Moderne Beschichtungslösungen für die Zerspanung Lang lebe das Werkzeug

Autor / Redakteur: Annette Norin und Georg Erkens / Luca Meister

>> In der Metallbearbeitung können Oberflächenlösungen wie PVD-Schichten (Physical Vapor Deposition, Physikalische Gasphasenabscheidung) Werkzeuge so verbessern, dass Kunden von enormen wirtschaftlichen Vorteilen profitieren. Doch es ist eine komplexe Aufgabe, Werkzeuge für ihren Einsatz zu optimieren. Standardschichten können helfen, aber wirklich beeindruckende Ergebnisse werden erst dann erzielt, wenn alle Faktoren vom Ausgangsmaterial bis hin zur Nachbehandlung aufeinander abgestimmt sind.

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Die Beschichtungsanlage «Metaplas.Domino» von Sulzer verfügt über das hocheffiziente, patentierte Plasma-Reinigungsverfahren «AEGD» (Arc-Enhanced Glow Discharge). Dieser zusätzliche Reinigungsschritt verbessert die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat deutlich.
Die Beschichtungsanlage «Metaplas.Domino» von Sulzer verfügt über das hocheffiziente, patentierte Plasma-Reinigungsverfahren «AEGD» (Arc-Enhanced Glow Discharge). Dieser zusätzliche Reinigungsschritt verbessert die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat deutlich.
(Bild: Sulzer)

Die mechanische Metallbearbeitung durch Zerspanen ist ein Prozess, an den immer höhere Anforderungen hinsichtlich Produktivität und Bearbeitungsgeschwindigkeit gestellt werden. Die beim Prozess entstehende Reibung und der Verschleiss an Bauteilen und Werkzeugen sind wesentliche Verlustfaktoren. Gemäss der Gesellschaft für Tribologie entsteht in Industrieländern jährlich ein Verlust von etwa fünf Prozent des Bruttosozialproduktes nur durch die Auswirkungen von Reibung und Verschleiss.

Werkzeugbeschichtungen wirken diesen Mechanismen entgegen und sind darum heute in der Metallbearbeitung unverzichtbar. Als Anbieter von innovativen Oberflächentechnologien entwickelt der Dünnfilmbereich von Sulzer Metco seit Jahren massgeschneiderte Systemlösungen, um Werkzeuge widerstandsfähiger, produktiver und langlebiger zu machen. Das Besondere an der ganzheitlichen Herangehensweise von Sulzer ist die Betrachtung und Abstimmung aller Einflussfaktoren. Ausgehend von den anwendungsspezifischen Anforderungen, findet Sulzer so die bestmögliche Kombination von:

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  • Vor- und Nachbehandlung der Werkzeugoberfläche
  • Beschichtungsmaterial
  • Schichtarchitektur
  • Anlagentechnologie, mit der die Beschichtung aufgetragen wird.

Gezielt abgestimmte Vor- und Nachbehandlungen

Die Werkzeugschneide ist im modernen Zerspanprozess hohen Drücken (grösser als 2 GPa), hohen Temperaturen sowie Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt. Daher muss auch die Vor- und Nachbehandlung – ebenso wie die Beschichtung – an die Anwendung angepasst werden.

Es existieren verschiedene Vorbehandlungsmethoden, die Werkzeuge auf eine anschliessende Beschichtung vorbereiten und gleichzeitig die Schichthaftung signifikant verbessern. Zusammen mit der Beschichtung führt eine Präparation der Werkzeugschneidkante zu erhöhten Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten und längeren Standzeiten. Auch die Nachbehandlungen (Kantenbearbeitung, Oberflächenbehandlung und -strukturierung) spielen eine entscheidende Rolle, insbesondere bei der Vermeidung von Anfangsverschleiss z.B. durch Aufbauschneidenbildung (Festkleben von Werkstückmaterial am Schneidwerkzeug).

Zahlreiche Tests haben gezeigt, wie gross der Einfluss der Vor- und Nachbehandlung von Werkzeugen auf die Produktivität ist. So können z.B. bei Verzahnungswerkzeugen durch gezielte Präparationen Leistungssteigerungen von mehr als 100 Prozent erzielt werden.

