VDI 3824 Blatt 2-1997 Quality assurance of PVD and CVD hard coatings - Requirements on tools and components to be coated.pdf

1、ICS 03.120.10; 25.220.30 VDI-RICHTLINIEN Februar 1997VEREINDEUTSCHERINGENIEUREQualittssicherungbei PVD- und CVD-HartstoffbeschichtungenAnforderungen an zu beschichtende Werkzeuge und BauteileVDI 3824Blatt 2Quality assurance of PVD and CVD hard coatingsRequirements on tools and componentsto be coated

2、Inhalt SeiteVorwort 31 Geltungsbereich 32 Beschichtbare Werkstoffe 43 Anforderungen an zu beschichtende Werkzeuge und Bauteile 43.1 Eigenschaften des Grundmaterials 43.1.1 Hrte und Festigkeit 43.1.2 Temperaturbestndigkeit 43.2 Geometrie/Konstruktive Manahmen 53.3 Oberflchenzustand 53.4 Verpackung (K

3、onservierung und Transport/Anlieferung) 5Schrifttum 6Formblatt (Fragebogen) 7VDI-Gesellschaft WerkstofftechnikAusschu Qualittssicherung PVD/CVD-HartstoffschichtenVDI-Handbuch WerkstofftechnikVDI-Handbuch Betriebstechnik, Teil 1VDI-Handbuch KonstruktionB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF83

4、68C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1997 VDI382

5、4 Blatt 2 -3-VorwortDer Fachausschu Quahttssicherung des Fachbereiches Oberflche/Beschichtungen in der VDI-Gesell-schaft Werkstofftechnik hat diese Richtlinie erarbeitet, um zur Qualittssicherung PVD-oder CVD-be-schichteter Werkzeuge und Bauteile beizutragen. Siegreift proze- und produktspezifische

6、Aspekte desQualittmanagements bei der Hartstoffbeschichtungheraus und kann einerseits als Leitfaden fr die Verstndigung zwischen Anwendern und Beschichtemdienen, andererseits werden notwendige Voraussetzungen an eine anforderungsgerechte Hartstoffbeschichtung verdeutlicht. Die Richtlinie trgt so zur

7、Qualittssicherung im Sinne der aktuellen Begriffsnormung bei, nmlich zur Darlegung von QM-Ele-menten dem Anwender gegenber mit dem Ziel, Vertrauen in die Erfllung seiner Qualittsforderungen zuschaffen.Die Richtlinie umfat folgende Teile:Blatt 1: Eigenschaftsprofile und Anwendungsgebiete von Hartstof

8、fschichten (in Bearbeitung)Blatt 2: Anforderungen an zu beschichtende Werkzeuge und BauteileBlatt 3: Fertigungsablufe und -ttigkeiten (Grndruck)Blatt 4: Prfplanung fr die Hartstoffbeschichtung(in Vorbereitung)Mit dem vorliegenden Teil Anforderungen an zu beschichtende Werkzeuge und Bauteile“ wird ve

9、rdeutlicht, da auch der Kunde des Beschichtungsserviceeinen wesentlichen Anteil zur Qualitt des beschichteten Werkstckes beitrgt.Die spezifischen Eigenschaften der Beschichtung undder Beschichtungsprozesse fhren zwangslufig zuden inhaltlichen Forderungen der Richtlinie.1 GeltungsbereichDer PVD-Besch

10、ichtungsproze ist ein Proze, der imHochvakuum (bei einem Millionstel Teil des atmosphrischen Druckes), bei hohen Temperaturen (bis550 C) und in einer hochreaktiven Umgebung(Plasma) stattfindet.CVD-Beschichtungsprozesse laufen in der Regel unter atmosphrischen bis Grobvakuumbedingungenund Temperature

11、n bis zu ca. 1 000 C, teils mit Plasmauntersttzung, ab.Der Leistungsunterschied unbeschichteter und beschichteter Werkzeuge wird durch eine wenige Tausendstel Millimeter dnne Schicht bewirkt. Die erwnschte Verschleifestigkeit des beschichtetenWerkzeuges kann nur bei hoher Haftfestigkeit derBeschicht

12、ung auf der Werkzeugoberflche erreichtwerden. Es ist daher unabdingbar, da die Werkzeugoberflche optimal fr die Beschichtung vorbereitet, d.h. frei von Fremdschichten“ jeglicher Art ist.Korrosionsschichten, aber auch durch die Fertigungder Teile bereits vorgeschdigte Bereiche an derWerkzeugoberflche

