Beschichtungen für Schneidwerkzeuge verbessern deren Reibungs- und Verschleißeigenschaften und sind daher für die Zerspanung unverzichtbar. Anbieter von Oberflächentechnologien entwickeln seit vielen Jahren maßgeschneiderte Beschichtungslösungen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, Bearbeitungseffizienz und Lebensdauer von Schneidwerkzeugen. Die besondere Herausforderung liegt in der Berücksichtigung und Optimierung vierer Elemente: (i) die Vor- und Nachbehandlung der Schneidwerkzeugoberflächen, (ii) die Beschichtungsmaterialien, (iii) die Beschichtungsstrukturen und (iv) die integrierte Verarbeitungstechnologie für beschichtete Schneidwerkzeuge.
Ursachen für den Verschleiß von Schneidwerkzeugen
Während des Schneidprozesses treten in der Kontaktzone zwischen Schneidwerkzeug und Werkstückmaterial verschiedene Verschleißmechanismen auf. Beispiele hierfür sind gebundener Verschleiß zwischen Span und Schneidfläche, abrasiver Verschleiß des Werkzeugs durch harte Stellen im Werkstückmaterial und Verschleiß durch chemische Reibungsreaktionen (chemische Reaktionen des Materials durch mechanische Einwirkung und hohe Temperaturen). Da diese Reibungsspannungen die Schneidkraft des Schneidwerkzeugs verringern und die Werkzeuglebensdauer verkürzen, beeinträchtigen sie hauptsächlich die Bearbeitungseffizienz des Schneidwerkzeugs.
Die Oberflächenbeschichtung reduziert die Reibungswirkung, während das Grundmaterial des Schneidwerkzeugs die Beschichtung stützt und mechanische Belastungen absorbiert. Die verbesserte Leistung des Reibungssystems kann Material sparen, den Energieverbrauch senken und die Produktivität steigern.
Die Rolle der Beschichtung bei der Reduzierung der Verarbeitungskosten
Die Standzeit von Schneidwerkzeugen ist ein wichtiger Kostenfaktor im Produktionszyklus. Sie wird unter anderem als die Zeit definiert, die eine Maschine ohne Unterbrechung bearbeitet werden kann, bevor eine Wartung erforderlich ist. Je länger die Standzeit, desto geringer sind die Kosten durch Produktionsunterbrechungen und desto weniger Wartungsarbeiten sind an der Maschine erforderlich.
Selbst bei sehr hohen Schnitttemperaturen kann die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs durch eine Beschichtung verlängert und so die Bearbeitungskosten deutlich gesenkt werden. Darüber hinaus kann durch die Beschichtung des Schneidwerkzeugs der Bedarf an Schmierflüssigkeiten reduziert werden. Dies senkt nicht nur die Materialkosten, sondern schont auch die Umwelt.
Einfluss der Vor- und Nachbehandlung auf die Produktivität
In modernen Schneidprozessen müssen Schneidwerkzeuge hohen Drücken (> 2 GPa), hohen Temperaturen und ständigen thermischen Belastungszyklen standhalten. Vor und nach der Beschichtung des Schneidwerkzeugs muss dieses mit dem entsprechenden Verfahren behandelt werden.
Vor der Beschichtung von Schneidwerkzeugen können verschiedene Vorbehandlungsmethoden angewendet werden, um den nachfolgenden Beschichtungsprozess vorzubereiten und gleichzeitig die Haftung der Beschichtung deutlich zu verbessern. In Verbindung mit der Beschichtung kann die Vorbereitung der Werkzeugschneide auch die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub erhöhen und die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs verlängern.
Auch die Beschichtungsnachbearbeitung (Kantenpräparation, Oberflächenbearbeitung und Strukturierung) spielt eine entscheidende Rolle bei der Optimierung des Schneidwerkzeugs, insbesondere um einem möglichen frühzeitigen Verschleiß durch Spanbildung (Verkleben von Werkstückmaterial mit der Werkzeugschneide) vorzubeugen.
Überlegungen und Auswahl der Beschichtung
Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit einer Beschichtung können sehr unterschiedlich sein. Unter Bearbeitungsbedingungen mit hohen Schneidkantentemperaturen sind die hitzebeständigen Verschleißeigenschaften der Beschichtung äußerst wichtig. Moderne Beschichtungen sollten zudem folgende Eigenschaften aufweisen: exzellentes Hochtemperaturverhalten, Oxidationsbeständigkeit, hohe Härte (auch bei hohen Temperaturen) und mikroskopische Zähigkeit (Plastizität) durch den Aufbau nanostrukturierter Schichten.
