Zurück zum Wesentlichen: Schneidwerkzeugbeschichtungen

Die Titancarbonitrid (TiCN)-Beschichtung eignet sich ideal zum Bohren und Reiben von Gusseisen, Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt, Kupfer und abrasiven Materialien. Matveev_Aleksandr/iStock/Getty Images Plus

Heutzutage ist es bei den meisten Schneidwerkzeugen üblich, dass das Substrat mit einer Art Beschichtung versehen ist. Es ist wichtig, ein Gleichgewicht zwischen einem hochwertigen Substrat und einer hochwertigen Beschichtung zu finden – das Unternehmen kann die besten verfügbaren Beschichtungen anbieten, aber ohne ein hochwertiges Substrat kann die Beschichtung unwirksam werden. Auch bei Anwendungen, bei denen unbeschichtete Werkzeuge verwendet werden, ist ein qualitativ hochwertiges Substrat von entscheidender Bedeutung.

„Beschichtungen erhöhen in erster Linie die Lebensdauer und Leistung jedes Werkzeugs“, sagte Urmil Patel, Anwendungsingenieur, OSG Canada, Burlington, Ontario. „Im Vergleich zu einer blanken Oberfläche ermöglichen Beschichtungen höhere Schnittparameter. Bei einer Beschichtung entsteht weniger Reibung gegenüber den beim Bohren austretenden Spänen, was einen geringeren Widerstand für den Spanfluss bedeutet. Sie erleichtern auch die Erkennung von Werkzeugverschleiß. Die Verwendung eines beschichteten Werkzeugs bietet viele Vorteile, aber für alle hitzebeständigen Anwendungen oder schwer zu schneidenden Materialien sind Beschichtungen ein Muss.“

Besonders sinnvoll sind Beschichtungen bei eisenhaltigen oder stahlbasierten Werkstoffen, sei es Edelstahl, hochwarmfeste Legierungen, Gusseisen oder Ähnliches. Eine Beschichtung ist fast immer notwendig, um höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen, aber auch, weil sie die Standzeit der Werkzeuge erhöhen. Mit beschichteten Werkzeugen lassen sich große Produktivitätssteigerungen erzielen.

„Unbeschichtete Werkzeuge werden hauptsächlich in Aluminium und Nichteisenmaterialien verwendet“, sagte Sarang Garud, Produktmanager bei Walter Tools, Greer, SC. ​​„Der Vorteil von unbeschichteten Werkzeugen besteht darin, dass sie noch poliert werden können, also beispielsweise mit einer polierten, unbeschichteten Hartmetall, die Späne bleiben nicht haften. Dies ist beim Schneiden von Aluminium hilfreich, da es die Qualität stabil hält. Es gibt keine Aufbaukante. Unbeschichtete Werkzeuge haben außerdem sehr scharfe Schneidkanten, da es keine Schnittstärke gibt, die einen künstlichen Schliff verleiht.“

Es gibt eine Ausnahme von der Regel, dass unbeschichtete Werkzeuge zum Schneiden von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumanteil sinnvoll sind.

„Wir neigen dazu, unbeschichtete Werkzeuge mit allem der ISO-N-Serie wie Aluminium zu sehen, insbesondere weil diese Materialien dazu neigen, weich zu sein“, sagte Scott Walrath, Business Development Manager bei CERATIZIT, Schaumburg, Ill. „Abhängig von der Aluminiumserie kann sehr abrasiv sein, weshalb eine Beschichtung sinnvoll sein kann. Unbeschichtete Werkzeuge weisen in Aluminium mit hohem Siliziumgehalt eine geringere Verschleißfestigkeit auf. Die Beschichtung dient eher dem Schmierfaktor, den sie bietet, wobei sie eher den Luftwiderstandsbeiwert als die Härte senken kann. In manchen Fällen hilft eine ZrN-Beschichtung [Zirkoniumnitrid] bei der Spanabfuhr bei Aluminium.“

Eine weitere Ausnahme bildet die Bearbeitung von Titan. Es gibt Fälle, in denen es sinnvoll ist, mit einem unbeschichteten Werkzeug zu arbeiten.