13、 knnen ein Vielfaches der Hartstoffschichtdicke erreichen. Solche Oberflchen sindBeispiele fr nicht beschichtungsgerechte“ Zustnde.Die Beschichtung bestimmt als letzter Fertigungsschritt im wesentlichen Mae die Leistungsfhigkeitdes Werkzeuges, die Qualitt der Beschichtung ergibtsich jedoch als das E

14、rgebnis aller Fertigungsschritte.Wenn die hier genannten einzelnen Empfehlungen befolgt werden, werden auch Lieferzeiten des Lohnbe-schichters verkrzbar, weil der Arbeitsablauf beimBeschichten effizienter durchfhrbar wird.Permanente Kommunikation zwischen Kunde undBeschichtungsservice ist zur optima

15、len Auftragsabwicklung notwendig. Zum Beispiel knnen trotz sorgfltiger Vorreinigung der Bauteile Verunreinigungenwhrend des Prozesses frei werden, insbesondere ausRissen, Poren oder Fgespalten; sie vermindern dieBeschichtungsqualitt sehr. Als Basis hierfr ist dasim Anhang dargestellte Formblatt zu b

16、etrachten, dassorgfaltigst auszufllen ist.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-4- VDI 3824 Blatt 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 19972 Beschichtbare WerkstoffeMit den

17、 PVD- und CVD-Verfahren knnen alle Materialien beschichtet werden, die bei der Beschichtungs-temperatur im festen Zustand bleiben, keine schdlichen Ausgasungen aufweisen sowie keine sich funktionell negativ auswirkenden Materialumwandlungenzeigen. Prinzipiell knnen somit alle Sthle, Hartmetalle, Met

18、alle und deren Legierungen, Keramiken,Glas und Kunststoffe bei geeigneter Prozefhrungbeschichtet werden.Metallische Standardmaterialien sind:- Schnellarbeitssthle (z.B. fr spanende Werkzeuge)- Kalt- und Warmarbeitssthle (z.B. fr Umformwerkzeuge)- hrtbare nichtrostende Sthle (z.B. fr Kunststoffformen

19、)- niedriglegierte Sthle wie Kugellagerstahl(z.B. fr Pumpenelemente)(Niedrigtemperaturbeschichtung bei ca. 200 erforderlich)- Hartmetalle (z.B. Schneidwerkzeuge)- CermetsSondermaterialien sind z.B.:- Kupfer und dessen Legierungen- Aluminium und dessen Legierungen- Superlegierungen- Keramiken- Glser-

20、 Kunststoffe- VerbundwerkstoffeDie Beschichtung der genannten Sondermaterialienim Mastab industrieller Produktion ist fr die verschiedenen Verfahren unterschiedlich weit fortgeschritten. Daher sind fr Sondermaterialien oft angepate Technologieentwicklungen notwendig.Nicht beschichtbare Materialien s

21、ind z.B.- Zinn- Zink- BleiBei Porositt, wie z.B. bei Sintermaterialien, ist dieRcksprache mit dem Beschichter anzuraten.3 Anforderungen an zu beschichtendeWerkzeuge und Bauteile3.1 Eigenschaften des Grundmaterials3.1.1 Hrte und FestigkeitAuf Werkzeuge und Bauteile wirken in der RegelVolumenbeanspruc

22、hungen und Oberflchenbeanspruchungen ein.Die Volumenbeanspruchung entspricht dabei der ueren Krafteinwirkung, die das Teil auf Zug, Druckund Biegung beansprucht. Voraussetzung fr einen erfolgreichen Einsatz beschichteter Teile ist naturgemdie Einstellung einer hinreichenden Festigkeit des unbeschich

23、teten Teiles, so da das Teil im unbeschichteten und beschichteten Zustand die Volumenbeanspruchung ertragen kann.Die Oberflchenbeanspruchung resultiert aus der unmittelbaren Wechselwirkung mit dem Reibpartner,dem Zwischenstoff und dem Umgebungsmedium.Das zu beschichtende Teil mu eine der Beanspruchu

24、ng der Oberflche entsprechende Sttzwirkung frdie Hartstoffschicht durch eine hinreichende Hrteaufweisen, ansonsten kommt es beim Kontakt mitdem Reibpartner (Flchenpressung) oder beim Einwirken von Abrasivteilchen (Punktbelastung) zur Verformung des oberflchennahen Bereiches, wodurchdie Schicht gesch

