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Die
Erfindung betrifft eine Düse
zum Schneiden oder Schweißen,
insbesondere zum Laserschneiden oder -schweißen oder zum Plasmaschneiden
oder -schweißen
oder zum MIG/MAG-Schutzgasschweißen.
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Düsen für die Schnitt-
und Schweißbearbeitung
unterliegen hoher Verschleißbeanspruchung.
Eine solche Düse
hat einen Grundkörper
aus einer relativ weichen Kupfer- oder Messinglegierung, der deshalb
nur einen geringen Widerstand gegenüber Oberflächenverschleiß aufweist.
Durch auftretende Schmelzspritzer kann die Düse thermisch und mechanisch
derart geschädigt
werden, dass Zerstörungen
am zu bearbeitenden Werkstück
und auch an der Bearbeitungseinrichtung auftreten können.
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Um
eine derartige Beschädigung
zu vermeiden, ist es bekannt, den Grundkörper der Düse mit einer Verschleißschutzschicht
aus galvanisch aufgebrachtem Chrom zu versehen. Allerdings neigt
eine derartige galvanische Chrom-Verschleißschutzschicht zu Schichtaufwerfungen
im Bereich von Ecken und Kanten. Bei der Düse tritt dies vor allem im
Bereich einer Austrittsöffnung
eines Düsenkanals
auf. Außerdem
ist eine galvanische Innenbeschichtung des Düsenkanals auf Grund des erhöhten Schichtwachstums
an der Austrittsöffnung
und der damit verbundenen Verjüngung
technisch nur sehr schwer zu beherrschen. Deswegen sind der Düsenkanal
und insbesondere seine Austrittsöffnung
nicht galvanisch mit Chrom beschichtet. Auftreffende Materialspritzer
vom bearbeiteten Werkstück
können
die Düse
dann gerade in diesen unbeschichteten Bereichen verkleben und verstopfen.
Dies kann zu einer reduzierten Lebensdauer der Düse führen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Düse der eingangs bezeichneten
An anzugeben, die eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Düse
entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Die
erfindungsgemäß vorgesehene
Verschleißschutzschicht
zeichnet sich vor allem durch eine hohe thermische Beständigkeit,
eine hohe Oxidationsbeständigkeit,
einen hohen Schutz gegen Materialspritzer vom bearbeiteten Werkstück sowie
eine hohe Haftfestigkeit auf der Kupfer- oder Messinglegierung des
Grundkörpers
aus. Das insbesondere keramische Schutzschicht-Material lässt sich
vorzugsweise mittels einer Abscheidung aus einer Gasphase aufbringen.
Dadurch können
insbesondere auch das Innere und die Austrittsöffnung des Düsenkanals
mit einer Verschleißschutzschicht
versehen werden. Insgesamt resultiert gegenüber der bekannten Düse mit galvanischer
Chrom-Verschleißschutzschicht
eine deutliche Verbesserung hinsichtlich des mit der erfindungsgemäßen Düse erzielbaren
Verschleißschutzes.
Die erfindungsgemäße Düse kann
damit auch deutlich länger
eingesetzt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Düse ergeben sich aus den von
Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen.
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Die
Variante nach Anspruch 2 führt
zu einer Strukturverbesserung, insbesondere zu einer Kornverfeinerung,
und damit zu einer sehr vorteilhaften Verschleißbeständigkeit. Verbessert wird auch
die thermische Beständigkeit
und die erzielbare Härte.
Vorzugsweise liegt der kornverfeinernde Materialanteil bei etwa
0,5 bis 4 % bezogen auf die Summe der Atomprozente des Metall-Materialanteils
und des kornverfeinernde Materialanteils im Schutzschicht-Material.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine Düse mit einer Verschleißschutzschicht,
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2 eine Anlage zur Erzeugung
einer Verschleißschutzschicht
und
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3 einen Standzeit-Vergleich
einer unbeschichteten Düse
mit einer erfindungsgemäßen Düse.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel
einer Düse 1 mit
einer Verschleißschutzschicht 2 in
einer Querschnittsdarstellung gezeigt. Die Düse 1 ist Bestandteil
einer nicht näher
dargestellten Einrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks 3 mittels
eines Laserstrahls 4. Die Düse 1 hat einen Düsenkanal 5 mit
einer dem Werkstück 3 zugewandten
Austrittsöffnung 6.