CVD ist ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen mittels thermisch induzierter chemischer Reaktionen. Das Schneidwerkzeug wird in einen CVD-Reaktor gelegt, wo durch Reaktionen zwischen verschiedenen Gasen und der erhitzten Oberfläche des Werkzeugsubstrats dünne Filmbeschichtungen gebildet werden.

Eine typische CVD-Beschichtung ist im Allgemeinen zwischen 17 und 20 μm dick, kann aber auch bis zu 5 μm dünn sein. Zu den CVD-Beschichtungen gehören größtenteils Titankarbid (TiC), Titankohlenstoffnitrid (TiCN), Titannitrid (TiN) und Aluminiumoxid (Al2O3).

CVD-Beschichtungen eignen sich ideal für allgemeine Drehbearbeitungen, insbesondere bei Stahl- und Edelstahlanwendungen. Die Dicke der Beschichtung sorgt für Verschleißfestigkeit, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Kolkverschleiß häufig auftritt.

Die vergrößerte Oberflächenstruktur zeigt den Standard-PVD-Prozess (oben), den HiPIMS-PVD-Prozess der WNN10/WSM01-Typen von Walter (Mitte) und die Größe eines menschlichen Haares im Vergleich zur HiPIMS-Oberfläche (unten). Walter

Sie werden auch für Frässorten in ISO P, ISO M und ISO K verwendet.

„CVDs haben im Allgemeinen eine dickere Beschichtung und sind ideal für Gusseisen, Stahl oder alle Anwendungen, die ein robusteres Werkzeug oder eine hohe Tragfähigkeit erfordern“, sagte Garud. „Beim Drehen, insbesondere wenn die Schnitte kontinuierlich und nicht unterbrochen sind, können Sie die dicke CVD-Beschichtung für eine lange Werkzeugstandzeit bei höchsten Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben nutzen.“

Diamantbeschichtungen, seien es diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC) oder polykristalliner Diamant (PCD), werden mittels CVD-Anwendung aufgetragen. Diese Beschichtungen sind ideal für extrem abrasive Materialien wie Graphit oder kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK).

„Bei mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichteten Werkzeugen ermöglicht diese Beschichtung ein gutes Polieren der Nuten, was bedeutet, dass sie einen geringeren Reibungskoeffizienten mit Nichteisenmaterialien aufweist“, sagte Patel. „DLC-Beschichtungen sind insbesondere in Produktionsumgebungen mit hohen Stückzahlen sinnvoll, in denen es wichtig ist, die Langlebigkeit des Werkzeugs zu berücksichtigen. Hier glänzen DLCs wirklich.“

Da Diamant eines der härtesten Materialien ist, die der Mensch kennt, kann er auch für Aluminium mit hohem Siliziumgehalt verwendet werden, das tendenziell sehr abrasiv ist. Viele Stecheinsätze verwenden eine Schneidkante mit PCD-gelöteten Spitzen, insbesondere für Anwendungen in der Medizintechnik.

Die PVD-Technologie basiert auf einer physikalischen Reaktionsmethode und nicht auf der chemischen Reaktion des CVD-Prozesses. Unter Vakuumbedingungen wird ein Materialdampf auf der Oberfläche des Substrats kondensiert. Der Prozess verwendet eine niedrigere Temperatur als CVD und daher werden die Substrateigenschaften weniger beeinflusst. Dadurch eignet es sich besonders für feinkörnige Hartmetalle und andere zähe Materialien.

