Snijgereedschapcoatings verbeteren de wrijvings- en slijtage-eigenschappen van snijgereedschappen, waardoor ze essentieel zijn bij snijbewerkingen. Aanbieders van oppervlaktebehandelingstechnologie ontwikkelen al jarenlang 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) voor- en nabewerking van snijgereedschapsoppervlakken; (ii) coatingmaterialen; (iii) coatingstructuren; en (iv) geïntegreerde verwerkingstechnologie voor gecoate snijgereedschappen.
Slijtagebronnen van snijgereedschap
Tijdens het snijproces treden er verschillende slijtageprocessen op in de contactzone tussen het snijgereedschap en het werkstukmateriaal. Voorbeelden hiervan zijn hechtingsslijtage tussen de spanen en het snijoppervlak, abrasieve slijtage van het gereedschap door harde punten in het werkstukmateriaal en slijtage veroorzaakt door wrijvingsreacties (chemische reacties van het materiaal als gevolg van mechanische belasting en hoge temperaturen). Omdat deze wrijvingsspanningen de snijkracht van het snijgereedschap verminderen en de levensduur ervan verkorten, beïnvloeden ze met name de bewerkingsefficiëntie van het snijgereedschap.
De oppervlaktecoating vermindert de wrijving, terwijl het basismateriaal van het snijgereedschap de coating ondersteunt en mechanische spanningen absorbeert. De verbeterde prestaties van het wrijvingssysteem kunnen materiaal besparen, het energieverbruik verlagen en de productiviteit verhogen.
De rol van coating bij het verlagen van verwerkingskosten
De levensduur van een snijgereedschap is een belangrijke kostenfactor in de productiecyclus. De levensduur van een snijgereedschap kan onder andere worden gedefinieerd als de tijd dat een machine ononderbroken kan bewerken voordat onderhoud nodig is. Hoe langer de levensduur van het snijgereedschap, hoe lager de kosten als gevolg van productieonderbrekingen en hoe minder onderhoud de machine hoeft te verrichten.
Zelfs bij zeer hoge snijtemperaturen kan de levensduur van het snijgereedschap worden verlengd door een coating, waardoor de bewerkingskosten aanzienlijk worden verlaagd. Bovendien kan een coating de behoefte aan smeervloeistoffen verminderen. Dit leidt niet alleen tot lagere materiaalkosten, maar draagt ook bij aan de bescherming van het milieu.
Effect van voor- en nabewerking op de productiviteit
Bij moderne snijbewerkingen moeten snijgereedschappen bestand zijn tegen hoge drukken (>2 GPa), hoge temperaturen en constante thermische spanningscycli. Vóór en na het coaten van het snijgereedschap moet het daarom met een geschikt proces worden behandeld.
Voordat een snijgereedschap wordt gecoat, kunnen verschillende voorbehandelingsmethoden worden toegepast om het gereedschap voor te bereiden op het daaropvolgende coatingproces. Deze voorbehandeling verbetert tevens de hechting van de coating aanzienlijk. Door de combinatie met de coating kan de voorbereiding van de snijkant van het gereedschap ook de snijsnelheid en de voeding verhogen en de levensduur van het snijgereedschap verlengen.
De nabewerking van de coating (randvoorbereiding, oppervlaktebehandeling en structurering) speelt ook een bepalende rol bij de optimalisatie van het snijgereedschap, met name om mogelijke vroegtijdige slijtage door spaanvorming (hechting van werkstukmateriaal aan de snijkant van het gereedschap) te voorkomen.
Overwegingen en selectie met betrekking tot coatings
De eisen aan de prestaties van coatings kunnen sterk uiteenlopen. Onder bewerkingsomstandigheden waarbij de temperatuur van de snijkant hoog is, worden de hittebestendige slijtage-eigenschappen van de coating uiterst belangrijk. Van moderne coatings wordt verwacht dat ze ook de volgende eigenschappen bezitten: uitstekende prestaties bij hoge temperaturen, oxidatieweerstand, hoge hardheid (zelfs bij hoge temperaturen) en microscopische taaiheid (plasticiteit) door het ontwerp van nanogestructureerde lagen.
Voor efficiënte snijgereedschappen zijn een optimale hechting van de coating en een redelijke verdeling van de restspanningen twee cruciale 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.
Aluminiumhoudende coatings (bijv. AlTiN) worden veelvuldig gebruikt als coating voor snijgereedschappen in de snij- en verspaningsindustrie. Onder invloed van hoge snijtemperaturen kunnen deze aluminiumhoudende coatings een dunne en dichte laag aluminiumoxide vormen die zichzelf tijdens het bewerken continu vernieuwt en de coating en het onderliggende substraat beschermt tegen oxidatie.
De hardheid en oxidatieweerstand van een coating kunnen worden aangepast door het aluminiumgehalte en de coatingstructuur te wijzigen. Zo kan bijvoorbeeld de oxidatieweerstand van de coating worden verbeterd door het aluminiumgehalte te verhogen, nanostructuren te gebruiken of micro-legeringen toe te passen (dat wil zeggen, legeren met elementen met een laag gehalte).
Naast de chemische samenstelling van het coatingmateriaal kunnen veranderingen in de coatingstructuur de prestaties ervan aanzienlijk beïnvloeden. De verschillende prestaties van het snijgereedschap zijn afhankelijk van de verdeling van de diverse elementen in de microstructuur van de coating.
Tegenwoordig kunnen verschillende afzonderlijke coatinglagen met verschillende chemische samenstellingen worden gecombineerd tot een composietcoatinglaag om de gewenste prestaties te bereiken. Deze trend zal zich in de toekomst verder ontwikkelen, met name door nieuwe coatingsystemen en -processen, zoals de HI3 (High Ionization Triple) hybride coatingtechnologie, een combinatie van boogverdamping en sputteren, die drie sterk geïoniseerde coatingprocessen combineert.
Titaansiliciumcoatings (TiSi) bieden als allround coatings uitstekende bewerkbaarheid. Deze coatings kunnen worden gebruikt voor de bewerking van zowel staal met een hoge hardheid en verschillende carbidegehaltes (kernhardheid tot HRC 65) als staal met een gemiddelde hardheid (kernhardheid HRC 40). De structuur van de coating kan worden aangepast aan de verschillende bewerkingsprocessen. Hierdoor kunnen snijgereedschappen met een titaansiliciumcoating worden gebruikt voor het snijden en bewerken van een breed scala aan werkstukmaterialen, van hooggelegeerd en laaggelegeerd staal tot gehard staal en titaanlegeringen. Tests met een hoge snijkwaliteit op vlakke werkstukken (hardheid HRC 44) hebben aangetoond dat gecoate snijgereedschappen hun levensduur bijna kunnen verdubbelen en de oppervlakteruwheid met ongeveer een factor 10 kunnen verminderen.
De coating op basis van titanium-silicium minimaliseert de noodzaak tot nabewerking. Dergelijke coatings zullen naar verwachting worden gebruikt bij bewerkingen met hoge snijsnelheden, hoge snijkanttemperaturen en hoge metaalafvoersnelheden.
Voor sommige andere PVD-coatings (met name microgelegeerde coatings) werken coatingbedrijven ook nauw samen met verwerkers om diverse geoptimaliseerde oppervlaktebehandelingsoplossingen te onderzoeken en te ontwikkelen. Hierdoor zijn aanzienlijke verbeteringen in bewerkingsefficiëntie, gereedschapsgebruik, 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 gereedschap gedurende de gehele levenscyclus verhogen.
Geplaatst op: 7 november 2022