Belegg for skjæreverktøy forbedrer friksjons- og slitasjeegenskapene til skjæreverktøy, og det er derfor de er viktige i skjæreoperasjoner. I mange år har leverandører av overflatebehandlingsteknologi utviklet tilpassede beleggløsninger for å forbedre slitestyrke, maskineringseffektivitet og levetid for skjæreverktøy. Den unike utfordringen kommer fra oppmerksomheten mot og optimaliseringen av fire elementer: (i) før- og etterbeleggbehandling av skjæreverktøyoverflater; (ii) beleggmaterialer; (iii) beleggstrukturer; og (iv) integrert prosesseringsteknologi for belagte skjæreverktøy.
Kilder til slitasje på skjæreverktøy
Under skjæreprosessen oppstår det noen slitasjemekanismer i kontaktsonen mellom skjæreverktøyet og arbeidsstykkematerialet. For eksempel bundet slitasje mellom sponen og skjæreflaten, slipende slitasje av verktøyet fra harde punkter i arbeidsstykkematerialet og slitasje forårsaket av friksjonskjemiske reaksjoner (kjemiske reaksjoner i materialet forårsaket av mekanisk påvirkning og høye temperaturer). Siden disse friksjonsspenningene reduserer skjæreverktøyets skjærekraft og forkorter verktøyets levetid, påvirker de hovedsakelig maskineringseffektiviteten til skjæreverktøyet.
Overflatebelegget reduserer friksjonseffekten, mens skjæreverktøyets basismateriale støtter belegget og absorberer mekanisk stress. Den forbedrede ytelsen til friksjonssystemet kan spare materiale og redusere energiforbruket i tillegg til å øke produktiviteten.
Beleggets rolle i å redusere prosesseringskostnader
Skjæreverktøyets levetid er en viktig kostnadsfaktor i produksjonssyklusen. Skjæreverktøyets levetid kan blant annet defineres som den tiden en maskin kan maskineres uten avbrudd før vedlikehold er nødvendig. Jo lenger skjæreverktøyets levetid er, desto lavere blir kostnadene på grunn av produksjonsavbrudd og desto mindre vedlikeholdsarbeid må maskinen gjøre.
Selv ved svært høye skjæretemperaturer kan levetiden til skjæreverktøyet forlenges med belegg, noe som reduserer maskineringskostnadene betydelig. I tillegg kan belegg av skjæreverktøy redusere behovet for smørevæsker. Ikke bare reduserer materialkostnadene, men bidrar også til å beskytte miljøet.
Effekt av før- og etterbeleggsbehandling på produktivitet
I moderne skjæreoperasjoner må skjæreverktøy tåle høyt trykk (>2 GPa), høye temperaturer og konstante sykluser med termisk stress. Før og etter belegget av skjæreverktøyet må det behandles med riktig prosess.
Før belegg på skjæreverktøyet kan ulike forbehandlingsmetoder brukes for å forberede den påfølgende beleggprosessen, samtidig som beleggets heft forbedres betydelig. Ved å arbeide sammen med belegget kan forberedelsen av verktøyets skjærekant også øke skjærehastigheten og matehastigheten, og forlenge skjæreverktøyets levetid.
Etterbehandlingen av belegget (kantforberedelse, overflatebehandling og strukturering) spiller også en avgjørende rolle i optimaliseringen av skjæreverktøyet, spesielt for å forhindre mulig tidlig slitasje på grunn av spondannelse (binding av arbeidsstykkemateriale til skjærekanten på verktøyet).
Hensyn til og valg av belegg
Kravene til beleggets ytelse kan være svært forskjellige. Under maskineringsforhold der skjærekanttemperaturen er høy, blir beleggets varmebestandige slitasjeegenskaper ekstremt viktige. Det forventes at moderne belegg også bør ha følgende egenskaper: utmerket ytelse ved høye temperaturer, oksidasjonsmotstand, høy hardhet (selv ved høye temperaturer) og mikroskopisk seighet (plastisitet) gjennom utformingen av nanostrukturerte lag.
For effektive skjæreverktøy er optimalisert beleggheft og en rimelig fordeling av restspenninger to avgjørende faktorer. For det første må samspillet mellom substratmaterialet og beleggmaterialet vurderes. For det andre bør det være så liten affinitet som mulig mellom beleggmaterialet og materialet som skal bearbeides. Muligheten for heft mellom belegget og arbeidsstykket kan reduseres betydelig ved å bruke en passende verktøygeometri og polere belegget.
Aluminiumbaserte belegg (f.eks. AlTiN) brukes ofte som belegg for skjæreverktøy i skjæreindustrien. Under påvirkning av høye skjæretemperaturer kan disse aluminiumbaserte beleggene danne et tynt og tett lag med aluminiumoksid som kontinuerlig fornyer seg under maskinering, og beskytter belegget og substratmaterialet under det mot oksidativt angrep.
Hardheten og oksidasjonsmotstanden til et belegg kan justeres ved å endre aluminiuminnholdet og beleggstrukturen. For eksempel, ved å øke aluminiuminnholdet, bruke nanostrukturer eller mikrolegering (dvs. legering med elementer med lavt innhold), kan oksidasjonsmotstanden til belegget forbedres.
I tillegg til den kjemiske sammensetningen av beleggmaterialet, kan endringer i beleggstrukturen påvirke beleggets ytelse betydelig. Den forskjellige ytelsen til skjæreverktøyet avhenger av fordelingen av de ulike elementene i beleggets mikrostruktur.
I dag kan flere enkeltlag med ulik kjemisk sammensetning kombineres til et sammensatt lag for å oppnå ønsket ytelse. Denne trenden vil fortsette å utvikle seg i fremtiden – spesielt gjennom nye beleggssystemer og beleggsprosesser, som HI3 (High Ionization Triple) buefordampning og sputtering hybridbeleggteknologi som kombinerer tre høyioniserte beleggsprosesser i én.
Som et allsidig belegg tilbyr titan-silisiumbaserte (TiSi) belegg utmerket maskinbearbeidbarhet. Disse beleggene kan brukes til bearbeiding av både høyharde ståltyper med ulikt karbidinnhold (kjernehardhet opptil HRC 65) og ståltyper med middels hardhet (kjernehardhet HRC 40). Utformingen av beleggstrukturen kan tilpasses de ulike maskineringsapplikasjonene. Som et resultat kan titan-silikonbaserte belagte skjæreverktøy brukes til skjæring og bearbeiding av et bredt spekter av arbeidsstykkematerialer, fra høylegerte og lavlegerte ståltyper til herdede ståltyper og titanlegeringer. Høyfinish-skjæretester på flate arbeidsstykker (hardhet HRC 44) har vist at belagte skjæreverktøy kan øke levetiden med nesten dobbelt så mye og redusere overflateruheten med omtrent 10 ganger.
Det titan-silisiumbaserte belegget minimerer påfølgende overflatepolering. Slike belegg forventes å bli brukt i prosessering med høye skjærehastigheter, høye eggtemperaturer og høye metallfjerningshastigheter.
For noen andre PVD-belegg (spesielt mikrolegerte belegg) samarbeider beleggsselskaper også tett med prosessorer for å forske på og utvikle ulike optimaliserte overflatebehandlingsløsninger. Derfor er betydelige forbedringer i maskineringseffektivitet, bruk av skjæreverktøy, maskineringskvalitet og samspillet mellom materiale, belegg og maskinering mulige, og praktisk anvendelige. Ved å samarbeide med en profesjonell beleggspartner kan brukere øke utnyttelseseffektiviteten til verktøyene sine gjennom hele livssyklusen.
Publisert: 07. november 2022