Beschichtungen für anspruchsvolle Einsatzbedingungen

Die Anforderungen, die an eine Beschichtung gestellt werden, sind vielseitig. Da in der Zerspanung an der Schneide hohe Temperaturen entstehen, kommt es besonders auf einen hohen Widerstand gegen thermischen Verschleiss an. Von modernen Schichten werden folgende Eigenschaften erwartet:

  • Beste Hochtemperatureigenschaften
  • Oxidationsbeständigkeit
  • Grosse Härte auch bei hohen Einsatztemperaturen
  • Mikroduktilität (Formbarkeit) durch ein nanostrukturiertes Schicht-Design.

Bei Hochleistungswerkzeugen sind eine optimale Haftung der Schicht sowie ein gut angepasstes Eigenspannungsniveau entscheidend. Dabei kommt es vor allem auf die Interaktion zwischen Grundmaterial und aufgebrachter Schicht an. Das Schichtmaterial sollte eine möglichst geringe Affinität zum bearbeiteten Werkstoff haben. Dadurch kann – bei geeigneter Schneidgeometrie sowie einer Glättung oder Politur der Schicht – die Adhäsionsneigung signifikant reduziert werden.

Massgeschneiderte Schichten

In der Zerspanung werden häufig auf Aluminium basierende Schichten eingesetzt, wie z.B. AlTiN (Titanaluminiumnitrid). Bei diesen auf Aluminium basierenden Schichten bildet sich durch die hohe Temperatur während der Zerspanung eine dünne, aber dichte Aluminiumoxid-Schicht, die sich ständig selbst erneuert und die darunterliegende Schicht und das Grundmaterial vor oxidativem Zerfall schützt. Die erforderliche Härte und Oxidationsbeständigkeit können durch Variation des Aluminiumgehalts und der Schichtmorphologie eingestellt werden. Die Oxidationsbeständigkeit verbessert sich z.B. durch einen erhöhten Aluminiumgehalt, eine Nanostrukturierung oder durch Mikrolegieren (d.h. Legieren mit niedrigprozentigen Elementanteilen).

Neben der chemischen Materialzusammensetzung kann die Schichtarchitektur die Eigenschaften einer Beschichtung massgeblich verändern. Je nachdem, wie die Elemente in der Mikrostruktur einer Schicht verteilt sind, ergeben sich unterschiedliche Werkzeugeigenschaften. Heute lassen sich mehrere Einzelschichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung miteinander kombinieren und so massgeschneiderte Eigenschaften erzielen. Dieser Trend wird sich in Zukunft noch verstärken, insbesondere durch neue Anlagen- und Verfahrenstechnologie wie die «HI3»-Technologie.

Anlagentechnologie für die Zukunft

Die HI3-Technologie ist ein von Sulzer entwickeltes Verfahren, das drei hochionisierte Prozesse miteinander verbindet:

  • «AEGD» (Arc-Enhanced Glow Discharge): Plasma-Ätzprozess für gute Schichthaftung (kann auch zur Vor-Ionisation von Reaktivgasen während des Beschichtens eingesetzt werden)
  • «HIPAC» (High Ionization Plasma Assisted Coating): hochionisierter Sputterprozess
  • «APA-Arc» (Advanced Plasma Assisted Arc): hochionisierter Arc-Prozess.

Die Kombination von Hochionisations-Sputter- und Arc-Prozessen ermöglicht Schichtarchitekturen, die zuvor nicht realisiert werden konnten. Bisher konnten zahlreiche Legierungen mit dem Arc-Prozess allein nur bedingt abgeschieden werden. Die Kombination mit dem «HIPAC»-Prozess bringt insofern Vorteile, als dieses Verfahren ein wesentlich grösseres Spektrum an Werkstoffen, wie etwa SiB (Silizium-Bor) und B4C (Borcarbid) und andere, verdampfen kann und sich auf diese Weise völlig neue Anwendungsfelder erschliessen lassen. Sulzer bietet mit der «Metaplas.Domino»-Serie modulare Beschichtungsanlagen an, mit denen die HI3-Technologie umgesetzt werden kann.

Erste Schichtentwicklungen auf HI3-Basis zeigen überragende Ergebnisse in der Titanzerspanung, bei der Bearbeitung von Edelstählen und bei Gewindewerkzeugen. Beispiele sind neue, auf SiBX-basierende Schichten mit erhöhter Oxidationsstabilität sowie auf VXN-basierende (Vanadium-Stickstoff) Schichten mit verbesserten Reibungskoeffizienten bei hohen Temperaturen.

