auf den geforderten Nutzen, zum Beispiel auf gesteigerte Standzeiten oder effizientere Produktionsprozesse.
Bei der Produktion eines Rahmensegments für einen Mittelklassewagen hatte ein großer deutscher Automobilhersteller beim Ziehen der Teile – Tailored Blanks mit verzinkter Oberfläche – mit Verschleiß an den Ziehradien sowie Zinkaufbau und -abrieb zu kämpfen. Das Problem löste die Titan-Aluminiumnitrid-(TiAlN)-Schicht Balinit Lumena der Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH, Bingen. Damit wurden seit mittlerweile einem Jahr über 400 000 Teile ohne Nacharbeit am Werkzeug produziert. Darüber hinaus bot die PVD-(Physical-Vapor-Deposition)-Hartstoffschicht weitere wesentliche Vorteile, verglichen mit einer herkömmlichen CVD-(Chemical-Vapor-Deposition)-Schicht auf Titankarbid-Titannitrid-Basis.
Der CVD-Schichtauftrag bei hohen Temperaturen von rund 1000 °C führt zum Verzug der Werkzeugbacken und zu entsprechendem Nachbearbeitungsaufwand wie Schleifen und Einpassen. Zudem benötigen die Umformsegmente eine anschließende Wärmebehandlung, da CVD-Verfahren oberhalb der Anlassbeständigkeiten von Werkzeugstählen arbeiten. Dagegen findet die PVD-Beschichtung bei niedrigen Temperaturen zwischen 200 und 500 °C statt und beeinträchtigt die erforderliche hohe Maßgenauigkeit der Werkzeuge nicht. Auch die Werkzeughärte ändert sich nicht. Ein Entschichten ist beliebig oft möglich.
Die genannten Vorzüge haben dazu geführt, dass PVD-Beschichtungen in der Blech- und Massivumformung zunehmend konventionelle Verfahren zur Oberflächenbehandlung ablösen. Inzwischen nutzen fast alle Autohersteller und viele Zulieferer PVD-beschichtete Werkzeuge etwa zum Tiefziehen, Biegen und Gesenkbiegen oder als Stempel und Matrizen zum Napfen. Die Gründe liegen vor allem in der hohen Flexibilität und wachsenden Leistungsfähigkeit der PVD-Technik, die sich auf den jeweils geforderten Nutzen genau zuschneiden lässt und den Anwendern im Produktionsprozess mehr Freiheiten verschafft als vergleichbare Verfahren.
Grundsätzlich lassen sich mit dem Plasma-Beschichtungsprozess im Hochvakuum eine Fülle von Schichtvarianten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften in hohen Stückzahlen präzise und reproduzierbar aufbringen. Die so erzeugten verschleißfesten und gut gleitenden Schichten sind deutlich härter als Hartmetall, bilden Werkzeugkonturen maßgetreu ab und erfordern keinerlei Nacharbeiten.
PVD-Schichten wie die eingangs erwähnte auf der Basis von TiAlN besitzen eine sehr hohe Mikrohärte von 3400 HV und bieten hohen Verschleißschutz auch bei starker mechanischer Beanspruchung. Sie lassen sich gut anwenden beim Umformen von Blechmaterial aus höher- bis hochfesten Stählen. Mit entsprechenden TiAlN-Schichten konnten Autohersteller und Zulieferer typische Umformprobleme wie Kaltaufschweißungen auf Werkzeugen oder Abrieb auf Werkstücken lösen. Dabei ging es beispielsweise um das Umformen verzinkter Edelstahl-Doppelbleche der Dicken 0,5 und 0,7 mm für Schalldämpfer von Automobil-Abgasanlagen – ein Fertigungsprozess mit hohen Stückzahlen von 5000 Teilen/Tag.
In einem anderen Fall kam es zu extremem Abrasionsverschleiß und kostenintensivem Produktionsausfall beim Umformen megahochfester Stahlbleche mit einer Zugfestigkeit von 1200 MPa für Türaufprallträger. Seit der Umstellung auf die PVD-Schicht läuft der Prozess mit inzwischen über einer Million umgeformten Teilen.
TiAlN-Schichten eignen sich für zahlreiche weitere Einsatzzwecke, zum Beispiel für die Bearbeitung von Federstahl oder für Prozesse mit starker Rückfederung. Auch Schubspannungen etwa beim Umformen von Werkstoffen mit martensitischen Bestandteilen nimmt die Nanostruktur der Schichten problemlos auf. Mit TiAlN-beschichteten Werkzeugen lassen sich selbst 4 mm dicke Bleche umformen. Standzeiten mit bis zu einer Million Hüben wurden erreicht.
Geht es um das Umformen von Aluminium, etwa im automobilen Leichtbau, so eignen sich besonders metallhaltige und -freie DLC-Kohlenstoffschichten oder eine doppellagige Schichtkombination von DLC mit TiAlN. Entsprechend beschichtete Werkzeuge können unter Einsatz von Trockenschmierstoffen und zum Teil auch ohne Schmiermittel arbeiten. Selbst unter diesen schwierigen Einsatzbedingungen kommt es nicht zu adhäsivem Verschleiß und entsprechenden Verschweißungen. Dabei spielt das Material TiAlN seine hohe Härte aus, während die DLC-Schicht den Reibwert deutlich senkt, wenn Werkzeug und Blech aufeinandertreffen. So werden größere Anhaftungen verhindert und die Reinigung erleichtert. Die Hybridschicht eignet sich daher besonders für das Umformen verzinkter Bleche und vermindert dabei Kaltaufschweißungen auf den Werkzeugbacken.
Klaus Springer Technischer Kundenberater bei der Oer-likon Balzers Coating Germany GmbH, Bingen
Selbst 4 mm dicke Bleche lassen sich umformen
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