Coatings voor snijgereedschappen verbeteren de wrijvings- en slijtage-eigenschappen van snijgereedschappen en zijn daarom essentieel bij snijbewerkingen. Leveranciers van oppervlaktebewerkingstechnologie ontwikkelen al jaren coatingoplossingen op maat om de slijtvastheid, bewerkingsefficiëntie en levensduur van snijgereedschappen te verbeteren. De unieke uitdaging ligt in de aandacht voor en optimalisatie van vier elementen: (i) de voor- en nabewerking van snijgereedschapsoppervlakken; (ii) coatingmaterialen; (iii) coatingstructuren; en (iv) geïntegreerde verwerkingstechnologie voor gecoate snijgereedschappen.
Bronnen van slijtage van snijgereedschappen
Tijdens het snijproces treden er slijtageverschijnselen op in de contactzone tussen het snijgereedschap en het werkstukmateriaal. Bijvoorbeeld: gebonden slijtage tussen de spaan en het snijvlak, abrasieve slijtage van het gereedschap door harde plekken in het werkstukmateriaal, en slijtage veroorzaakt door chemische wrijvingsreacties (chemische reacties van het materiaal veroorzaakt door mechanische belasting en hoge temperaturen). Omdat deze wrijvingsspanningen de snijkracht van het snijgereedschap verminderen en de standtijd verkorten, beïnvloeden ze voornamelijk de bewerkingsefficiëntie van het snijgereedschap.
De oppervlaktecoating vermindert het wrijvingseffect, terwijl het basismateriaal van het snijgereedschap de coating ondersteunt en mechanische spanning absorbeert. De verbeterde prestaties van het wrijvingssysteem kunnen materiaal besparen en het energieverbruik verlagen, naast een hogere productiviteit.
De rol van coating bij het verlagen van verwerkingskosten
De levensduur van snijgereedschappen is een belangrijke kostenfactor in de productiecyclus. De levensduur van snijgereedschappen kan onder andere worden gedefinieerd als de tijd dat een machine zonder onderbreking kan worden bewerkt voordat onderhoud nodig is. Hoe langer de levensduur van snijgereedschappen, hoe lager de kosten als gevolg van productieonderbrekingen en hoe minder onderhoudswerkzaamheden de machine hoeft uit te voeren.
Zelfs bij zeer hoge snijtemperaturen kan de levensduur van het snijgereedschap worden verlengd met een coating, waardoor de bewerkingskosten aanzienlijk worden verlaagd. Bovendien kan een coating van het snijgereedschap de behoefte aan smeermiddelen verminderen. Dit verlaagt niet alleen de materiaalkosten, maar draagt ook bij aan de bescherming van het milieu.
Effect van pre- en postcoating op de productiviteit
Bij moderne snijbewerkingen moeten snijgereedschappen bestand zijn tegen hoge druk (>2 GPa), hoge temperaturen en constante thermische belasting. Vóór en na het coaten van het snijgereedschap moet het met de juiste behandeling worden behandeld.
Vóór het coaten van snijgereedschap kunnen verschillende voorbehandelingsmethoden worden toegepast ter voorbereiding op het daaropvolgende coatingproces, waarbij de hechting van de coating aanzienlijk wordt verbeterd. Door samen te werken met de coating kan de voorbereiding van de snijkant van het gereedschap ook de snijsnelheid en voedingssnelheid verhogen en de levensduur van het gereedschap verlengen.
Ook de nabewerking van de coating (kantenvoorbereiding, oppervlaktebewerking en structurering) speelt een bepalende rol bij de optimalisatie van het snijgereedschap, met name om mogelijke vroegtijdige slijtage door spaanvorming (binding van werkstukmateriaal aan de snijkant van het gereedschap) te voorkomen.
Overwegingen en selectie van coatings
De eisen aan de coatingprestaties kunnen sterk uiteenlopen. Onder bewerkingsomstandigheden waarbij de snijkanttemperatuur hoog is, worden de hittebestendige, slijtvaste eigenschappen van de coating extreem belangrijk. Verwacht wordt dat moderne coatings ook de volgende eigenschappen moeten hebben: uitstekende prestaties bij hoge temperaturen, oxidatiebestendigheid, hoge hardheid (zelfs bij hoge temperaturen) en microscopische taaiheid (plasticiteit) door het ontwerp van nanogestructureerde lagen.
