I rivestimenti per utensili da taglio migliorano le proprietà di attrito e usura degli utensili, motivo per cui sono essenziali nelle operazioni di taglio. Da molti anni, i fornitori di tecnologie di trattamento delle superfici sviluppano soluzioni di rivestimento personalizzate per migliorare la resistenza all'usura, l'efficienza di lavorazione e la durata degli utensili da taglio. La sfida unica deriva dall'attenzione e dall'ottimizzazione di quattro elementi: (i) la lavorazione pre e post rivestimento delle superfici degli utensili da taglio; (ii) i materiali di rivestimento; (iii) le strutture di rivestimento; e (iv) la tecnologia di lavorazione integrata per utensili da taglio rivestiti.
Fonti di usura degli utensili da taglio
Durante il processo di taglio, si verificano alcuni meccanismi di usura nella zona di contatto tra l'utensile da taglio e il materiale da lavorare. Ad esempio, l'usura da adesione tra il truciolo e la superficie di taglio, l'usura abrasiva dell'utensile dovuta a punti duri nel materiale da lavorare e l'usura causata da reazioni chimiche da attrito (reazioni chimiche del materiale causate da azioni meccaniche e alte temperature). Poiché queste sollecitazioni da attrito riducono la forza di taglio dell'utensile e ne riducono la durata, influiscono principalmente sull'efficienza di lavorazione dell'utensile.
Il rivestimento superficiale riduce l'effetto dell'attrito, mentre il materiale di base dell'utensile da taglio supporta il rivestimento e assorbe le sollecitazioni meccaniche. Le prestazioni migliorate del sistema di attrito consentono di risparmiare materiale e ridurre il consumo energetico, oltre ad aumentare la produttività.
Il ruolo del rivestimento nella riduzione dei costi di lavorazione
La durata dell'utensile da taglio è un fattore di costo importante nel ciclo produttivo. Tra le altre cose, la durata dell'utensile da taglio può essere definita come il tempo durante il quale una macchina può essere lavorata senza interruzioni prima che sia necessaria la manutenzione. Maggiore è la durata dell'utensile da taglio, minori sono i costi dovuti alle interruzioni della produzione e minori sono gli interventi di manutenzione che la macchina deve effettuare.
Anche a temperature di taglio molto elevate, il rivestimento può prolungare la durata dell'utensile da taglio, riducendo così significativamente i costi di lavorazione. Inoltre, il rivestimento dell'utensile da taglio può ridurre la necessità di fluidi lubrificanti. Non solo riduce i costi dei materiali, ma contribuisce anche alla salvaguardia dell'ambiente.
Effetto della lavorazione pre e post rivestimento sulla produttività
Nelle moderne operazioni di taglio, gli utensili da taglio devono sopportare pressioni elevate (>2 GPa), temperature elevate e cicli costanti di stress termico. Prima e dopo il rivestimento, l'utensile da taglio deve essere trattato con il processo appropriato.
Prima del rivestimento dell'utensile da taglio, è possibile utilizzare diversi metodi di pretrattamento per preparare il successivo processo di rivestimento, migliorando significativamente l'adesione del rivestimento. In combinazione con il rivestimento, la preparazione del tagliente dell'utensile può anche aumentare la velocità di taglio e l'avanzamento, prolungando la durata dell'utensile.
Anche la post-lavorazione del rivestimento (preparazione dei bordi, lavorazione della superficie e strutturazione) gioca un ruolo determinante nell'ottimizzazione dell'utensile da taglio, in particolare per impedire una possibile usura precoce dovuta alla formazione di trucioli (adesione del materiale del pezzo al tagliente dell'utensile).
Considerazioni e selezione del rivestimento
I requisiti prestazionali del rivestimento possono essere molto diversi. In condizioni di lavorazione con elevata temperatura del tagliente, le caratteristiche di resistenza all'usura e al calore del rivestimento diventano estremamente importanti. Ci si aspetta che i rivestimenti moderni presentino anche le seguenti caratteristiche: eccellenti prestazioni ad alta temperatura, resistenza all'ossidazione, elevata durezza (anche ad alte temperature) e tenacità microscopica (plasticità) grazie alla progettazione di strati nanostrutturati.