Die Verschleißschutzschicht 2 ist
auf einen Grundkörper 7 der
Düse 1 aufgebracht,
wobei die Verschleißschutzschicht 2 insbesondere
an einer dem Werkstück 3 zugewandten
Seite 8 des Grundkörpers 7 und
vor allem auch an einer Innenwand 9 des Düsenkanals 5 sowie
an der Austrittsöffnung 6 vorgesehen
ist.
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Grundsätzlich kann
die Düse 1 bei
verschiedenen Schneid- und Schweiß-Techniken, wie beispielsweise Laserschneiden
oder -schweißen,
Plasmaschneiden oder -schweißen
oder MIG/MAG-Schutzgasschweißen,
zum Einsatz kommen. Beim MIG/MAG-Schutzgasschweißen kann die Düse 1 für die Stromdüse und auch
für die
Gasdüse
verwendet werden.
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Der
Laserstrahl 4 verläuft
durch den Düsenkanal 5 und
trifft nach Passieren der Austrittsöffnung 6 auf das Werkstück 3.
Dort bewirkt er ein Aufschmelzen und letztendlich das beabsichtigte
Zerschneiden des Werkstücks 3.
Von einer durch den Laserstrahl 4 im Werkstück 3 erzeugten
Schmelze 10 können
sehr heiße
und auch chemisch aggressive Materialspritzer 11 bis zur
Düse 2 gelangen.
Diese Materialspritzer 11 können sowohl beim im Beispiel
gezeigten Schneiden als auch beim Schweißen auftreten. Dadurch kann
die Düse 1 beschädigt werden.
Deshalb ist sie zumindest an der Seite 8, im Düsenkanal 9 und
an der Austrittsöffnung 6 mit der
Verschleißschutzschicht 2 versehen.
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Der
Grundkörper 7 besteht
aus einer relativ weichen und empfindlichen Kupfer- oder Messinglegierung,
wohingegen für
die Verschleißschutzschicht 2 ein
sehr beständiges
keramisches Schutzschicht-Material mit hoher Schutzwirkung vorgesehen
ist. Das Schutzschicht-Material wird mittels eines physikalischen und/oder
chemischen Gasphasen-Abscheideverfahrens auf den Grundkörper 7 aufgebracht.
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In 2 ist eine Anlage 12 dargestellt,
mittels der ein solches Gasphasen-Abscheideverfahren durchgeführt werden
kann. Die Anlage 12 arbeitet nach dem Sputter-Verfahren.
Alternativ könnte
jedoch ebenso ein anderes geeignetes Gasphasen-Abscheideverfahren,
zum Beispiel ein PVD (Physical Vapour Deposition)-Arc-Verfahren
oder ein Niedertemperatur-PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour
Deposition)-Verfahren eingesetzt werden. Die so hergestellte Verschleißschutzschicht 2 hat
vorzugsweise keramischen Charakter. Sie kann aber auch metallischen
Charakter haben.
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Die
Anlage 12 hat ein Mehrkathodensystem mit im Beispiel von 2 gezeigten vier Kathoden 13, 14, 15 und 16,
die auch als Target bezeichnet werden. Außerdem ermöglicht ein drehbarer Substrattisch 17,
auf dem die zu beschichtende Düse 1,
insbesondere um mindestens eine weitere Drehachse drehbar platziert
ist, während
des Beschichtungs-Vorgangs eine Rotation. Die mögliche Drehbewegung des Substrattisches 17 ist in 2 durch den Pfeil angedeutet.
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Der
Substrattisch 17 befindet sich in einem mittels Heizelementen 18 heizbaren
und als Vakuumkammer ausgebildeten Rezipienten 19, an dem
mehrere Anschlüsse 20, 21 und 22 vorgesehen
sind. Der Anschluss 20 führt zu einer in 2 nicht gezeigten Vakuumpumpe.
Die beiden Anschlüsse 21 und 22 dienen der
Zuführung
von Prozessgasen, beispielsweise eines Inertgases wie Argon (Ar)
und von Reaktivgasen wie Stickstoff (N2)
oder Sauerstoff (O2).
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Mittels
Spannungsquellen 23 und 24 können an die Kathoden 13, 14, 15 und 16 ebenso
wie an den Substrattisch 17 vorgebbare Potentialwerte angelegt
werden. Beispielhaft ist in 2 nur
für die
Kathode 13 ein solcher Anschluss an die Spannungsquelle 14 gezeigt.