25、digt wird.Deshalb mu die Hrte/Festigkeit dieses Grundwerkstoffes mindestens den Wert haben, den ein Werkstoffzur Erfllung der verlangten Funktion auch im unbeschichteten Zustand haben mte.3.1.2 Temperaturbestndigkeit Es ist zu beachten, da PVD-Prozesse aufgrundder Prozetemperaturen im Bereich von 18

26、0 C bis550 C die Hrte aufgrund von Gefgeumwand-lungsvorgngen sowie die Teilegeometrie aufgrund von Verzug und umwandlungsbedingtenVolumenvernderungen beeinflussen knnen. Bei vergteten Teilen sollte die Anlatemperaturoberhalb der Beschichtungsprozetemperatur liegen. Bei CVD-Prozessen knnen Temperatur

27、en bisca. 1000 C erreicht werden, was z.B. bei Sthlenzwangslufig mit Hrteverlust verbunden ist undeine nachgeschaltete Wrmebehandlung erforderlich macht. Wenn nicht tolerierbare Beeinflussungen durch diegenannten Temperaturen zu erwarten sind, ist eineRcksprache mit dem Beschichter unbedingt notwend

28、ig. Dieser kann auch Hinweise zur verbesserten Werkstoffauswahl hinsichtlich der Beschicht-barkeit geben.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dssel

29、dorf 1997 VDI3824 Blatt 2 -5-3.2 Geometrie/Konstruktive Manahmen Die Gre der Beschichtungskammer ist begrenzt,bei groformatigen Bauteilen ist deshalb eineRcksprache mit dem Beschichter erforderlich. Die Teilegeometrie kann durch die Prozetemperaturen beeinflut werden (s.o., Mahaltigkeit, Verzug). Es

30、 ist zu beachten, da die Bauteile/Werkzeuge inder Beschichtungskammer mit Halterungen befestigt werden mssen. Die Bereiche der Halterungwerden nicht beschichtet. Der Befestigungsort resultiert aus der Teilegeometrie bzw. aus am Teilvorhandenen Halterungsmglichkeiten. Das heit,es sind u.U. Halterungs

31、mglichkeiten zustzlichzu schaffen, z.B. Bohrungen. Bereiche, die unbedingt zu beschichten sind bzw.auf keinen Fall beschichtet werden drfen, mssenin einer mitgelieferten Zeichnung/Skizze (sieheFormblatt) genau gekennzeichnet bzw. mit demBeschichter abgeklrt werden. Innenkonturen sind mit PVD-Verfahr

32、en grundstzlich bis zu einem Tiefe/Durchmesser-Verhltnisvon 1 beschichtbar, da sich die Schichtdicke mitzunehmender Tiefe verringert. CVD-Verfahren unterliegen dieser Einschrnkung in der Regel nicht. Bei gelteten Teilen ist zu beachten:Lote mssen durch den Beschichter freigegebenwerden (Temperaturbe

33、stndigkeit, Vakuumbestndigkeit, Cadmiumfreiheit).Ltstellen mssen frei von Lunkern und Flumitteln sein. Verklebte Bauteile eignen sich in der Regel nichtzur Beschichtung. Zur optimalen Beschichtung gefgter Bauteilesind wenn mglich die Einzelteile zu beschichten. Dies gilt insbesondere fr geschraubte

34、Verbindungen. Bei armierten Werkzeugen ist die Temperaturbestndigkeit des Schrumpfverbandes zu beachten. Unterschiedliche Wrmeausdehnungskoeffizientender Einzelkomponenten von Bauteilen sind zu beachten. Geschweite Bauteile sind spannungsfrei zu glhen. Ri- und Lunkerfreiheit ist anzustreben.3.3 Ober

35、flchenzustandDie Erzeugung beschichtungsgerechter Oberflchenerfordert besondere Sorgfalt bei allen Verfahren derOberflchenvorbehandlung, weil insbesondere dieHaftfestigkeit der Schicht hiervon stark beeinflut ist.Eine verminderte Haftung auf Nicht-Funktionsflchen, auf denen die nachfolgenden Vorauss

36、etzungennicht oder nur teilweise erfllt sind, beeintrchtigt dieLeistungsfhigkeit des Teils in der Regel nicht. Wurden Oberflchen mittels thermischer, chemischer, chemothermischer oder elektrochemischerVerfahren wie Nitrieren, Verchromen, Vernickeln,Brnieren, Dampfanlassen vorbehandelt, sollteeine Be

