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CVD/PVD/HIPIMS

Beschichtung holt Optimum aus Präzisionswerkzeugen

| Autor: Stéphane Itasse

Mehr Zerspanvolumen, geringere Taktzeiten, und das auch in der Hartmetallbearbeitung: Von Präzisionswerkzeugen wird viel verlangt. Werkzeugbeschichtungen tragen erheblich dazu bei, diese Anforderungen der Anwender zu erfüllen.

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Blick in ein HIPIMS-Plasma: Das weiterentwickelte Sputterverfahren wird für die Beschichtung von Präzisionswerkzeugen immer beliebter.
Blick in ein HIPIMS-Plasma: Das weiterentwickelte Sputterverfahren wird für die Beschichtung von Präzisionswerkzeugen immer beliebter.
(Bild: Cemecon)

Zwei Neuentwicklungen hat Sandvik dafür auf den Markt gebracht: Inveio und Zertivo. Die erste Beschichtung wird im CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht, die zweite im PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition). „In konventionellen CVD-Aluminiumoxid-Beschichtungen ist die Wachstumsrichtung der Kristalle willkürlich. Bei der Entwicklung von Inveio fanden unsere Experten einen Weg, um das Wachstum in dieser Beschichtungsebene zu steuern“, berichtet Dr. Ina Terwey, Product Manager Milling and Drilling/Boring im Product and Industry Segment Management der Sales Area Central Europe von Sandvik. Somit sind alle Kristalle in derselben Richtung angeordnet, mit dem stärksten Teil zur Oberfläche.

Unidirektional angeordnete Kristalle in der CVD-Beschichtung

Die Kristalle erzeugen eine Barriere in Richtung Schneidzone und Span. „Dadurch wird sowohl die Beständigkeit gegen Kolk- als auch gegen Freiflächenverschleiß verbessert. Ein weiterer Effekt ist die schnelle Wärmeabfuhr, wodurch die Schneidkante auch bei längeren Eingriffszeiten eine hohe Prozesssicherheit bietet“, sagt Terwey.

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Für die Zertivo-Beschichtung hat Sandvik nach ihren Worten die Prozesskontrolle stark verbessert. Prozessbedingungen haben letztendlich direkte Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs. „Jede Sorte wird daher speziell mit den für ihren Anwendungsbereich exakt ausgerichteten Voraussetzungen hergestellt. Das Ergebnis ist eine verbesserte Beschichtungsadhäsion sowie optimierte Schneidkantenintegrität“, sagt Terwey.

CVD und PVD sind auch bei Ceratizit ein Thema. „Letztere werden im Lichtbogenverdampfungs-Prozess, Sputterprozess und im HIPIMS/S3P aufgebracht. Daneben finden insbesondere für die Bohrbearbeitung in der Luftfahrtindustrie CVD-Diamantbeschichtungen Anwendung“, erläutert Dr. Christoph Czettl, Head of Carbide and Coating Development.

PVD-Beschichtungen laufend optimiert

In den vergangenen Jahren hat das Unternehmen seiner Auskunft nach eine Vielzahl an Beschichtungen entwickelt, weiterentwickelt und im Detail verbessert. „Die PVD-Beschichtungen werden laufend hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung und Materialeigenschaften besser auf die Anforderungen im Zerspanprozess abgestimmt. So wurde beispielsweise in der Sorte CTPM245 ein neues Legierungskonzept mit Tantal im Titan-Aluminium-Nitrid eingeführt“, sagt Czettl. Auch die mittels CVD hergestellten Aluminiumoxidschichten werden stetig weiterentwickelt.

