Zerspanungswerkzeuge Neue Hartmetall-Sorte steigert Produktivität beim Bearbeiten von Titanlegierungen

Titan zu zerspanen ist eine Herausforderung für das Werkzeug. Eine neue Hartmetall-Sorte, die eine hohe Verschleißfestigkeit mit ausreichender Zähigkeit und einer sehr hohen Warmfestigkeit verbindet, ermöglicht eine höhere Produktivität bei niedrigerem Verschleiß und höheren Schnittgeschwindigkeiten.

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Mit Titan haben wir täglich zu tun. Die weiß gestrichene Hauswand enthält Titan als gereinigtes Rutil. In der Medizintechnik ist Titan aus Gelenken und Zahnimplantaten nicht mehr wegzudenken und in der Luftfahrt wird inzwischen bei wichtigen tragenden Teilen auf Titan gesetzt.

Doch das begehrte Metall Titan ist widerspenstig. Es lässt sich nur schwer effizient zerspanen.

Titanlegierungen haben eine mit Stahl vergleichbare Festigkeit bei halbem Gewicht, eine hohe Elastizität und verspröden nicht bei niedrigen Temperaturen. Bei der Zerspanung bringen Titanlegierungen jedoch einige Nachteile mit sich, sie sind schwierig zu bearbeiten und verursachen hohe Bearbeitungs- und Werkzeugkosten.

Titanlegierungen sind sehr schlechte Wärmeleiter. Im Vergleich zu Stahl handelt es sich um einen Faktor zehn. Für die Zerspanung heißt das, dass die erzeugte Prozesswärme zu 75% in die Werkzeuge fließt und nicht mit den Spänen abtransportiert werden kann.

Zerspanungswerkzeuge mit Innenkühlung zum Bearbeiten von Titanlegierungen

Um dem entgegen zu wirken, braucht man ein hochwarmfestes Hartmetall-Substrat und eine effiziente Kühlung während des Bearbeitungsprozesses. Das führt zum Einsatz von großen Kühlmittelmengen, am besten durch Zuführung mit hohem Druck durch die Spindel direkt an die Schneidkanten der Werkzeuge. Aus diesem Grund sind Trägerwerkzeuge mit Innenkühlung für das Zerspanen von Titanlegierungen die erste Wahl.

Eine weitere Konsequenz der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen ist die hohe Temperatur in den Schneidwerkzeugen. Sie führt zu chemischen Reaktionen wie Oxidation und Diffusion an der Oberfläche der Werkzeugschneide. Probleme, für die Ceratizit mit der neuen Hartmetall-Sorte CTP5240 eine Lösung hat.

Titan ist ein polymorphes Material. Es zeigt nach dem Erstarren bei 1668°C ein kubisch raumzentriertes Gitter und klappt bei 882°C in eine hexagonale Gitterstruktur um. Dennoch bleibt Titan unterhalb dieser Temperatur relativ gut verformbar, da zahlreiche Gleit- und Zwillingsebenen im Kristallgitter vorliegen.

Schneidkanten besonderer Belastung ausgesetzt

Bei massiver Kaltumformung neigt Titan zu starker Verfestigung, wobei die Zugfestigkeit sich verdreifacht und die Bruchdehnung sich um bis zu 90% verringert. Diese Verfestigungsneigung setzt dem Zerspanungsprozess einen signifikanten Widerstand entgegen: Die Schneidkanten brechen leicht aus oder der Schneidstoff wird zerrüttet.

Eine Reduktion der Schnittkräfte durch positive und scharfe Schneiden bringt bis zu einem gewissen Punkt Abhilfe. Allerdings darf die Ausgestaltung nicht zu positiv sein, weil die Schneide sonst zu empfindlich für diesen Anwendungsbereich wird.

Die hohe Elastizität des Werkstoffs begründet eine Relaxation des Materials, die direkt nach dem Schnittprozess zu einem Aufatmen des Titans führt. Dies stellt besondere Anforderungen an die geometrische Freistellung der Schneidkante.

Neue Hartmetall-Sorte zum Zerspanen von Titanlegierungen

Viele der in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendeten Bauteile sind geschmiedete Titanlegierungen. Diese Teile sind an der Oberfläche ungleichmäßig hart und bringen daher für die Wendeschneidplatten, die zur Zerspanung eingesetzt werden, unvorhersehbare Belastungen.

Ceratizit löst diese komplexe Aufgabenstellung mit einer besonders warmfesten Substrat-Beschichtungskombination, die den Namen Hyper-Coat trägt. Dahinter verbergen sich ein Hartmetall-Substrat der ISO-Klasse P und M 35 und eine speziell für diesen Anwendungsbereich abgestimmte Beschichtung. Diese neue Hartmetall-Sorte trägt den Namen CTP5240.

Bei dieser Sorte handelt es sich um ein sehr hochwarmfestes Hartmetall-Substrat mittlerer Körnung, das eine hohe Verschleißfestigkeit mit ausreichender Zähigkeit und einer sehr hohen Warmfestigkeit verbindet.

Beschichtung dient als Hitzeschild für das Hartmetall-Substrat

Die Beschichtung zeigt eine deutlich reduzierte Neigung zu chemischen Reaktionen wie Oxidation und Diffusion mit dem Werkstückmaterial. Sie verfügt über sehr gute tribologische Eigenschaften und eine hohe thermische Stabilität bei hoher Härte.

Zusätzlich bietet diese Beschichtung einen effizienten Hitzeschild, der das Hartmetall-Substrat vor frühzeitigem Verschleiß bei höheren Schnittgeschwindigkeiten schützt.

Außerdem wird eine spezielle Oberflächenbehandlung der Beschichtung aufgebracht. Sie führt zu einer sehr glatten Spanfläche und verringert somit den Reibungskoeffizienten bei der Zerspanung erheblich. Die Späne können deutlich besser über die Spanfläche gleiten.

Schneidengeometrie sorgt für effizienten Spanfluss

Bei der Schneidengeometrie der Sorte CTP5240 setzt Ceratizit auf ein hochpositives Design. Diese Geometrie erlaubt das Zerspanen mit sehr niedrigen Schnittkräften und -drücken. So können die Prozesstemperaturen über längere Zeit im Bereich von 200 bis 250°C gehalten werden. Das ist bei der Zerspanung von Titanlegierungen deutlich weniger als bisher.

Weitere positive Effekte der Schneidengeometrie sind die sehr gute Spanformung und der effiziente Spanfluss. Durch die gute Spanform unterstützt diese Schneidengeometrie ein effizientes Entsorgen der Späne, weil das Volumen gering gehalten wird: Ein Liter abgetragenes Material hat jetzt deutlich weniger Volumen als sonst üblich.

Mit dieser Geometrie- und Sortenkombination hat Ceratizit bei Schruppbearbeitungen bereits standfeste 120 m/min Schnittgeschwindigkeit bei einem Zahnvorschub von 0,12 mm und 6 mm axialer Schnitttiefe erzielt.

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