Der Substrattisch 17 und auch die Kathode 13 sind negativ
vorgespannt, wobei die Vorspannung an der Kathode 13 beispielsweise
200 bis 400 V und die am Substrattisch 17 beispielsweise
einige 10 bis 200 V beträgt.
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Die
Beschichtung erfolgt, indem zunächst
beispielsweise mittels Zündung
ein Plasma 25 mit positiven Inertgas-Ionen 26 gebildet
wird. Auf Grund der hohen negativen Vorspannung der Kathode 13 werden
die Inertgas-Ionen 26 in
Richtung Kathode 13 beschleunigt. Beim Aufprall werden
Sekundäratome 27 aus
der Kathode 13 herausgeschlagen. Die Sekundäratome 27 bewegen
sich als zerstäubte
Target-Teilchen regellos und scheiden sich auf gegenüberliegenden
Flächen,
insbesondere auf dem Werkstück 3 ab.
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Die
negative Vorspannung des Substrattischs 17 und damit auch
der darauf platzierten zu beschichtenden Werkstücke 3 dient zur Vermeidung
von Verunreinigung. Die Verschleißschutzschicht 2 wird
dann während
des Wachstums ständig
mit Inertgas-Ionen 26 bombardiert und damit von unerwünschten
Adsorbaten gereinigt.
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Die
Kathoden 13, 14, 15 und 16 können unterschiedliche
Material-Zusammensetzungen aufweisen. Sie können beispielsweise aus Metallverbindungen
(AlxTiy, AlxCry, AlxTiyCrzYn,
TiB2) oder auch aus den Basismetallen (Al,
Ti, Cr, Y) bestehen. Durch Veränderung
der Material-Zusammensetzungen der Kathoden 13, 14, 15 und 16 lässt sich
vor allem der Metall-Materialanteil
der aufwachsenden Verschleißschutzschicht 2 in
weiten Grenzen variieren.
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Nichtmetallische
Materialanteile der Verschleißschutzschicht 2 werden
je nach gewünschter
Material-Zusammensetzung insbesondere auch in Gasform zugeführt. Mit
einer Variation der Reaktivgasanteile lässt sich der strukturelle Charakter
hinsichtlich der Anteile von Nitriden, Oxiden, Carbonitriden oder
deren Mischphasen beeinflussen. Eine solche Variation der Reaktivgasanteile
ist sehr leicht über
eine Kontrolle der zugeführten
Gasmenge und -art möglich.
Die Steuerung des Gaszuflusses erfolgt mittels in den Anschlüssen 21 und 22 vorgesehener
Ventile 28 bzw. 29.
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Mittels
der Anlage 12 kann auch der strukturelle Aufbau der aufwachsenden
Verschleißschutzschicht 2 beeinflusst
und eingestellt werden. Insbesondere lässt sich eine monolagige, eine
multilagige und eine nanokristalline Struktur erzeugen. Als Maßnahmen
hierzu stehen beispielsweise eine Variation der effektiven Beschichtungszeit,
eine Variation der Kathoden leistung, also der Verdampfungs- oder
der Sputterrate, oder eine Variation der Drehgeschwindigkeit des
Substrattischs 17 zur Verfügung. Die Beschichtungszeit
bezüglich
einer oder mehrerer der Kathoden 13, 14, 15 und 16 lässt sich
zum Beispiel durch den Einsatz von in 2 nicht explizit
gezeigten Shuttern steuern. Auch andere Prozesskenngrößen, wie
die Temperaturführung,
lassen sich mit der Anlage 12 variieren. Außerdem kann
auch ein Plasmaätzen
vorgesehen sein.
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Die
Anlage 12 eignet sich also zur Herstellung verschiedener
Verschleißschutzschichten 2,
die sich sowohl in der Material-Zusammensetzung als auch im strukturellen
Aufbau unterscheiden können.
Insbesondere ist ein ein- oder ein mehrlagiger Schichtaufbau möglich. Die
bevorzugte Gesamtdicke der Verschleißschutzschichten 2 bewegt
sich in einem Bereich zwischen 0,5 und 12 μm.
