Schneidwerkzeugbeschichtungen verbessern die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Schneidwerkzeugen und sind daher bei Schneidvorgängen unerlässlich.Seit vielen Jahren entwickeln Anbieter von Oberflächenbearbeitungstechnologien maßgeschneiderte Beschichtungslösungen, um die Verschleißfestigkeit, Bearbeitungseffizienz und Lebensdauer von Schneidwerkzeugen zu verbessern.Die einzigartige Herausforderung ergibt sich aus der Aufmerksamkeit und Optimierung von vier Elementen: (i) Bearbeitung der Schneidwerkzeugoberflächen vor und nach der Beschichtung;(ii) Beschichtungsmaterialien;(iii) Beschichtungsstrukturen;und (iv) integrierte Verarbeitungstechnologie für beschichtete Schneidwerkzeuge.
Ursachen für den Verschleiß von Schneidwerkzeugen
Während des Schneidvorgangs treten in der Kontaktzone zwischen Schneidwerkzeug und Werkstückmaterial einige Verschleißmechanismen auf.Zum Beispiel gebundener Verschleiß zwischen Span und Schneidfläche, abrasiver Verschleiß des Werkzeugs durch harte Stellen im Werkstückmaterial und Verschleiß durch chemische Reibungsreaktionen (chemische Reaktionen des Materials durch mechanische Einwirkung und hohe Temperaturen).Da diese Reibungsspannungen die Schnittkraft des Schneidwerkzeugs verringern und die Standzeit verkürzen, wirken sie sich hauptsächlich auf die Bearbeitungseffizienz des Schneidwerkzeugs aus.
Die Oberflächenbeschichtung reduziert den Reibungseinfluss, während das Schneidwerkzeuggrundmaterial die Beschichtung unterstützt und mechanische Belastungen aufnimmt.Die verbesserte Leistung des Reibsystems kann neben der Steigerung der Produktivität auch Material einsparen und den Energieverbrauch senken.
Die Rolle der Beschichtung bei der Reduzierung der Verarbeitungskosten
Die Standzeit von Schneidwerkzeugen ist ein wichtiger Kostenfaktor im Produktionszyklus.Die Standzeit eines Schneidwerkzeugs kann unter anderem als die Zeit definiert werden, die eine Maschine ohne Unterbrechung bearbeitet werden kann, bevor eine Wartung erforderlich ist.Je länger die Standzeit des Schneidwerkzeugs ist, desto geringer sind die Kosten durch Produktionsunterbrechungen und desto weniger Wartungsarbeiten müssen an der Maschine durchgeführt werden.
Selbst bei sehr hohen Schnitttemperaturen kann durch die Beschichtung die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängert und so die Bearbeitungskosten deutlich gesenkt werden.Darüber hinaus kann die Beschichtung von Schneidwerkzeugen den Bedarf an Schmierflüssigkeiten reduzieren.Reduziert nicht nur die Materialkosten, sondern trägt auch zur Schonung der Umwelt bei.
Einfluss der Vor- und Nachbearbeitung der Beschichtung auf die Produktivität
Bei modernen Zerspanungsvorgängen müssen Schneidwerkzeuge hohen Drücken (>2 GPa), hohen Temperaturen und konstanten thermischen Belastungszyklen standhalten.Vor und nach der Beschichtung des Schneidwerkzeugs muss dieses mit dem entsprechenden Verfahren behandelt werden.
Vor der Beschichtung von Schneidwerkzeugen können verschiedene Vorbehandlungsmethoden eingesetzt werden, um den nachfolgenden Beschichtungsprozess vorzubereiten und gleichzeitig die Haftung der Beschichtung deutlich zu verbessern.In Verbindung mit der Beschichtung kann die Vorbereitung der Werkzeugschneide auch die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub erhöhen und die Standzeit des Schneidwerkzeugs verlängern.
Auch die Beschichtungsnachbearbeitung (Kantenvorbereitung, Oberflächenbearbeitung und Strukturierung) spielt eine entscheidende Rolle bei der Optimierung des Schneidwerkzeugs, insbesondere um einem möglichen vorzeitigen Verschleiß durch Spanbildung (Verklebung des Werkstückmaterials mit der Schneidkante) vorzubeugen Werkzeug).
Überlegungen und Auswahl der Beschichtung
Die Anforderungen an die Beschichtungsleistung können sehr unterschiedlich sein.Unter Bearbeitungsbedingungen, bei denen die Temperatur der Schneidkante hoch ist, sind die hitzebeständigen Verschleißeigenschaften der Beschichtung äußerst wichtig.Es wird erwartet, dass moderne Beschichtungen auch folgende Eigenschaften aufweisen sollten: hervorragende Hochtemperaturleistung, Oxidationsbeständigkeit, hohe Härte (auch bei hohen Temperaturen) und mikroskopische Zähigkeit (Plastizität) durch die Gestaltung nanostrukturierter Schichten.