Voor efficiënte snijgereedschappen zijn geoptimaliseerde hechting van de coating en een redelijke verdeling van restspanningen twee doorslaggevende factoren. Ten eerste moet rekening worden gehouden met de interactie tussen het substraatmateriaal en het coatingmateriaal. Ten tweede moet er zo min mogelijk affiniteit zijn tussen het coatingmateriaal en het te bewerken materiaal. De kans op hechting tussen de coating en het werkstuk kan aanzienlijk worden verminderd door een geschikte gereedschapsgeometrie te gebruiken en de coating te polijsten.
Coatings op basis van aluminium (bijv. AlTiN) worden veel gebruikt als coatings voor snijgereedschappen in de snij-industrie. Onder invloed van hoge snijtemperaturen kunnen deze coatings op basis van aluminium een dunne en dichte laag aluminiumoxide vormen die zich tijdens het bewerken continu vernieuwt en de coating en het onderliggende substraat beschermt tegen oxidatieve aantasting.
De hardheid en oxidatiebestendigheid van een coating kunnen worden aangepast door het aluminiumgehalte en de structuur van de coating te wijzigen. Door bijvoorbeeld het aluminiumgehalte te verhogen, nanostructuren te gebruiken of microlegering (d.w.z. legeren met een laag elementgehalte) kan de oxidatiebestendigheid van de coating worden verbeterd.
Naast de chemische samenstelling van het coatingmateriaal kunnen veranderingen in de coatingstructuur de prestaties van de coating aanzienlijk beïnvloeden. De verschillende prestaties van het snijgereedschap zijn afhankelijk van de verdeling van de verschillende elementen in de microstructuur van de coating.
Tegenwoordig kunnen meerdere enkelvoudige coatinglagen met verschillende chemische samenstellingen worden gecombineerd tot een samengestelde coatinglaag om de gewenste prestaties te verkrijgen. Deze trend zal zich in de toekomst verder ontwikkelen, met name dankzij nieuwe coatingsystemen en -processen, zoals de HI3 (High Ionization Triple) boogverdamping en sputterhybridecoatingtechnologie, die drie sterk geïoniseerde coatingprocessen in één combineert.
Als allround coating bieden titanium-silicium coatings (TiSi) uitstekende bewerkbaarheid. Deze coatings kunnen worden gebruikt voor de bewerking van zowel hooggeharde staalsoorten met verschillende hardheidsgehaltes (kernhardheid tot HRC 65) als middelharde staalsoorten (kernhardheid HRC 40). Het ontwerp van de coatingstructuur kan worden aangepast aan de verschillende bewerkingstoepassingen. Hierdoor kunnen titanium-silicium gecoate snijgereedschappen worden gebruikt voor het snijden en bewerken van een breed scala aan werkstukmaterialen, van hooggelegeerd en laaggelegeerd staal tot gehard staal en titaniumlegeringen. Testen met hoge afwerking op vlakke werkstukken (hardheid HRC 44) hebben aangetoond dat gecoate snijgereedschappen de levensduur bijna kunnen verdubbelen en de oppervlakteruwheid ongeveer tien keer kunnen verlagen.
De titanium-silicium coating minimaliseert het daaropvolgende polijsten van het oppervlak. Dergelijke coatings zullen naar verwachting worden gebruikt bij bewerkingen met hoge snijsnelheden, hoge snijkanttemperaturen en hoge metaalverwijderingssnelheden.
Voor sommige andere PVD-coatings (met name microgelegeerde coatings) werken coatingbedrijven ook nauw samen met verwerkers om diverse geoptimaliseerde oplossingen voor oppervlaktebewerking te onderzoeken en te ontwikkelen. Hierdoor zijn aanzienlijke verbeteringen in bewerkingsefficiëntie, gebruik van snijgereedschappen, bewerkingskwaliteit en de interactie tussen materiaal, coating en bewerking mogelijk en praktisch toepasbaar. Door samen te werken met een professionele coatingpartner kunnen gebruikers de benuttingsefficiëntie van hun gereedschappen gedurende hun hele levenscyclus verhogen.
Plaatsingstijd: 07-11-2022