Per utensili da taglio efficienti, l'adesione ottimizzata del rivestimento e una distribuzione razionale delle tensioni residue sono due fattori decisivi. In primo luogo, è necessario considerare l'interazione tra il materiale del substrato e il materiale di rivestimento. In secondo luogo, dovrebbe esserci la minima affinità possibile tra il materiale di rivestimento e il materiale da lavorare. La possibilità di adesione tra il rivestimento e il pezzo può essere ridotta significativamente utilizzando una geometria dell'utensile appropriata e lucidando il rivestimento.
I rivestimenti a base di alluminio (ad esempio AlTiN) sono comunemente utilizzati come rivestimenti per utensili da taglio nell'industria del taglio. Sotto l'azione di elevate temperature di taglio, questi rivestimenti a base di alluminio possono formare uno strato sottile e denso di ossido di alluminio che si rinnova continuamente durante la lavorazione, proteggendo il rivestimento e il substrato sottostante dall'attacco ossidativo.
La durezza e la resistenza all'ossidazione di un rivestimento possono essere regolate modificando il contenuto di alluminio e la struttura del rivestimento. Ad esempio, aumentando il contenuto di alluminio, utilizzando nanostrutture o microleghe (ovvero leghe con basso contenuto di elementi), è possibile migliorare la resistenza all'ossidazione del rivestimento.
Oltre alla composizione chimica del materiale di rivestimento, anche le variazioni nella struttura del rivestimento possono influenzare significativamente le prestazioni del rivestimento stesso. Le diverse prestazioni degli utensili da taglio dipendono dalla distribuzione dei vari elementi nella microstruttura del rivestimento.
Oggigiorno, diversi strati di rivestimento singoli con diverse composizioni chimiche possono essere combinati in un unico strato composito per ottenere le prestazioni desiderate. Questa tendenza continuerà a svilupparsi in futuro, soprattutto grazie a nuovi sistemi e processi di rivestimento, come la tecnologia di rivestimento ibrido HI3 (High Ionization Triple), basata su evaporazione ad arco e sputtering, che combina tre processi di rivestimento altamente ionizzati in uno.
Come rivestimento universale, i rivestimenti a base di titanio-silicio (TiSi) offrono un'eccellente lavorabilità. Questi rivestimenti possono essere utilizzati per la lavorazione sia di acciai ad alta durezza con diverse percentuali di carburi (durezza a cuore fino a HRC 65) sia di acciai a media durezza (durezza a cuore HRC 40). La struttura del rivestimento può essere adattata alle diverse applicazioni di lavorazione. Di conseguenza, gli utensili da taglio rivestiti a base di titanio-silicio possono essere utilizzati per il taglio e la lavorazione di un'ampia gamma di materiali, dagli acciai altolegati e bassolegati agli acciai temprati e alle leghe di titanio. Test di taglio ad alta finitura su pezzi piani (durezza HRC 44) hanno dimostrato che gli utensili da taglio rivestiti possono aumentarne la durata di quasi due volte e ridurne la rugosità superficiale di circa 10 volte.
Il rivestimento a base di titanio e silicio riduce al minimo la successiva lucidatura superficiale. Tali rivestimenti saranno presumibilmente utilizzati in lavorazioni che richiedono elevate velocità di taglio, elevate temperature di taglio e alti tassi di asportazione del metallo.
Per alcuni altri rivestimenti PVD (in particolare quelli microlegati), le aziende di rivestimento collaborano attivamente con i trasformatori per ricercare e sviluppare diverse soluzioni ottimizzate per la lavorazione delle superfici. Sono quindi possibili e concretamente applicabili miglioramenti significativi nell'efficienza di lavorazione, nell'utilizzo degli utensili da taglio, nella qualità della lavorazione e nell'interazione tra materiale, rivestimento e lavorazione. Collaborando con un partner professionale nel settore dei rivestimenti, gli utenti possono aumentare l'efficienza di utilizzo dei propri utensili durante tutto il loro ciclo di vita.
Data di pubblicazione: 07-11-2022