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Herstellen
lassen sich insbesondere Verschleißschutzschichten 2 mit
Aluminium (Al), Titan (Ti) und/oder Chrom (Cr) als Metallkomponenten,
mit Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C) und/oder Bor (B)
als Nichtmetallkomponenten sowie mit Yttrium (Y), Niob (Nb), Zirkon
(Zr) und/oder Wolfram (W) als kornverfeinernden Komponenten in weitgehend
beliebiger Material-Zusammensetzung. Ein Beispiel ist eine Verschleißschutzschicht 2 aus
AlTiCrY(O,N), bei der die Metalle Aluminium, Titan und Chrom sowie
das zur Kornverfeinerung vorgesehene Metall Yttrium insbesondere
in chemischer Bindung als Oxynitride vorliegen. Verschleißschutzschichten 2,
bei denen diese Metalle andere chemischen Bindungen, beispielsweise
in Form von Nitriden, Carbonitriden, Bornitriden oder Boriden, aufweisen,
sind ebenfalls möglich.
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Eine
Untersuchung der verschiedenen Verschleißschutzschichten 2 liefert
ihre jeweiligen Eigenschaften, insbesondere die Material-Zusammensetzung,
den strukturellen Aufbau, die Härte,
die Standzeit, die Haftfestigkeit, die Kratzfestigkeit, das Einsatzverhalten
und die Schichtanbindung an den Grundkörper 7. Weiterhin können die
Düsen 1 auch
hinsichtlich der Haftwirkung der Materialspritzer 11 des
zu schneidenden Werkstücks 3 sowie
hinsichtlich des Verschleißfortschritts
und des Verschleißerscheinungsbilds
charakterisiert werden.
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Zur
chemischen Bestimmung der Material-Zusammensetzung kann ein EDX
(Energy Dispersive X-ray)-, GDOS (Glow Discharge Optical Spectroscopy)-
oder ein SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry)-Verfahren eingesetzt werden. Die Charakterisierung
des strukturellen Aufbaus kann mittels einer metallografischen Untersuchung
oder einer Raster-Elektronenmikroskopie
(REM) erfolgen. Zur Bestimmung der Härte und auch der Elastizität eignet
sich beispielsweise eine Kleinstlast-Universalhärteprüfung. Die Standzeit lässt sich
anhand eines Praxistests der beschichteten Düsen 1 in einem Schneidautomaten
untersuchen.
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Diese
Untersuchungen ergeben, dass die Düse 1 mit der Verschleißschutzschicht 2,
die mittels des im Zusammenhang mit 2 beschriebenen
Gasphasen-Abscheideverfahrens hergestellt wird, deutlich bessere Eigenschaften
aufweist, als eine konventionelle Düse mit einer galvanisch aufgebrachten
Chrom-Schutzbeschichtung. Vor allem kann die Verschleißschutzschicht 2 anders
als eine galvanische Chrom-Schicht auch an der Innenwand 9 des
Düsenkanals 5 und
im Bereich der Austrittsöffnung 6 mit
gutem Haftvermögen
auf dem Grundkörper 7 aufgebracht
werden. Außerdem
kommt es im Bereich der Austrittsöffnung 6 zu keinen
unerwünschten
Schicht-Verdickungen, die dagegen bei einer galvanischen Chrom-Schicht vorhanden
sein können. Weiterhin
bietet die mittels des Gasphasen-Abscheideverfahrens
hergestellte Verschleißschutzschicht 2 einen Schutz
der Oberfläche
der Düse 1,
der gegenüber
herkömmlichen
galvanisch beschichteten Düsen
zu einer wesentlichen Verschleißreduzierung
führt.
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Die
vorstehenden Angaben gelten sowohl für Verschleißschutzschichten 2 mit
einem monolagigen Aufbau, also mit einer im Wesentlichen homogenen
Mischphase, als auch für
solche mit einem mehrlagigen Aufbau aus mehreren Einzellagen. Die
Einzellagen können
sich in ihrer jeweiligen Material-Zusammensetzung gleichen oder
auch voneinander unterscheiden. Eine besonders harte und zähe Verschleißschutzschicht 2 erhält man mittels
einer so genannten nanostrukturierten Multilagenbeschichtung, bei
der sehr feine Einzellagen mit Lagendicken zwischen 3 und 50 nm,
vorzugsweise zwischen 3 und 20 nm vorgesehen sind. Auf Grund der geringen
Lagendicke stellen sich vorteilhafte mechanische Spannungen zwischen
den Einzellagen, die auch als Nanolagen bezeichnet werden, ein.
