Die richtige Oberflächenbehandlung kleiner runder Schneidwerkzeuge kann die Standzeit verbessern, die Bearbeitungszykluszeit verkürzen und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche verbessern. Allerdings kann die Wahl der richtigen Werkzeugbeschichtung für Ihre Bearbeitungsanforderungen eine verwirrende Aufgabe sein.
Jede Beschichtung hat beim Schneiden sowohl Vor- als auch Nachteile. Wird die Beschichtung falsch gewählt, kann dies zu geringeren Standzeiten im Vergleich zu einem unbeschichteten Werkzeug und teilweise sogar zu größeren Problemen führen.
Es stehen viele Arten von Werkzeugbeschichtungen zur Verfügung, darunter PVD-Beschichtungen, CVD-Beschichtungen und Verbundbeschichtungen, die PVD- und CVD-Beschichtungen abwechseln, und können problemlos von Werkzeugherstellern oder Beschichtungslieferanten bezogen werden.
In diesem Artikel werden einige allgemeine Eigenschaften von Werkzeugbeschichtungen und einige häufig verwendete Optionen zur Auswahl von PVD- und CVD-Beschichtungen kurz vorgestellt. Jede Beschichtungseigenschaft spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung, welche Beschichtung für das Schneiden am vorteilhaftesten ist.
Beschichtungseigenschaften
1. Härte
Die durch die Beschichtung bedingte hohe Oberflächenhärte ist eine der besten Möglichkeiten zur Verbesserung der Werkzeugstandzeit. Generell gilt: Je härter das Material oder die Oberfläche, desto länger ist die Standzeit des Werkzeugs.
Die Beschichtung aus Titankarbid (TiCN) hat eine höhere Härte als die Beschichtung aus Titannitrid (TiN). Aufgrund des erhöhten Kohlenstoffgehalts hat sich die Härte der TiCN-Beschichtung um 33 % erhöht und ihre Härte liegt zwischen etwa Hv3000 und 4000 (je nach Hersteller).
Die Anwendung der CVD-Diamantbeschichtung mit einer Oberflächenhärte von bis zu Hv9000 auf Schneidwerkzeugen ist relativ ausgereift. Im Vergleich zu PVD-beschichteten Werkzeugen hat sich die Lebensdauer von CVD-Diamant-beschichteten Werkzeugen um das 10- bis 20-fache erhöht. Die hohe Härte und Schnittgeschwindigkeit von Diamantbeschichtungen kann die Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen um das Zwei- bis Dreifache erhöhen, was sie zu einer guten Wahl für das Schneiden von Nichteisenmaterialien macht.
2. Verschleißfestigkeit
Unter Verschleißfestigkeit versteht man die Fähigkeit der Beschichtung, Verschleiß zu widerstehen. Auch wenn die Härte einiger Werkstückmaterialien nicht allzu hoch ist, können die während des Produktionsprozesses hinzugefügten Elemente und die verwendeten Prozesse dazu führen, dass die Schneidkante des Werkzeugs reißt oder stumpf wird.
3. Oberflächenschmierfähigkeit
Hohe Reibungskoeffizienten erhöhen die Schneidwärme, was zu einer verkürzten Lebensdauer der Beschichtung oder sogar zum Ausfall führt. Durch die Reduzierung des Reibungskoeffizienten kann die Werkzeuglebensdauer erheblich verlängert werden. Feine und glatte oder regelmäßig strukturierte Beschichtungsoberflächen tragen dazu bei, die Schneidwärme zu reduzieren, da die glatte Oberfläche ein schnelles Abrutschen der Späne von der vorderen Schneidkante ermöglicht und die Wärmeentwicklung verringert. Im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen können beschichtete Werkzeuge mit besserer Oberflächengleitfähigkeit auch mit höheren Schnittgeschwindigkeiten bearbeitet werden, wodurch eine Hochtemperatur-Schmelzverschweißung mit dem Werkstückmaterial vermieden wird.
4. Oxidationstemperatur
Unter Oxidationstemperatur versteht man die Temperatur, bei der sich die Beschichtung zu zersetzen beginnt. Je höher die Oxidationstemperatur, desto günstiger ist das Schneiden unter Hochtemperaturbedingungen. Obwohl die Raumtemperaturhärte der TiAlN-Beschichtung möglicherweise geringer ist als die der TiCN-Beschichtung, hat sie sich bei der Hochtemperaturverarbeitung als viel effektiver als TiCN erwiesen. Der Grund dafür, dass die TiAlN-Beschichtung ihre Härte auch bei hohen Temperaturen beibehalten kann, liegt darin, dass sich zwischen dem Werkzeug und dem Span eine Schicht aus Aluminiumoxid bilden kann, die Wärme vom Werkzeug auf das Werkstück oder den Span übertragen kann. Im Vergleich zu Schnellarbeitsstahlwerkzeugen weisen Hartmetallwerkzeuge in der Regel höhere Schnittgeschwindigkeiten auf, was TiAlN zur bevorzugten Beschichtung für Hartmetallwerkzeuge macht. Hartmetallbohrer und Schaftfräser verwenden üblicherweise diese PVD-TiAlN-Beschichtung.
5. Anti-Haftung
Die Anti-{0}}Haftungseigenschaft der Beschichtung kann die chemische Reaktion zwischen dem Werkzeug und dem bearbeiteten Material verhindern oder reduzieren und die Ablagerung von Werkstückmaterial auf dem Werkzeug verhindern.
Bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen (wie Aluminium, Messing usw.) kommt es häufig zu Aufbauschneiden-am Werkzeug, was zu Werkzeugausbrüchen oder Abweichungen von der Werkstückgröße führt. Sobald das zu bearbeitende Material am Werkzeug zu haften beginnt, wird die Haftung weiter ausgebaut.
Bei der Bearbeitung von Aluminiumwerkstücken mit Formgewindebohrern nimmt das am Gewindebohrer haftende Aluminium nach der Bearbeitung jedes Lochs zu und schließlich wird der Gewindebohrerdurchmesser zu groß, was dazu führt, dass die Werkstückgrößenabweichung verschrottet wird. Beschichtungen mit guten Anti-{1}}Hafteigenschaften können selbst bei Bearbeitungsvorgängen mit schlechter Kühlmittelleistung oder unzureichender Konzentration eine gute Rolle spielen.
Häufig verwendete Beschichtungen
1. Titannitrid-Beschichtung (TiN)
TiN ist eine universell einsetzbare PVD-Beschichtung, die die Werkzeughärte erhöhen kann und eine hohe Oxidationstemperatur aufweist. Mit dieser Beschichtung können sehr gute Bearbeitungsergebnisse erzielt werden, wenn sie für Schneidwerkzeuge oder Umformwerkzeuge aus Hochgeschwindigkeitsstahl verwendet werden.
2. Titancarbidnitrid-Beschichtung (TiCN)
Das der TiCN-Beschichtung hinzugefügte Kohlenstoffelement kann die Härte des Werkzeugs erhöhen und eine bessere Oberflächengleitfähigkeit erzielen, was es zu einer idealen Beschichtung für Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl macht.
3. Stickstoff-Aluminium-Titan oder Stickstoff-Titan-Aluminium-Beschichtung (TiAlN/AlTiN)
Die in der TiAlN/AlTiN-Beschichtung gebildete Aluminiumoxidschicht kann die Lebensdauer des Werkzeugs bei der Hochtemperaturbearbeitung effektiv verbessern. Diese Beschichtung kann für Hartmetallwerkzeuge verwendet werden, die hauptsächlich zum Trocken- oder Halbtrockenschneiden verwendet werden. Abhängig vom Verhältnis von Aluminium und Titan in der Beschichtung kann die AlTiN-Beschichtung eine höhere Oberflächenhärte bieten als die TiAlN-Beschichtung und ist daher eine weitere praktikable Beschichtungsoption im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.
4. Stickstoff-Chrom-Aluminium-Beschichtung (AlCrN)
Die guten Anti-{0}}Haftungseigenschaften der AlCrN-Beschichtung machen sie zur bevorzugten Beschichtung bei der Bearbeitung, die anfällig für Aufbauschneiden ist. Nach dem Auftragen dieser nahezu unsichtbaren Beschichtung wird die Bearbeitungsleistung von Schnellarbeitsstahlwerkzeugen oder Hartmetallwerkzeugen und Umformwerkzeugen erheblich verbessert.
5. Diamant
CVD-Diamantbeschichtungen bieten optimale Leistung für Bearbeitungswerkzeuge aus Nichteisenmaterialien und eignen sich ideal für die Bearbeitung von Graphit, Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC), Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt und vielen anderen stark abrasiven Materialien (Hinweis: Werkzeuge mit reiner Diamantbeschichtung können nicht für die Bearbeitung von Stahlteilen verwendet werden, da bei der Bearbeitung von Stahlteilen viel Schneidwärme entsteht und eine chemische Reaktion auftritt, die die Haftschicht zwischen der Beschichtung und dem Werkzeug zerstört).
Für das Hartfräsen, Gewindeschneiden und Bohren eignen sich unterschiedliche Beschichtungen und jede hat ihren spezifischen Einsatzzweck. Darüber hinaus können mehrschichtige Beschichtungen verwendet werden, bei denen zwischen der Oberflächenschicht und dem Werkzeugsubstrat weitere Beschichtungen eingebettet sind, um die Standzeit des Werkzeugs weiter zu verbessern.
Erfolgreiches Auftragen von Beschichtungen
Die kosteneffiziente Anwendung von Beschichtungen kann von vielen Faktoren abhängen, aber für jede spezifische Bearbeitungsanwendung gibt es normalerweise nur eine oder wenige praktikable Beschichtungsoptionen.
Die richtige Wahl der Beschichtung und ihrer Eigenschaften kann den Unterschied zwischen einer deutlichen Verbesserung der Bearbeitungsleistung und nahezu keiner Verbesserung ausmachen. Schnitttiefe, Schnittgeschwindigkeit und Kühlmittel können das Aufbringen von Werkzeugbeschichtungen beeinflussen.
Da es bei der Bearbeitung eines Werkstückmaterials viele Variablen gibt, besteht eine der besten Möglichkeiten, um zu bestimmen, welche Beschichtung verwendet werden soll, im Probeschneiden. Beschichtungslieferanten entwickeln ständig neue Beschichtungen, um die Hochtemperaturbeständigkeit, Reibung und Verschleißfestigkeit der Beschichtung weiter zu verbessern. Es ist immer eine gute Sache, die Anwendung der neuesten und besten Werkzeugbeschichtungen bei der Bearbeitung beim Beschichtungs-(Werkzeug-)Hersteller zu überprüfen.
