Beschichtungen für Schneidwerkzeuge verbessern deren Reibungs- und Verschleißeigenschaften und sind daher für Zerspanungsprozesse unerlässlich. Seit vielen Jahren entwickeln Anbieter von Oberflächenbearbeitungstechnologien maßgeschneiderte Beschichtungslösungen, um die Verschleißfestigkeit, die Bearbeitungseffizienz und die Standzeit von Schneidwerkzeugen zu optimieren. Die besondere Herausforderung besteht in der Berücksichtigung und Optimierung von vier Elementen: (i) der Vor- und Nachbehandlung der Schneidwerkzeugoberflächen; (ii) der Beschichtungsmaterialien; (iii) der Beschichtungsstrukturen; und (iv) der integrierten Bearbeitungstechnologie für beschichtete Schneidwerkzeuge.
Ursachen für den Verschleiß von Schneidwerkzeugen
Beim Zerspanen treten im Kontaktbereich zwischen Schneidwerkzeug und Werkstückmaterial verschiedene Verschleißmechanismen auf. Dazu gehören beispielsweise Bindungsverschleiß zwischen Span und Schneidfläche, abrasiver Verschleiß des Werkzeugs an harten Stellen im Werkstückmaterial sowie Verschleiß durch Reibungsreaktionen (chemische Reaktionen des Materials infolge mechanischer Einwirkung und hoher Temperaturen). Da diese Reibungsspannungen die Schnittkraft des Schneidwerkzeugs verringern und dessen Standzeit verkürzen, beeinträchtigen sie maßgeblich die Bearbeitungseffizienz.
Die Oberflächenbeschichtung verringert die Reibung, während das Grundmaterial des Schneidwerkzeugs die Beschichtung stützt und mechanische Spannungen aufnimmt. Die verbesserte Leistung des Reibungssystems ermöglicht Materialeinsparungen und einen geringeren Energieverbrauch bei gleichzeitiger Produktivitätssteigerung.
Die Rolle der Beschichtung bei der Reduzierung der Verarbeitungskosten
Die Standzeit der Schneidwerkzeuge ist ein wichtiger Kostenfaktor im Produktionszyklus. Sie bezeichnet unter anderem die Zeitspanne, in der eine Maschine ohne Unterbrechung arbeiten kann, bevor Wartungsarbeiten erforderlich sind. Je länger die Standzeit der Schneidwerkzeuge, desto geringer die Kosten durch Produktionsausfälle und desto weniger Wartungsaufwand muss die Maschine leisten.
Selbst bei sehr hohen Schnitttemperaturen lässt sich die Standzeit des Schneidwerkzeugs durch Beschichtung verlängern, wodurch die Bearbeitungskosten deutlich gesenkt werden. Zudem kann die Beschichtung den Bedarf an Schmierstoffen reduzieren. Dies senkt nicht nur die Materialkosten, sondern schont auch die Umwelt.
Einfluss der Vor- und Nachbehandlung der Beschichtung auf die Produktivität
In modernen Zerspanungsprozessen müssen Schneidwerkzeuge hohen Drücken (>2 GPa), hohen Temperaturen und ständigen thermischen Belastungszyklen standhalten. Vor und nach der Beschichtung muss das Schneidwerkzeug entsprechend behandelt werden.
Vor der Beschichtung von Schneidwerkzeugen können verschiedene Vorbehandlungsmethoden eingesetzt werden, um das Werkzeug für den nachfolgenden Beschichtungsprozess vorzubereiten und gleichzeitig die Haftung der Beschichtung deutlich zu verbessern. Durch die Kombination mit der Beschichtung kann die Schneidkante optimiert werden, wodurch Schnittgeschwindigkeit und Vorschub erhöht und die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert werden.
Die Nachbearbeitung der Beschichtung (Kantenvorbereitung, Oberflächenbearbeitung und Strukturierung) spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Optimierung des Schneidwerkzeugs, insbesondere um einen möglichen vorzeitigen Verschleiß durch Spanbildung (Verbindung von Werkstückmaterial mit der Schneide des Werkzeugs) zu verhindern.
Überlegungen und Auswahl der Beschichtung
Die Anforderungen an die Beschichtungsleistung können sehr unterschiedlich sein. Unter Bearbeitungsbedingungen mit hohen Schneidkantentemperaturen gewinnen die hitzebeständigen Verschleißeigenschaften der Beschichtung extreme Bedeutung. Moderne Beschichtungen sollten zudem folgende Eigenschaften aufweisen: hervorragende Hochtemperaturleistung, Oxidationsbeständigkeit, hohe Härte (auch bei hohen Temperaturen) und mikroskopische Zähigkeit (Plastizität) durch die Entwicklung nanostrukturierter Schichten.
