Zerspanen mit Beschichtungen: Wissen, was das Beste für Ihre Anwendung ist.
Geschrieben von Christa Kettlewell in Zusammenarbeit mit dem Manager für Beschichtungen Bob Stauffer und dem Leiter der Produktforschung und -entwicklung Joe Nuzzi bei Allied Machine & Engineering
Beschichtungen mögen oberflächlich betrachtet einfach erscheinen, aber bei der Entscheidung, was für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, werden die Dinge komplexer. Ein Zerspanungswerkzeug besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Material, aus dem es hergestellt wird, der Geometrie und der Beschichtung, mit der es versehen wird. Bei all den Innovationen in der Branche hat sich die Beschichtungstechnologie stärker weiterentwickelt als die Werkstoff- oder Geometrietechnologie. Um zu entscheiden, welche Beschichtung für eine bestimmte Anwendung vorteilhaft ist, müssen Sie sich daher über die verfügbaren Optionen und die neuesten Innovationen informieren und herausfinden, was Ihre Anwendung am besten unterstützt oder verbessert.
In den letzten 50 Jahren haben Beschichtungen die Zerspanungswerkzeuge revolutioniert. Ohne Beschichtungen ist die Verschleißbeständigkeit und Warmfestigkeit bei der Bearbeitung deutlich geringer. Die Vorteile beschichteter Werkzeuge gegenüber unbeschichteten sind zahlreich. Beschichtete Werkzeuge haben nicht nur eine höhere Standzeit, sondern bieten auch thermische Barrieren, die eine schnellere Bearbeitung ermöglichen. Beschichtungen erhöhen die Oberflächenhärte Ihres Werkzeugs und verleihen ihm gleichzeitig eine gewisse Gleitfähigkeit. Letztendlich haben sie viel weniger Reibung im Schnitt, und die durch die Beschichtung gewonnene Gleitfähigkeit trägt auch dazu bei, Aufbauschneidenbildung und andere Probleme zu vermeiden, die bei unbeschichteten Werkzeugen auftreten können.
Da nun klar ist, dass die Vorteile von beschichteten Werkzeugen die von unbeschichteten Werkzeugen überwiegen, stellt sich die Frage, ob die Vorteile der verschiedenen Beschichtungsarten unterschiedlich sind. Die einfache Antwort lautet: Ja, denn die verschiedenen Beschichtungen haben unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Verschleißfestigkeit und Härte, aber die Vorteile hängen stark von der Anwendung ab. Es gibt Beschichtungen mit höherer Gleitfähigkeit, Beschichtungen, die härter sind als andere Beschichtungen, Beschichtungen, die eine höhere Wärmeschwelle aufweisen, und Beschichtungen für bestimmte Werkstoffgruppen. Ein Beispiel hierfür sind Wendeschneidplatten und Bohreinsätze der Sorten P, K und N, bei denen verschiedene Werkstoffsorten mit unterschiedlichen Beschichtungen kombiniert werden, um sich innerhalb ihrer Werkstoffgruppen auszuzeichnen. Stähle benötigen möglicherweise mehr Beschichtungen auf Aluminium-Chrom-Basis, während Gusseisen aufgrund der abrasiven Eigenschaften von Gusseisen Siliziumnitrid oder Aluminium-Titan erfordern kann. Aluminium und andere Nichteisenwerkstoffe schließlich erfordern Beschichtungen, die eine höhere Gleitfähigkeit aufweisen, da Aluminium ein Material ist, das sich eher an einer Schneidkante aufbaut als andere Werkstoffe; es ist weich und hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als andere Materialien. Alles in allem hängen die Vorteile beschichteter Werkzeuge davon ab, was und welches Material Sie bearbeiten möchten, da bestimmte Beschichtungen bei bestimmten Materialien besser funktionieren.