„In letzter Zeit häufen sich die Anwendungsfälle, die filigrane Schneiden benötigen“, berichtet Bastian Gaedike von der Beschichtungsentwicklung bei Paul Horn. „Hieraus ergibt sich für uns die Anforderung, leistungsfähige Beschichtungen auch auf extrem scharfen Geometrien abzuscheiden.“ Zu diesem Zweck hat der Werkzeughersteller die neue Sorte ES1 entwickelt, die durch ein spezielles Vorbehandlungsverfahren auch bei scharfen Schneiden stabil bleibt. „Hinzu kommt eine Standzeitsteigerung bis zum Dreifachen der bisherigen Beschichtung. Durch die hohe Stabilität der Schneide konnten auch die Standzeitschwankungen auf ein Minimum reduziert werden“, sagt Gaedike. Bei den Beschichtungsverfahren liegt der Fokus des Tübinger Unternehmens auf HIPIMS. „Mit diesem Magnetronsputterverfahren konnten wir bereits bestehende Arc- und Sputterschichten durch Standzeitsteigerungen um den Faktor 2 bis 5 in den Schatten stellen“, erläutert der Entwickler.

Drei neue HIPIMS-Beschichtungen

Gleich drei neue HIPIMS-Schichtwerkstoffe hat Cemecon entwickelt, berichtet Manfred Weigand, Product Management Round Tools. Der erste ist Ferrocon für Anwendungen in unlegierten, legierten und Schnellarbeitsstählen. Inoxacon-beschichtete Werkzeuge eignen sich für die Bearbeitung sehr harter Werkstoffe wie rostfreie, hoch legierte Stähle und Titan. Alucon auf Basis von TiB2 eignet sich dank seiner geringen Affinität zu Aluminium und anderen NE-Metallen besonders für die Bearbeitung von Aluminium, Kupfer, bleifreiem Kupfer, Titan und ihren Legierungen. Bisher wurden HIPIMS-Schichten meist mit einer Hybridtechnik aus DC- und HIPIMS-Technik abgeschieden. „Die neue Beschichtungsanlage CC800-HIPIMS stellt hingegen zum ersten Mal wirtschaftlich reine HIPIMS-Schichtwerkstoffe her“, sagt Weigand. Ihre Eigenschaften sorgen im Vergleich zu herkömmlichen PVD-Beschichtungen für längere Standzeiten, bessere Werkstückoberflächen und höhere Schnittdaten.

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Selbstadaptive Werkzeugbeschichtung erhöht Produktivität

Die sich selbst adaptierenden Multifunktionsschichten (MpC – Multipurpose Coatings) sind vielfältig einsetzbar, multilegiert und nanostrukturiert, wie der Hersteller mitteilt. Durch ihren adaptiven Charakter sind sie auf die Anforderungen verschiedener Anwendungen abgestimmt. Sie bieten Temperatur- und Phasenstabilität, geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte bei gleichzeitig guter Zähigkeit und geringe Reibwerte. Werden spezifische Legierungselemente der Schicht in der Wechselwirkungszone von Werkzeug und Werkstück benötigt, zum Beispiel bei der Trocken- oder Hartbearbeitung, können sie durch Diffusion, Ausscheidung und Reaktion in den Vordergrund treten und das Werkzeug vor thermischer Last schützen sowie die Reibung in der Kontaktzone mit zunehmender Temperatur reduzieren.

Das Konzept basiert auf einem Phasengemisch und dem nanostrukturierten Schichtdesign. Nitridische , carbidische oder deren Mischphasen werden mit Phasen von metallischem Charakter nanoskaliert kombiniert. Hierdurch lässt sich der Charakter der Schicht einstellen.

Neue Wege geht Cemecon mit der Kombination von HIPIMS und Diamant zum Schichtwerkstoff CC-Dia Hi-Speed. HIPIMS sorgt unter anderem für wärmeisolierende Eigenschaften des Schichtwerkstoffs. Die Energie wird damit in den Span geschickt und der Kolkverschleiß verringert. Diamant als Wärmeleiter unterstützt und verteilt die Restwärme gleichmäßig in das Substrat und schützt das Hartmetall vor Überhitzung. Das Resultat sind besonders hitzebeständige Schichten. Die im Vergleich zu reinen Diamantschichten weichere Oberfläche der neuen Schichtwerkstoffe verbessert das Einlaufverhalten der Werkzeuge in den Werkstoff.

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 Stéphane Itasse

Stéphane Itasse

, MM MaschinenMarkt