Werkzeuge Auf die Beschichtung kommt es an

Die Suche nach dem idealen Werkzeug-Schneidstoff ist nicht einfach, denn die Auswahl ist groß. Wenn eine hohe Zähigkeit verlangt wird, bietet sich beispielsweise die Multilayer-Schicht an. Mit einer hohen Standzeit glänzen auf AICrN basierende Schichten.

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

Schages GmbH & Co.KG

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Von Werkzeugen der Zerspanungstechnik werden immer höhere Standzeiten, Schneidgeschwindigkeiten und Genauigkeiten verlangt. Um die steigenden Ansprüche zu erfüllen, entwickeln die Werkzeughersteller ständig neue Werkzeuge, wobei neben der Mikro- und Makrogeometrie vor allem der verwendete Schneidstoff und die Beschichtung das Schneidverhalten prägen. Die wichtigsten Argumente für Beschichtungen: Die Steigerung der Oberflächenhärte erhöht die Verschleißfestigkeit des Werkzeuges, die Reduzierung des Gleitwiderstandes bei der Spanabfuhr verringert die Aufschweißneigung sowie Aufbauschneidenbildung, und die Isolierwirkung der Schicht steigert die Warmhärte. Rund 90 bis 95% der Hartmetall-Werkzeugschneiden werden heute beschichtet. Dazu dienen im Wesentlichen zwei Verfahren: die PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) und die CVD-Beschichtung (Chemical Vapour Deposition). CVD-Beschichtungen bestehen heute vor allem aus Titancarbonitrid (TiCN) und Aluminiumoxid (Al2O3), PVD-Beschichtungen aus Titannitrid (TiN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN) und Titancarbonnitrid (TiCN). „Mit PVD-Beschichtungen lassen sich Härte und Zähigkeit der Werkzeugschneide regelrecht maßschneidern“, sagt Dr. Veit Schier, Leiter des PVD-Bereichs bei der Walter AG in Tübingen. Bei der Multilayer-Beschichtung werden bis zu 2000 Einzelschichten aufgebracht, die jeweils nur wenige Nanometer dick sind. Multilayer-Schicht für hohe ZähigkeitNach Ansicht von Schier ist die Multilayer-Schicht das Maß der Dinge, wenn eine hohe Zähigkeit verlangt wird. Der mehrlagige Schichtaufbau verhindert, dass sich beim Zerspanen entstehende Risse nach innen fortpflanzen. Abgetragenes Material kann nicht so schnell in die Schneide eindringen, um sie aufzusprengen: „Mit Viel-Lagen-Beschichtungen erreicht man deshalb höhere Standzeiten.“ Außer dem Schichtaufbau ist die oberste Schicht (der Toplayer) wichtig. So neigen vor allem NE-Metalle zur Bildung von Aufbauschneiden, die die Schnittkräfte und Temperaturen und damit den Werkzeugverschleiß erhöhen. Mit reibarmen Toplayern wird dieses Problem minimiert.Weil der PVD-Herstellungsprozess bei geringeren Temperaturen abläuft, werden die Eigenschaften des Grundwerkstoffs weniger stark beeinträchtigt als beim CVD-Beschichten. Deshalb bleibt die Zähigkeit spezieller, feinkörniger Hartmetalle weitgehend erhalten. Das Verfahren bringt damit Vorteile bei hohen Zähigkeitsanforderungen, wie sie zum Beispiel bei Schaftwerkzeugen für die simultane Fünfachsbearbeitung bestehen. Dazu kommt, dass die Druckspannungen in den PVD-Schichten die Zähigkeit weiter erhöhen.Beim CVD-Beschichten verursachen die hohen Prozesstemperaturen eine stärkere Versprödung des Hartmetall-Substrats und verringern so die Zähigkeit der Schneide. In Bezug auf die Härte weist die CVD-Beschichtung aufgrund der abscheidbaren keramischen Bestandteile (Aluminiumoxid) aber Vorteile auf: „Das CVD-Verfahren liefert dicke und verschleißfeste Beschichtungen mit sehr guter chemischer Beständigkeit bei hohen Temperaturen“, urteilt Jörg Drobniewski, Leiter der Schneidstoffentwicklung bei der Walter AG. Je dicker die Schicht, desto besser die Wirkung als Hitzeschild. Dieser Vorteil macht sich bei der Schruppbearbeitung von Gusswerkstoffen bemerkbar.Die dicken Schichtaufträge bei CVD-Hartschichten von maximal etwa 20 µm (bei PVD sind es nur 2 bis 5 µm) führen aber zu Verrundungen und verringern damit die Schärfe der Schneidkante. Schier sieht PVD-Werkzeuge bei hohen Anforderungen an die Oberflächengüte, die sehr scharfe Werkzeuge voraussetzen, deshalb im Vorteil: „Zum Feindrehen, Einstechen und Gewindeschneiden ist die PVD-Schneide erste Wahl“. Relativ hohe Wachstumszahlen in diesen Bereich spiegeln laut Schier einen allgemeinen Trend wider. Bei Walter rechnet man damit, dass „der Anteil von PVD-beschichteten Werkzeugen von derzeit rund 10% auf etwa 15 bis 20% steigen wird“. Bei CVD-beschichteten Wendeplatten für die Dreh- und Fräsbearbeitung von Guss sind Schnittgeschwindigkeiten möglich, die sonst nur mit Schneidkeramiken erreicht werden. Hinzu kommt laut Drobniewski, „dass Hartmetall trotz Beschichtung kostengünstiger