Ob TiN, TiCN, TiAlN oder eine werkstoffspezifische Beschichtung für Ihre Anwendung - wenn Sie wissen möchten, welche Beschichtungen zur Verfügung stehen, müssen Sie sich möglicherweise an den Hersteller des von Ihnen verwendeten Werkzeugs wenden. TiN, die erste PVD-Beschichtung (Physical Vapor Deposition), wird nach wie vor am häufigsten verwendet, obwohl sie nicht die höchste Verschleißfestigkeit aufweist. Die zweite PVD-Beschichtung, die entwickelt wurde, war TiCN, die erste mehrschichtige Beschichtung, bei der TiN- und TiCN-Schichten übereinander liegen. Als nächstes kam TiAlN. Diese drei Beschichtungen sind in gewisser Weise universell, d. h. man kann sie für alle möglichen Anwendungen einsetzen; in jüngerer Zeit wurden die Beschichtungen jedoch immer materialspezifischer. Da kein neuer universeller Beschichtungstyp entwickelt wurde, konzentrieren sich diese werkstoffspezifischen Beschichtungen darauf, durch unterschiedliche Kombinationen und Konfigurationen chemischer Elemente die nächste Stufe der Warmfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit zu erreichen, was die Innovatoren dazu veranlasst, die Grenzen der Beschichtungen weiter auszuloten.
Selbst wenn man die verschiedenen Arten von Beschichtungen kennt, kann man keine eindeutige Antwort darauf geben, welche Beschichtung für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist; man muss die vielen verschiedenen Faktoren berücksichtigen. In erster Linie müssen Sie das zu zerspanende Material kennen und wissen, welche Geometrie für die Anwendung erforderlich ist. Dann können Sie sich an den Empfehlungen des Werkzeugherstellers orientieren, welche Beschichtung für diesen Werkstoff am besten geeignet ist. Außerdem hängt die Wahl der Beschichtung davon ab, welche Art der Bearbeitung Sie durchführen. So gibt es zum Beispiel große Unterschiede zwischen Gewindefräsern, Bohrern und Schaftfräsern. Wenn die Kenntnis dieser Informationen nicht zu einer klaren Antwort auf die Frage führt, welche Beschichtung zu verwenden ist, können Sie weitere Fragen zu Ihrer Anwendung und der Arbeitsumgebung stellen, einschließlich der Wärmeentwicklung:
- Wie hart ist das Material, das Sie bearbeiten?
- Um welche Werkzeugmaschine handelt es sich?
- Welche Leistung hat Ihre Maschine?
- Welche Art von Kühlschmierstoff ist verfügbar?
- Haben Sie einen hohen Kühlschmierstoffdruck?
- Welche Vorschubgeschwindigkeit möchten Sie erreichen?
Letztendlich muss man die Anwendung in ihrer Gesamtheit betrachten, um eine gute Entscheidung zu treffen, welches Werkzeug mit welcher Beschichtung verwendet werden soll. Da es mehrere Variablen in Bezug auf Bearbeitung und Werkzeug gibt, besteht die Möglichkeit, dass die Wahl der Beschichtung optimal ist; Sie können jedoch die Anwendung erneut prüfen und eine Beschichtung wählen, die eine erfolgreiche Anwendung ermöglicht.
Einfach ausgedrückt, sind Beschichtungen für Zerspanungswerkzeuge allein schon wegen ihrer Warmfestigkeit und Verschleißbeständigkeit von großem Nutzen. Durch die Kombination verschiedener Elemente wie Aluminium, Titan, Chrom oder Siliziumnitrid in einem Beschichtungssystem mit verschiedenen Schichtverfahren wurden die heute existierenden Beschichtungen entwickelt, und mit dem gleichen Konzept werden diese Kombinationen weiter verbessert und neue Beschichtungsinnovationen geschaffen. Letztendlich wurden die meisten der 92 verfügbaren chemischen Elemente daraufhin untersucht, ob sie für eine verschleißfeste Beschichtung in einem Zerspanungswerkzeug verwendet werden können, aber die ständigen Bemühungen um neue Beschichtungen bedeuten, dass es nur noch wenige Elemente gibt, mit denen man arbeiten kann. Während Sie sich also die Fragen stellen, die notwendig sind, um herauszufinden, welche Beschichtung für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, stellt sich die Branche insgesamt eine weitere wichtige Frage: Können neue Elementkombinationen für die Verwendung in Beschichtungen für Schneidwerkzeuge entwickelt werden? Auch wenn die Wahl der richtigen Beschichtung ein komplexes chemisches Verständnis voraussetzt, haben die ISO-spezifischen Geometrien in der Industrie den größten Teil des Rätselraten beseitigt und den Übergang dazu eingeleitet, dass nicht mehr analysiert werden muss, welche Beschichtung sich am besten zum Zerspanen eignet.