Die Entwicklung und Zusammensetzung von Schneidwerkzeugbeschichtungen

In jüngster Zeit wurde der Forschung und Anwendung von Mehrschicht- und Nanokompositbeschichtungen besondere Aufmerksamkeit gewidmet.

Rachel Israel, Chefwissenschaftlerin und Beschichtungsentwicklerin bei Vargus mit Sitz in Großbritannien, spricht über verschiedene Trends in der Beschichtungstechnologie und darüber, wie das Unternehmen Beschichtungen der nächsten Generation erforscht und entwickelt, um den Marktanforderungen gerecht zu werden.

Rachel Israel: Der stetig steigende Trend hinsichtlich der Produktivität (Bearbeitungsgeschwindigkeit) und der Qualität der bearbeiteten Bauteile sowie die Einhaltung ökologischer Standards (minimale oder keine Schmierung) stellen hohe Anforderungen an die Beschichtungs-(Werkzeug-)Materialien. Neben einer hohen Härte sind eine hohe Oxidationsbeständigkeit und thermische Stabilität erforderlich.

Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung gibt es eine große Entwicklung. Es ist komplizierter geworden, da mehr als ein oder zwei Elemente zum Aufbringen unterschiedlicher Beschichtungen verwendet werden. In letzter Zeit sehen wir Beschichtungen auf Titan-Silizium-Basis [TiSi], die immer stärker werden.

Es gibt starke Aktivitäten zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit von gesputterten Boridbeschichtungen, wie Titandiborid [TiB2], Chromdiborid [CrB2] und Tantaldiborid [TaB2]. Die Diboridbeschichtungen mit unterschiedlichen Elementen sind für schwer zerspanbare Materialien wie TiAl6V4-Luft- und Raumfahrtlegierungen und Aluminiumlegierungen konzipiert.

Die TiB2-Beschichtung mit optimierten Eigenschaften ist vielversprechend für die Bearbeitung von Ti-Legierungen.

Es wurden große Fortschritte erzielt und Ziellieferanten sind in der Lage, Ziele mit Silikon zu legieren, das verschiedene Verbindungen wie Silizid, Titansilizium [TiSi2] und Chromsilizium [CrSi2] enthält. Mit diesen gelingt es ihnen, das Silikon in die nächstgelegene abgeschiedene Boridbeschichtung zu bringen. Silizium erhöht den Temperaturbereich der Beschichtung dramatisch; es gibt ihm mehr Stabilität.

Die Reduzierung von Verschleiß und Korrosion sowie die Erhöhung der thermischen Stabilität von Werkzeugen und mechanischen Komponenten stellen industrielle Herausforderungen dar, die eine kontinuierliche Entwicklung neuer Beschichtungsmaterialien und Beschichtungsdesignkonzepte erfordern. In jüngster Zeit wurde der Forschung und Anwendung von Mehrschicht- und Nanokompositbeschichtungen besondere Aufmerksamkeit gewidmet. In unserer neuesten Entwicklung wurden abwechselnd TiAlN- und TiSiN-Schichten abgeschieden, um eine nanoschichtige Nanokomposit-TiAlSiN-Beschichtung zu erzeugen. Zusammen mit der Nanoschichtbeschichtung wurden einschichtige TiAlN- und TiSiN-Beschichtungen abgeschieden.

Israel: Zur Beschichtung kommen im Wesentlichen zwei Verfahren zum Einsatz: Physical Vapour Deposition (PVD)-Beschichtungen und Chemical Vapour Deposition (CVD)-Beschichtungen. CVD-Beschichtungen sind die erste Wahl, wenn es um Verschleißfestigkeit geht, beispielsweise bei allgemeinen Dreharbeiten von rostfreien Stählen und beim Bohren in Stahl, wo die dicken CVD-Beschichtungen eine Beständigkeit gegen Kolkverschleiß bieten. Sie werden auch für Frässorten in ISO P, ISO M und ISO K verwendet.

Die Auswahl des richtigen Schneidwerkzeugs basiert auf dem zu bearbeitenden Material, der auf der Maschine verfügbaren Leistung, der Stabilität der Vorrichtung und der Maschinendynamik, was zur richtigen Auswahl von Schneidwerkzeugmaterial, Sorten, Geometrien, Schnitttiefen und Vorschüben führt.

Israel: Das Hauptziel der Entwicklung von Beschichtungen bestand darin, Schneidwerkzeuge vor abrasivem und adhäsivem Verschleiß zu schützen. Da die Beschichtungstechnologie jedoch immer weiter voranschreitet, haben Entwickler weitere Eigenschaften entdeckt, die eine Beschichtung bieten kann, wie etwa Hitzebeständigkeit und Reibungsreduzierung.

Zusammen mit der Nanoschichtbeschichtung wurden einschichtige TiAlN- und TiSiN-Beschichtungen abgeschieden.

Bei der Entwicklung verschiedener Beschichtungsarten müssen wir die verwendete Anwendung, das Schneidmaterial, die Arbeitsbedingungen und mehr berücksichtigen. Dadurch werden wir in der Lage sein, die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, die Oxidationsbeständigkeit zu erhöhen, die Reibung zu verringern, die Beständigkeit gegen Metallermüdung und die Beständigkeit gegen Thermoschock zu erhöhen.

Wenn Schneidwerkzeuge ordnungsgemäß beschichtet sind und die vorgesehene Leistung erbringen, ergeben sich für den Endbenutzer höhere Schnittdaten, eine längere Standzeit und die Möglichkeit der Trockenbearbeitung.

Israel: Die Beschichtungstechnologie des Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputterns (HiPIMS) ist die richtige Technologie für kleine Werkzeuge wie Mikrowerkzeuge. Der HiPIMS-Prozess wird zum Schlüssel zum Erfolg, wenn jeder µm über Erfolg oder Misserfolg eines Mikrowerkzeugs entscheidet, das es uns ermöglicht, ultradünne und extrem glatte Schichten aufzutragen.

In der digitalen Industrie, Elektronik oder der medizinischen Industrie wie Zahnimplantaten oder orthopädischen Implantaten sind ultradünne und extrem glatte Beschichtungen gefragt.

Die bei dieser Anwendung verwendeten Werkzeuge haben eine Dicke von wenigen Millimetern oder sogar Zehntelmillimetern. Geringe Toleranzen von Miniaturwerkzeugen erfordern eine extrem glatte Beschichtung, um sowohl Reibung als auch Aufbauschneiden zu reduzieren. Der Schneidstoff dieser Anwendungen sind in der Regel harte Werkstoffe, die schwer zu bearbeiten sind. In diesem Fall müssen wir die Kontaktzeit zwischen Span und Werkzeug verkürzen. Der Wärmeeintrag ist dadurch geringer und ein Großteil davon wird mit dem Chip abgeführt. Auch der Oxidationsverschleiß ist deutlich geringer. Das Ergebnis ist eine lange Standzeit des Werkzeugs.

Im Hinblick auf die Schichtdicke ermöglicht die HiPiMS-Technologie eine Schichtdicke von bis zu 12 µm und ermöglicht in einigen Anwendungen den Ersatz der CVD-Technologie.

Vargus, www.vargus.com