ist – und das bei einem breiteren Einsatzfeld“. Auch für das Drehen von Stahlwerkstoffen ist CVD die erste Wahl, meint der Experte. Seit Beginn des Jahres stehen die für schwer zerspanbare Guss- und Stahlwerkstoffe besonders geeigneten Tiger-Tec-Schneidstoffe WKP25 und WKP35 für das komplette Fräserprogramm zur Verfügung. „In der Praxis haben sich die neuen Schneidstoffe bei unseren Xtratec-Werkzeugen mit bis zu 100% Produktivitätsgewinn hervorragend bewährt,“ bekräftigt Michael Fink, Produktmanager bei Walter, „Deshalb haben wir uns entschlossen, WKP25 und WKP35 auf unser gesamtes Fräserprogramm auszuweiten“. Hohe Ziele bei der Entwicklung von neuen Schneidstoffen auf Basis von Hartmetall und CBN setzt sich auch die Seco Tools GmbH in Erkrath. Heinz Peter Boost, Leiter Produktmanagement, betont, „dass diese bei unveränderten Schnittgeschwindigkeiten sehr viel höhere Standzeiten oder bei gleichen Standzeiten mindestens 20% höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen“. Ein aktuelles Beispiel ist der Quattro-Mill-Planfräser mit superpositiver Geometrie, dessen Konzeption für einen weichen und sicheren Schnitt sorgen und gleichzeitig eine längere Lebensdauer von Wendeplatten und Fräserkörper gewährleisten soll. Die zum Bearbeiten schwieriger Werkstoffe wie gehärtete Stähle oder Superlegierungen geeigneten Fräser sind, erläutert Boost, „mit einer harten Oberflächenbeschichtung (800 Vickers) versehen, die den Fräserkörper vor Verschleiß und Korrosion schützt und die Standzeit beträchtlich verlängert“. CVD-Schichten bis 20 µm Dicke sind realisierbarBei CVD-Beschichtungen sind derzeit Schichtdicken bis etwa 20 µm realisierbar, wobei mit zunehmender Dicke die Härte zu- und die Zähigkeit abnimmt. Weil beim Fräsen aufgrund der Schlagbelastung durch den unterbrochenen Schnitt eine höhere Zähigkeit nötig ist, sind keine so hohen Schichtdicken möglich wie beim Drehen mit ununterbrochenem Schnitt. „Unsere neuen Drehsorten TP1000/2000/3000 zum Bearbeiten von Stahl, rostfreien Stählen und Guss sind hinsichtlich Ihrer Verschleißfestigkeit im Vergleich zu ihren Vorgängersorten verbessert worden, wobei die TP1000 mit rund 20 µm die derzeit dickste CVD-Beschichtung aufweist“, erklärt Boost. Die 1000er Reihe ist speziell für eine hohe Produktivität bei der Drehbearbeitung von Stahl entwickelt worden. Das Leistungsvermögen von Titan-basierten Schichten deutlich übertreffen sollen die auf AlCrN (Aluminiumchromnitrid) basierenden Schichten der Balzers AG, Liechtenstein. Die titanfreie Schichtgeneration G6 zeichnet sich nach Angaben des Herstellers durch einen markant besseren Verschleißwiderstand und erheblich bessere Standzeiten als herkömmliche Schichten aus. Außerdem sollen AlCrN-basierte Schichten oxidationsbeständiger sein und eine erheblich höhere Warmhärte aufweisen. Sie sind laut Balzers deshalb generell wesentlich leistungsfähiger und auch bei Anwendungen mit sehr hoher Temperaturbelastung stabil. So sollen beispielsweise AlCrN-beschichtete Fräser beim Schlichten von Ck45 sowohl bei Schnittgeschwindigkeiten von 200 m/min als auch 400 m/min erheblich höhere Standzeiten als TiCN- und TiAlN-beschichtete Fräser erzielt haben. Das erste Produkt der Schichtgeneration G6 heißt Balinit Alcrona und eignet sich für die Trocken- und Nassbearbeitung von unlegierten Stählen sowie von Stählen mit hoher Festigkeit und hoher Härte (bis 54 HRC). Nach ersten Erfahrungen soll die neue Schicht besonders gut geeignet sein für HM-Schaftfräser, HM-Wendeschneidplatten und HSS-Schaftfräser, für HM- und HSS-Abwälzfräser sowie für CBN-Wendeschneidplatten zum Drehen. Nicht zuletzt soll auch die Entschichtung kein Problem darstellen, so dass Dr. Gerhard Dubenkropp, Produktmanager der Balzers Verschleißschutz GmbH in Bingen, schon kurzfristig „einen massiven Durchbruch für die Schicht im Verzahnungsbereich“ erwartet. Die zunehmende Verwendung von NE-Metallen erfordert ebenfalls neue Lösungen beim Zerspanen. Neben PKD-Schneiden ermöglichen Diamantbeschichtungen die Hochleistungsbearbeitung von Aluminium- und Magnesium-Werkstoffen. „Sie verbinden enorme Vorschubgeschwindigkeiten mit Prozesssicherheit durch Abrasionswiderstand und Standzeit“, betont Alexander Krause, Leiter Versuch bei der Komet Precision Tools GmbH & Co. KG in Besigheim. Für Legierungen mit geringem Siliziumgehalt bis etwa 10% und Bearbeitungsgeschwindigkeiten unter 2000 m/min eignen sich Hartmetalle mit Beschichtungen wie T1B2 (Titandiborid). Bei höheren Si-Anteilen und Schnittwerten ermöglichen Diamantbeschichtungen und Multilayer-Diamantbeschichtungen hohe Standzeiten.