„Da die Temperatur des Prozesses recht niedrig ist, sind die Beschichtungen nicht so dick wie beim CVD-Gegenstück“, sagte Garud. „Das bedeutet, dass es eine viel schärfere Kante haben kann. PVDs werden typischerweise zum Drehen von Edelstahl oder zur Bearbeitung von Superlegierungen wie INCONEL und einigen Titananwendungen verwendet. PVD-Sorten eignen sich auch zum Einstechen, da sie zur Mitte des Werkstücks hin eine sehr niedrige Schnittgeschwindigkeit aufweisen, was eine zähe Sorte erfordert. Beim Fräsen handelt es sich von Natur aus um einen unterbrochenen Schnitt, der auch eine zähe Sorte erfordert, sodass Sie viel mehr PVD-Beschichtungen sehen werden, obwohl wir beginnen, einige CVD-Beschichtungen zum Nuten und Fräsen zu sehen.“

Eine typische PVD-Beschichtung kann etwa 5 μm dick sein.

HiPIMS ist eine fortschrittliche, wenn auch komplexe PVD-Methode, die eine nahezu vollständige Ionisierung des Beschichtungsmetalls erreicht. Diese Technologie zeichnet sich durch eine extrem dünne und dichte Beschichtung im Dickenbereich von 1 bis 2 µm aus.

„Obwohl es sehr dünn ist, ist es die Dichte, die es zu etwas Besonderem macht“, sagte Garud. „Das macht es außergewöhnlich glatt, fast so, als ob es mit einem Spiegel bearbeitet würde. Diese Beschichtung begrenzt die Aufbaukante und verhindert, dass die Späne am Substrat oder Werkzeug haften bleiben. Es ist ideal für einige Aluminium- und Superlegierungsanwendungen. Sie sind tendenziell teurer, weil wir sie für die Bearbeitung von Dingen wie INCONEL oder einer Schlichtsorte eher auf geschliffene Wendeschneidplatten setzen. Und der Preis spiegelt die Kombination aus Sorte und Beschichtung wider.“

Dragonskin von CERATIZIT wird mithilfe der Nanobeschichtungstechnologie aufgetragen, die robuste Schichten erzeugt und Schnittkantenbrüche reduziert. CERATIZIT

„Viele Beschichtungsunternehmen bieten mittlerweile ein so breites Spektrum an Beschichtungstechnologien an und versuchen, hinsichtlich der Bearbeitungsanwendung sehr spezifische Angaben zu machen, unabhängig davon, ob es sich um Schruppen oder Schlichten handelt. Und sie werden sich auch das Werkstückmaterial ansehen“, sagte Walrath. „Heutige Beschichtungen sind für bestimmte Anwendungen optimiert.“

Von den verfügbaren Standardbeschichtungen sind TiN, Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Aluminiumtitannitrid (AlTiN) und TiCN am häufigsten. Beim CVD-Verfahren sind dies die vier häufigsten Beschichtungen, während beim PVD-Verfahren diese und nahezu alle anderen Materialien als Beschichtung verwendet werden können.

Zinn. Hierbei handelt es sich um eine weit verbreitete Standardbeschichtung mit universellen Einsatzmöglichkeiten. Es kann in Stahl, Messing, Gusseisen und Aluminium verwendet werden, es ist jedoch eine Flüssigkeitskühlung erforderlich. Es bietet eine drei- bis viermal längere Standzeit als unbeschichtete Werkzeuge.

TiAlN. Dies ist eine Allzweckbeschichtung, die auch für unterbrochene Schnitte geeignet ist. Es behält seine Hochtemperaturhärte und Oxidationsbeständigkeit sowie hohe Schnittgeschwindigkeiten bei, wobei die Kühlung für den Erfolg nicht unbedingt erforderlich ist. Bei manchen Anwendungen kann die Werkzeugstandzeit zehnmal länger sein als bei unbeschichteten Optionen.

Gold. Dies ist eine härtere, glattere Variante von TiAlN, die sich ideal für die Trockenbearbeitung und die Bearbeitung von Titanlegierungen, INCONEL, rostfreien Legierungen und Gusseisen eignet. Es behält auch bei sehr hohen Temperaturen eine hohe Härte. Es bietet eine bis zu 14-mal längere Standzeit als unbeschichtete Werkzeuge.