Selbst bei auf Grund der Material-Zusammensetzung eigentlich nur
zähen Einzellagen
ergibt sich dank dieser mechanischen Spannungen für die Verschleißschutzschicht 2 insgesamt
eine sehr hohe Härte.
Weiterhin können
in den Einzellagen wechselnde Anteile von Metall-Komponenten, vorzugsweise
von Titan und Chrom vorgesehen sein. Ebenso möglich ist ein von Einzellage
zu Einzellage variierender Sauerstoffgehalt. Die Material-Zusammensetzung
der Einzellagen kann sich periodisch wiederholen. Sehr beständig wird
die Verschleißschutzschicht 2 bei
einem Multilagen-Aufbau, wenn die Gesamt-Schichtdicke mindestens
3 μm beträgt.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele
für Düsen 1 mit
besonders günstigen
mittels des Gasphasen-Abscheideverfahrens hergestellten Verschleißschutzschichten 2 beschrieben.
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Ist
die Düse 1 mit
einer Verschleißschutzschicht 2 aus
Chromnitrid (CrN) versehen, eignet sie sich für einen gemischten Einsatz,
d. h. zum Schneiden von verschiedenen Werkstoffen wie Stahl, Edelstahl
und beschichteten Blechen. Die höhere
Härte und
Temperaturbeständigkeit
sowie der keramische Charakter der Verschleißschutzschicht 2 führen verglichen
mit einer galvanischen Chrom-Beschichtung zu einem wesentlich geringeren
Verschleiß der
Düse 1.
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Ist
die Düse 1 mit
einer Verschleißschutzschicht 2 aus
Titannitrid (TiN) versehen, hat sie ein hervorragendes Standzeitverhalten
beim Schneiden von kunststoffbeschichteten Blechen. Die Materialspritzer 11 des freigesetzten
Kunststoffs haften nicht an der Düsenoberfläche oder lassen sich leicht
wieder entfernen. In 3 ist
ein Standzeit-Vergleich dieser TiN-beschichteten Düse 1 mit
einer unbeschichteten Düse
gezeigt. Mit der TiN-beschichteten Düse 1 kann eine deutlich
größere Gesamt-Schnittweite
erreicht werden.
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Ist
die Düse 1 mit
einer Verschleißschutzschicht 2 aus
Titanborid (TiB2) versehen, hat sie ein
hervorragendes Standzeitverhalten beim Schneiden von Aluminiumblechen.
Die Materialspritzer 11 des freigesetzten Aluminium haften
nicht an der Düsenoberfläche oder
lassen sich leicht wieder entfernen.
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Ist
die Düse 1 mit
einer Verschleißschutzschicht 2 aus
einer TiAlCrY(O,N)-Multilagenbeschichtung versehen, hat sie sehr
gute Standzeiteigenschaften, eine hohe Temperaturbeständigkeit
von bis zu 1100°C,
eine hohe Oxidationsbeständigkeit
und eine hohe Härte
von bis 3200 HV. Außerdem
zeigt sie eine sehr gute Antihaftneigung und einen sehr guten Verschleißschutz.
Sie ist daher besonders gut zum Hochleistungsschneiden von Stahlblechen
geeignet.
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Bei
dem zuletzt genannten Ausführungsbeispiel
hat die Verschleißschutzschicht 2 eine
durchschnittliche Material-Zusammensetzung von:
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Diese
Verschleißschutzschicht 2 besteht
aus einem Multilagen-Aufbau, deren Einzellagen sukzessive in der
Anlage 12 mittels des Sputter-Verfahrens abgeschieden worden sind.
Die Einzellagen haben eine Lagendicke von etwa 4 bis 6 nm, wobei
sich die Einzellagen in ihrer jeweiligen Material-Zusammensetzung
voneinander unterscheiden. Die Material-Zusammensetzung der Einzellagen wiederholt
sich periodisch mit einem Periodenabstand von zwei Einzellagen.
So variiert im Metallanteil der Chrom-Anteil zwischen 6 und 21 %
und der Titan-Anteil zwischen 10 und 25 % sowie im Nichtmetallanteil
der Sauerstoff-Anteil zwischen 1 und 8 %. Der Aluminium- und der
Yttrium-Anteil bleiben dagegen im Wesentlichen konstant. Insofern
sind die in der vorstehenden tabellarischen Zusammenstellung angegebenen
Werte nur als über
die gesamte Dicke aller Einzellagen gemittelte Durchschnittsangaben
zu verstehen.