Für effiziente Zerspanungswerkzeuge sind eine optimierte Schichthaftung und eine sinnvolle Verteilung der Eigenspannungen zwei entscheidende Faktoren. Erstens muss die Wechselwirkung zwischen Grundwerkstoff und Schichtwerkstoff berücksichtigt werden. Zweitens sollte die Affinität zwischen Schichtwerkstoff und zu bearbeitendem Werkstoff möglichst gering sein. Die Möglichkeit einer Adhäsion zwischen Beschichtung und Werkstück kann durch eine geeignete Werkzeuggeometrie und das Polieren der Beschichtung deutlich reduziert werden.
Aluminiumbasierte Beschichtungen (z. B. AlTiN) werden in der Schneidindustrie häufig als Beschichtungen für Schneidwerkzeuge verwendet. Unter Einwirkung hoher Schneidtemperaturen können diese aluminiumbasierten Beschichtungen eine dünne und dichte Aluminiumoxidschicht bilden, die sich während der Bearbeitung ständig erneuert und die Beschichtung sowie das darunterliegende Substratmaterial vor oxidativem Angriff schützt.
Härte und Oxidationsbeständigkeit einer Beschichtung lassen sich durch Veränderung des Aluminiumgehalts und der Beschichtungsstruktur anpassen. Beispielsweise lässt sich die Oxidationsbeständigkeit durch Erhöhung des Aluminiumgehalts, den Einsatz von Nanostrukturen oder Mikrolegierungen (Legierung mit Elementen mit niedrigem Gehalt) verbessern.
Neben der chemischen Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials können Änderungen in der Beschichtungsstruktur die Leistung der Beschichtung erheblich beeinflussen. Die unterschiedliche Leistung von Schneidwerkzeugen hängt von der Verteilung der verschiedenen Elemente in der Mikrostruktur der Beschichtung ab.
Heutzutage können mehrere einzelne Beschichtungsschichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu einer Verbundschicht kombiniert werden, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Dieser Trend wird sich auch in Zukunft weiter verstärken – insbesondere durch neue Beschichtungssysteme und Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise die HI3-Hybridbeschichtungstechnologie (High Ionization Triple) mit Lichtbogenverdampfung und Sputtern, die drei hochionisierte Beschichtungsverfahren in einem vereint.
Als Allround-Beschichtung bieten Titan-Silizium-basierte (TiSi) Beschichtungen eine hervorragende Zerspanbarkeit. Diese Beschichtungen eignen sich sowohl für die Bearbeitung von hochharten Stählen mit unterschiedlichem Karbidgehalt (Kernhärte bis HRC 65) als auch von mittelharten Stählen (Kernhärte HRC 40). Der Schichtaufbau kann an die jeweiligen Bearbeitungsanwendungen angepasst werden. Daher eignen sich Titan-Silizium-beschichtete Schneidwerkzeuge für die Zerspanung und Bearbeitung einer breiten Palette von Werkstückmaterialien – von hochlegierten und niedriglegierten Stählen bis hin zu gehärteten Stählen und Titanlegierungen. Feinstzerspanungstests an flachen Werkstücken (Härte HRC 44) haben gezeigt, dass beschichtete Schneidwerkzeuge ihre Standzeit um fast das Doppelte erhöhen und die Oberflächenrauheit um etwa das Zehnfache reduzieren können.
Die Beschichtung auf Titan-Silizium-Basis minimiert das anschließende Polieren der Oberfläche. Solche Beschichtungen werden voraussichtlich bei Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten, hohen Kantentemperaturen und hohem Zerspanungsvolumen eingesetzt.
Auch für einige andere PVD-Beschichtungen (insbesondere Mikrolegierungsbeschichtungen) arbeiten Beschichtungsunternehmen eng mit Verarbeitern zusammen, um verschiedene optimierte Oberflächenbearbeitungslösungen zu erforschen und zu entwickeln. Dadurch sind deutliche Verbesserungen der Bearbeitungseffizienz, des Werkzeugeinsatzes, der Bearbeitungsqualität und des Zusammenspiels zwischen Material, Beschichtung und Bearbeitung möglich und praxistauglich. Durch die Zusammenarbeit mit einem professionellen Beschichtungspartner können Anwender die Nutzungseffizienz ihrer Werkzeuge über deren gesamte Lebensdauer steigern.
Beitragszeit: 07.11.2022