TiCN. TiCN eignet sich ideal zum Bohren und Reiben von Gusseisen, Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt, Kupfer und abrasiven Materialien und weist eine sehr hohe Härte bei guten Zähigkeitseigenschaften auf. Für höhere Schnittgeschwindigkeiten ist Kühlmittel bzw. Kühlung an der Schneidkante erforderlich. Es bietet eine fünfmal längere Standzeit als unbeschichtete Werkzeuge.

„Einige der Technologien wie Mitteltemperatur-Titankohlenstoffnitrid gibt es seit Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre“, sagte Garud. „Das sind tolle Möglichkeiten, den Freiflächenverschleiß zu reduzieren.“

Mehrschichtige Beschichtungen erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Sie bieten extreme Zähigkeit in sehr dünnen Schichten, manchmal nur 1 oder 2 nm dick. Einer der Vorteile der Verwendung einer Mehrschichtbeschichtung besteht darin, dass sie verhindert, dass sich Risse während des Bearbeitungsprozesses über die ursprünglichen Schichten hinaus ausbreiten.

„Wir sehen mehr Mehrschichtbeschichtungen beim Vollhartmetallbohren, aber auch beim Drehen und Fräsen“, sagte Garud. „Mehrschichtige Beschichtungen sind derzeit wirklich der größte Trend. Mehrschichtige Beschichtungen sind tendenziell deutlich elastischer, da sie im Vergleich zu einschichtigen Beschichtungen über extrem gut verbundene Schichten verfügen. Es neigt nicht zum Abblättern, was die Lebenserwartung des Werkzeugs deutlich erhöht. Tiger-tec Gold zum Drehen von Stählen ist ein Beispiel für die neueste Generation mehrschichtiger CVD-Beschichtungen.“

Ein weiterer Vorteil von Mehrschichtbeschichtungen besteht darin, dass sie die Schichtung einer Vielzahl unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen durch die Beschichtungsstruktur ermöglichen. Dadurch kann die Beschichtung ein breiteres Anwendungsspektrum bieten.

Mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtete Werkzeuge ermöglichen ein gutes Polieren der Nuten, was bedeutet, dass sie einen geringeren Reibungskoeffizienten mit Nichteisenmaterialien aufweisen. OSG-Tool

„Zum Beispiel handelt es sich bei der Dragonskin-Beschichtung von CERATIZIT um eine Nanolayer-Beschichtung mit verschiedenen Schichten“, sagte Walrath. „Wenn man die Größe eines menschlichen Haares nimmt, kommt man auf eine Dicke von 100.000 nm. Diese Beschichtung ist weniger als 100 nm dick und innerhalb dieser Dicke gibt es eine Vielzahl von Schichten unterschiedlicher Beschichtungen. Da es über eine Vielzahl unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen verfügt, bietet es Ihnen eine sehr breite Anwendungsbasis, dennoch können Sie fast eine vollständige Optimierung erreichen, da in dieser Zusammensetzung eine Komponente enthalten ist, die für die jeweilige Bearbeitungsanwendung ideal ist.“

Mit den verschiedenen Schichten innerhalb der Beschichtung können Hersteller von Schneidwerkzeugen das Produkt an spezifische Anwendungs- oder Materialherausforderungen anpassen. Jede Schicht bietet ihre eigenen Eigenschaften und Spezifikationen, wie Härte, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Schmierfähigkeit, und die Kombination dieser Schichten bietet universellere Vorteile.

Bei dieser Art der Beschichtung kommt in der Regel eine PVD-Aufbringung zum Einsatz.

Mitherausgeberin Lindsay Luminoso ist unter [email protected] erreichbar.

CERATIZIT, www.cuttingtools.ceratizit.com

OSG-Tool, www.osgtool.com

Walter Tools, www.walter-tools.com