Für effiziente Schneidwerkzeuge sind eine optimale Schichthaftung und eine sinnvolle Eigenspannungsverteilung zwei entscheidende Faktoren.Zunächst muss die Wechselwirkung zwischen dem Substratmaterial und dem Beschichtungsmaterial berücksichtigt werden.Zweitens sollte eine möglichst geringe Affinität zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem zu verarbeitenden Material bestehen.Durch eine entsprechende Werkzeuggeometrie und das Polieren der Beschichtung kann die Möglichkeit einer Haftung zwischen Beschichtung und Werkstück deutlich reduziert werden.
Beschichtungen auf Aluminiumbasis (z. B. AlTiN) werden häufig als Beschichtungen für Schneidwerkzeuge in der Schneidindustrie verwendet.Unter Einwirkung hoher Schneidtemperaturen können diese Beschichtungen auf Aluminiumbasis eine dünne und dichte Schicht aus Aluminiumoxid bilden, die sich während der Bearbeitung kontinuierlich erneuert und die Beschichtung und das darunter liegende Substratmaterial vor oxidativem Angriff schützt.
Die Härte und Oxidationsbeständigkeit einer Beschichtung kann durch Änderung des Aluminiumgehalts und der Beschichtungsstruktur angepasst werden.Beispielsweise kann durch die Erhöhung des Aluminiumanteils, den Einsatz von Nanostrukturen oder Mikrolegierungen (Legierung mit Elementen mit geringem Gehalt) die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung verbessert werden.
Neben der chemischen Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials können auch Veränderungen in der Beschichtungsstruktur die Leistung der Beschichtung erheblich beeinflussen.Die unterschiedliche Leistung des Schneidwerkzeugs hängt von der Verteilung der verschiedenen Elemente in der Mikrostruktur der Beschichtung ab.
Heutzutage können mehrere einzelne Beschichtungsschichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu einer Verbundbeschichtungsschicht kombiniert werden, um die gewünschte Leistung zu erzielen.Dieser Trend wird sich auch in Zukunft weiterentwickeln – insbesondere durch neue Beschichtungssysteme und Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise die Hybridbeschichtungstechnologie HI3 (High Ionization Triple) mit Lichtbogenverdampfung und Sputtern, die drei hochionisierte Beschichtungsverfahren in einem vereint.
Als Allround-Beschichtung bieten Beschichtungen auf Titan-Silizium-Basis (TiSi) eine hervorragende Bearbeitbarkeit.Mit diesen Beschichtungen können sowohl hochharte Stähle mit unterschiedlichen Karbidgehalten (Kernhärte bis HRC 65) als auch mittelharte Stähle (Kernhärte HRC 40) bearbeitet werden.Die Gestaltung des Beschichtungsaufbaus kann entsprechend den unterschiedlichen Bearbeitungsanwendungen angepasst werden.Dadurch können auf Titansilikonbasis beschichtete Schneidwerkzeuge zum Schneiden und Bearbeiten verschiedenster Werkstückmaterialien von hoch- und niedriglegierten Stählen bis hin zu gehärteten Stählen und Titanlegierungen eingesetzt werden.High-Finish-Schneidtests an flachen Werkstücken (Härte HRC 44) haben gezeigt, dass beschichtete Schneidwerkzeuge ihre Lebensdauer um fast das Doppelte verlängern und die Oberflächenrauheit um etwa das Zehnfache verringern können.
Die Beschichtung auf Titan-Silizium-Basis minimiert das nachträgliche Polieren der Oberfläche.Es wird erwartet, dass solche Beschichtungen bei Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten, hohen Kantentemperaturen und hohen Zerspanungsraten zum Einsatz kommen.
Auch bei einigen anderen PVD-Beschichtungen (insbesondere mikrolegierten Beschichtungen) arbeiten Beschichtungsunternehmen eng mit Verarbeitern zusammen, um verschiedene optimierte Lösungen für die Oberflächenbearbeitung zu erforschen und zu entwickeln.Daher sind erhebliche Verbesserungen der Bearbeitungseffizienz, des Schneidwerkzeugeinsatzes, der Bearbeitungsqualität und der Wechselwirkung zwischen Material, Beschichtung und Bearbeitung möglich und praktisch anwendbar.Durch die Zusammenarbeit mit einem professionellen Beschichtungspartner können Anwender die Nutzungseffizienz ihrer Werkzeuge über den gesamten Lebenszyklus hinweg steigern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.11.2022