37、schichtung nur nach Rcksprache mit demBeschichter geplant werden. Die funktionellen Oberflchen mssen metallischblank sein (rostfrei, lackfrei etc.), andere Flchensollten metallisch blank sein, d.h. sie sind zuschleifen, polieren, feinzustrahlen, lppzustrahlenoder schlichtzuerodieren. Grundstzlich is

38、t einegeringe Oberflchenrauheit anzustreben. Ausnahmen bilden funktionell strukturierte Oberflchen.Bei Hartmetallen ist besondere Sorgfalt notwendig, da bearbeitungsbedingte Vorschdigungen(Schneidkonturausbrche, Risse, Bindephasenverluste) und Sinterhute bei Hartstoffbeschichtungeneine Leistungsmind

39、erung bewirken. Insbesonderebei geschliffenen Hartmetallen sind Fingerabdrcke unbedingt zu vermeiden!Bei Sthlen sind Grate aufgrund des Schleifprozesses unbedingt zu vermeiden, ebenso wieSchleifhute (Neuhrtung/Schleifbrand). Die kontinuierliche Kontrolle des Schleifprozesses zurVerhinderung des Schm

40、ierens ist notwendig.Erodierte Oberflchen sind nur beschichtbar, wennsie schlichterodiert und mikrogestrahlt wurden.Letzteres kann in der Regel nach Rcksprachevom Beschichter bernommen werden. Zur Optimierung des physikalischen und chemischen Reinigungsprozesses der Teile beim Beschichter, auch im S

41、inne des Umweltschutzes,mssen - soweit technisch mglich - die Teile freivon Spnen (insbesondere in den Bohrungen) undVerunreinigungen (Salzresten, Schleifrckstnden, Poliermittelrckstnden, Strahlmittelresten,Khlschmiermittelrckstnden etc.) sein. Farbmarkierungen sind unbedingt zu vermeiden. (Alle not

42、wendigen Angaben mssen in Zeichnungen undSkizzen vorgenommen werden: siehe Formblatt.) WiederbeschichtungEine Wiederbeschichtung von Werkzeugen istmglich. In der Regel werden hierzu die Funktionsflchen vor der Beschichtung mechanischnachgearbeitet.Vor einer Wiederbeschichtung kann eine kompletteEntS

43、chichtung erforderlich sein. Dazu sind direkteAbsprachen mit dem Beschichter notwendig.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11- 6 - VDI 3824 Blatt 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure,

44、Dsseldorf 1 9973.4 Verpackung(Konservierung und Transport/Anlieferung)Die Verpackung hat die Anforderungen des Korrosionsschutzes und des Schutzes vor mechanischer Beschdigung zu erfllen. Da ein Korrosionsschutz vor dem Beschichtungs-proze entfernt werden mu, ist es sinnvoll, dieWahl des Korrosionss

45、chutzmittels mit dem Beschichter abzustimmen. In jedem Fall ist ein silikonfreier Korrosionsschutz fr Zwischenlagerungund Transport vorzusehen. (Dieser Schutz ist nichtim Sinne des Abschnittes 3.3 als Verunreinigunganzusehen!) Die Verpackung der Teile sollte wiederverwendbarund somit auch fr den Rck

46、versand geeignet sein. Es sind Verpackungen vorzusehen, die auf dieBauteile/Werkzeuge abgestimmt sind:- Einzelverpackung bei Sonderteilen- Magazine bei groen Stckzahlen ohne weitereEinzelteilverpackung- Unbedingt zu vermeiden sind vergossene Verpackungsmaterialien (Gummi, Kunststoffe, Silikone etc.)

47、 Die Zuordnung Kundenlieferschein zu angelieferten Teilen“ ist durch vollstndige Begleitpapiereund Kennzeichnungen zu gewhrleisten.SchrifttumWas der Produktionsingenieur von der Qualittssicherung wissenmu. Hrsg.: VDI-Gesellschaft Produktionstechnik (ADB), 2. Auflage. Dsseldorf 1994VDI 3198 Beschicht

48、en von Werkzeugen der Kaltmassivumformung; CVD- und PVD-VerfahrenB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1997 VDI 3824 Blatt 2Formblatt fr Angaben zu Hartstoff-BeschichtungsauftrgenAuftraggeberFirmaAbteilungStraePLZ/OrtSachbearbeiter(in)Auftrags-Nr. Beschichtungsservice .ErstbeschichtungPVDPos.WiederbeschichtungCVDTerminAnlieferung perRcklieferung per .DatumAngaben zum BauteilA