Für effiziente Schneidwerkzeuge sind eine optimierte Haftung der Beschichtung und eine gleichmäßige Verteilung der Eigenspannungen zwei entscheidende Faktoren. Erstens muss die Wechselwirkung zwischen Substrat- und Beschichtungsmaterial berücksichtigt werden. Zweitens sollte die Affinität zwischen Beschichtungsmaterial und Werkstück möglichst gering sein. Durch eine geeignete Werkzeuggeometrie und das Polieren der Beschichtung lässt sich die Wahrscheinlichkeit des Anhaftens an der Beschichtung deutlich reduzieren.
Aluminiumbasierte Beschichtungen (z. B. AlTiN) werden in der Zerspanungsindustrie häufig als Schneidwerkzeugbeschichtungen eingesetzt. Unter Einwirkung hoher Schnitttemperaturen bilden diese Beschichtungen eine dünne und dichte Aluminiumoxidschicht, die sich während der Bearbeitung kontinuierlich erneuert und die Beschichtung sowie das darunterliegende Substrat vor Oxidation schützt.
Die Härte und Oxidationsbeständigkeit einer Beschichtung lassen sich durch Änderung des Aluminiumgehalts und der Beschichtungsstruktur gezielt einstellen. Beispielsweise kann die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung durch Erhöhung des Aluminiumgehalts, Verwendung von Nanostrukturen oder Mikrolegierung (d. h. Legieren mit Elementen in geringen Mengen) verbessert werden.
Neben der chemischen Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials können auch Veränderungen in der Beschichtungsstruktur die Leistungsfähigkeit der Beschichtung erheblich beeinflussen. Die unterschiedliche Leistungsfähigkeit von Schneidwerkzeugen hängt von der Verteilung der verschiedenen Elemente in der Mikrostruktur der Beschichtung ab.
Heutzutage lassen sich mehrere Einzelschichten mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung zu einer Verbundbeschichtung kombinieren, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Dieser Trend wird sich zukünftig fortsetzen – insbesondere durch neue Beschichtungssysteme und -verfahren wie die HI3-Hybridbeschichtungstechnologie (High Ionization Triple), die drei hochionisierende Beschichtungsprozesse in einem Verfahren vereint.
Als Allround-Beschichtung bieten Titan-Silizium-Beschichtungen (TiSi) hervorragende Bearbeitbarkeit. Sie eignen sich sowohl für die Bearbeitung hochharter Stähle mit unterschiedlichem Karbidgehalt (Kernhärte bis zu HRC 65) als auch mittelharter Stähle (Kernhärte HRC 40). Die Beschichtungsstruktur lässt sich an die jeweiligen Bearbeitungsanwendungen anpassen. Dadurch können mit Titan-Silizium beschichtete Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung einer breiten Palette von Werkstückmaterialien eingesetzt werden – von hoch- und niedriglegierten Stählen bis hin zu gehärteten Stählen und Titanlegierungen. Tests zur Feinbearbeitung von Planwerkstücken (Härte HRC 44) haben gezeigt, dass beschichtete Schneidwerkzeuge ihre Standzeit nahezu verdoppeln und die Oberflächenrauheit um etwa das Zehnfache reduzieren können.
Die Titan-Silizium-basierte Beschichtung minimiert den nachfolgenden Oberflächenpolieraufwand. Solche Beschichtungen werden voraussichtlich bei Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten, hohen Schneidentemperaturen und hohen Abtragsraten eingesetzt.
Bei einigen anderen PVD-Beschichtungen (insbesondere mikrolegierten Beschichtungen) arbeiten Beschichtungsunternehmen eng mit Verarbeitern zusammen, um verschiedene optimierte Oberflächenbearbeitungslösungen zu erforschen und zu entwickeln. Dadurch sind signifikante Verbesserungen der Bearbeitungseffizienz, der Werkzeugausnutzung, der Bearbeitungsqualität und der Wechselwirkung zwischen Material, Beschichtung und Bearbeitung möglich und praktisch umsetzbar. Durch die Zusammenarbeit mit einem professionellen Beschichtungspartner können Anwender die Auslastung ihrer Werkzeuge über deren gesamten Lebenszyklus hinweg steigern.
Veröffentlichungsdatum: 07.11.2022