Leistungsstark dank «M.Power»

Die auf Titansilizium (TiSi) basierenden «.Power»-Schichten liefern als Allrounder hervorragende Ergebnisse. Diese Schichten sind für sehr harte Stähle (bis zu 65 HRC Rockwell-Kernhärte) mit einem variablen Karbidanteil und für mittelharte Stähle (40 HRC Rockwell-Kernhärte) einsetzbar. Um den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen gerecht zu werden, wird das Schicht-Design entsprechend angepasst. Somit sind die Oberflächen gerüstet für die Bearbeitung von hoch- und niedriglegierten Stählen bis hin zu gehärteten Werkstoffen und Titan.

M.Power-beschichtete Kopierfräser zeigten in Kurz- und Langzeittests aufgrund eines reduzierten Schneidkantenverschleisses und einer gesteigerter Oberflächengüte nahezu verdoppelte Standzeiten. Weitere durchgeführte Tests in der Zerspanoperation Feinstschlichten (an ebenen Werkstücken mit einer Rockwell-Härte von 44 HRC) verdeutlichten, dass mit M.Power beschichtete Werkzeuge eine fast dreimal so hohe Standzeit und zehnfach geringere Rauheitswerte erzielten. Die nachfolgende Politur der Oberfläche konnte auf ein Minimum beschränkt werden. Das sind nur einige Beispiele von namhaften Werkzeug- und Automobilherstellern, die bereits auf diese Schicht vertrauen. Die M.Power-Familie unterstreicht eindrucksvoll ihr Leistungspotenzial in Anwendungen, bei denen hohe Schnittgeschwindigkeiten, hohe Temperaturen an der Schneide und hohe Zeitspanvolumina gefordert sind.

Auch für weitere PVD-Schichten (insbesondere für mikrolegierte Schichten) forscht Sulzer in enger Zusammenarbeit mit Zerspanern an optimierten Oberflächenlösungen. Um Verbesserungen voranzubringen, ist eine enge Kooperation mit den Kunden wichtig. So können Verbesserungspotenziale in der Produktivität, im Umgang mit Werkzeugen, in der Qualität und nicht zuletzt im Zusammenspiel zwischen Werkstoff, Beschichtung und Anwendung erkannt und genutzt werden. Durch kompetente Partner wie Sulzer können Kunden die Wirtschaftlichkeit von Zerspanungswerkzeugen über deren gesamten Lebenszyklus erhöhen.

Wie entsteht Werkzeugverschleiss?

Bei der Zerspanung (Abtragen von Spänen) wirken im Kontaktbereich des Werkzeuges mit dem bearbeiteten Material aufgrund von Reibungsvorgängen sowie thermischen und chemischen Beanspruchungen folgende Verschleissmechanismen:

  • Adhäsion (Haftung) zwischen Span und Spanfläche
  • Abrasion (Abrieb) durch Hartstoffe im Werkstoff
  • Tribochemische Reaktionen (chemisches Materialverhalten aufgrund mechanischer Einwirkung und hohen Temperaturen).

Diese tribologischen Beanspruchungen prägen in hohem Masse die Wirtschaftlichkeit von Werkzeugen, da sie die Schnittkräfte reduzieren und die Lebensdauer verkürzen.

Eine Oberflächenbeschichtung kann die Wirkung der tribologischen Beanspruchungen vermindern, während das Grundmaterial des Werkzeugs die Stützfunktion übernimmt und mechanische Belastungen aufnimmt. Neben einer erhöhten Produktivität führt die Verbesserung des tribologischen Systems auch zu Einsparungen bei Material und Energie.

Wie können die Kosten in der Zerspanung gesenkt werden?

Ein wichtiger Kostenfaktor im Produktionszyklus ist die Standzeit der Werkzeuge. Darunter versteht man die Zeit bis zu einer erforderlichen Wartung, in der die Maschine ohne Unterbrechung arbeiten kann. Je höher die Standzeit ist, desto weniger kosten fallen für Produktionsunterbrüche und Wartungsarbeiten an.

Der Einsatz von Beschichtungen erhöht – auch bei hohen Prozesstemperaturen – die Standzeiten der Werkzeuge und senkt dadurch die kosten erheblich. Darüber hinaus können Schmierstoffe eingespart werden. Das reduziert nicht nur die Materialkosten, sondern schont auch die Umwelt. <<

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