7 essenzielle Werkzeugbeschichtungen für überlegenes CNC-Zerspanen

Wer seine CNC-Zerspanung voranbringen will, sollte verstehen, wie Beschichtungstechnologie den Unterschied macht. Hier sind gute Gründe, eine Hochleistungsschneidwerkzeug-Beschichtung für Ihr nächstes Problemteil zu prüfen.

Gutes Hartmetall ist wichtig, aber eine gute Beschichtung auf dessen Oberfläche ist oft entscheidend. In diesem Artikel interviewen wir Dr. Jon W. Paggett, Leiter Beschichtungsentwicklung bei Kyocera Hardcoating Technologies, über aktuelle Entwicklungen bei Schneidwerkzeugbeschichtungen – und wie sie Fertigungsbetrieben helfen, Produktivität zu steigern und Werkzeugkosten zu senken.

Die Top-Werkzeugbeschichtungen für Schaftfräser, Bohrer, Fräser

Kyocera SGS Precision Tools ist ein führender Hersteller von Schaftfräsern, Bohrern und Fräsern und bietet zahlreiche Werkzeugbeschichtungen an. Obwohl die Namen proprietär sind, gibt es die bewährten Klassiker wie TiN und TiCN, die jedem Zerspaner geläufig sind, sowie einige neuere Entwicklungen. Hier sind die Top 7:

• Ti-NAMITE (Titanitrid)
• Ti-NAMITE-A (Aluminium-Titan-Nitrid / AlTiN)
• Ti-NAMITE-B (Titan-Diborid)
• Ti-NAMITE-C (Titan-Carbonitrid)
• Ti-NAMITE-X (proprietäres Nanokomposit)
• Di-NAMITE (kristalliner Diamant)
• Ti-NAMITE-M (proprietäres Nanokomposit)

Es gibt weitere, aber die zweite – AlTiN, zusammen mit ihren siliziumhaltigen (AlTiN/Si₃N₄) Verwandten – hat laut Paggett TiN als Standardbeschichtung für ein breites Anwendungsspektrum weitgehend abgelöst.

„Es ist vielleicht die gängigste, allgemein einsetzbare Hochleistungsbeschichtung und eine gute Wahl für rostfreie Stähle und einige Superlegierungen“, erklärt er. „Zudem verbessert die Zugabe von Chrom zu verschiedenen Beschichtungen – wie AlTiCrN und AlCrN – die thermische Stabilität für Anwendungen bei höheren Temperaturen.“

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Wie die richtigen Beschichtungen Risse, Delamination und Werkzeugversagen verhindern

Bei Schneidwerkzeugbeschichtungen geht es um mehr als esoterische chemische Verbindungen. Ebenso wichtig sind das Beschichtungsverfahren, die Schneidkantenpräparation, die Beschichtungsdicke und die Korngröße des Hartmetallsubstrats.

„Viele fortschrittliche Beschichtungen enthalten heute Nanostrukturen wie Nanenschichten oder Nanokomposite“, sagt Paggett. „Sofern die Dicke dieser ultradünnen Schichten in einem bestimmten Bereich kontrolliert werden kann, verbessern sie Härte und Verschleißfestigkeit der Beschichtung bei nur minimalem Zähigkeitsverlust. Diese geschichteten, mehrphasigen Strukturen lenken auch Risse ab, die sich sonst ins Werkzeug ausbreiten würden.“

Nitridbeschichtungen liegen typischerweise im Bereich von 2 bis 4 µm (nicht mm, wie im Original fehlerhaft angegeben), so Paggett. Er merkt an, dass die Spannungen zwischen Beschichtung und Substrat mit der Dicke zunehmen. Zu dicke Beschichtungen führen zu Delamination und nachfolgendem Werkzeugbruch.

Und wie jeder weiß, der TiC- oder andere klassische CVD-beschichtete Werkzeuge genutzt hat: Dickere Beschichtungen „stumpfen“ das Werkzeug ab, indem sie den Schneidkantenradius vergrößern. Das ist bei manchen Anwendungen – Kohlenstoffstahl, Gusseisen – vorteilhaft, aber für rostfreien Stahl, Aluminium, Werkzeugstähle und Superlegierungen sind scharfe Kanten und positiv geformte Werkzeuge meist die erste Wahl.

Ziehen Sie High-Performance-Zerspanung in Betracht? Erfahren Sie mehr im Artikel „Is It Time to Embrace High-Performance Machining?“.

Die Evolution der Schneidwerkzeugbeschichtungen

Natürlich hat sich die Beschichtungstechnologie seit den Anfängen von TiC und anderen CVD-Beschichtungen stark gewandelt. Heutige dickste TiC-beschichtete Werkzeuge sind deutlich schärfer als früher.

„Fortschritte bei der Applikation von PVD-Beschichtungen umfassen Kathodendesigns, die die Vorteile von Kathodenbogen und Magnetronsputtern kombinieren“, sagt Paggett. „Magnetkonfiguration und gepulster Bogen reduzieren Makropartikel und erzeugen glattere Beschichtungen aus Kathodenbogensystemen, während HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) das Ionisationsverhältnis und die Abscheiderate von Sputtersystemen erhöht. Auch bei Plasmazurkonfigurationen gibt es Fortschritte, die die Beschichtungshaftung verbessern.“

All dieses Fachwissen über Magnetrone und Sputtersysteme mag komplex klingen. Für den Zerspaner zählen letztlich nur Werkzeugstandzeit und Spanabtragsrate. Wenn es um Aluminium geht, rät Paggett, einen genaueren Blick auf einen weiteren Newcomer zu werfen: Titan-Diborid.

TiB₂ ist eine hervorragende Beschichtung für Aluminiumlegierungen und andere NE-Anwendungen. Ihre hohe Härte bietet guten Verschleißwiderstand bei abrasiven siliziumhaltigen Alulegierungen und reduziert den Aufbauschneiden, der letztlich zum Werkzeugversagen führt.

Und welchen Einfluss hat die Schneidkantenpräparation auf die Performance?

„Unter dem Mikroskop betrachtet sind geschliffene Schneidkanten recht rau“, sagt Paggett. „Hochspannungspunkte wirken als Spannungskonzentratoren, die zu vorzeitigem Bruch und Verschlechterung der Schneide führen können. Die Kantenpräparation glättet diese Rauheit und bringt eine Fase ein, die die Schneide weiter verstärkt.“

Der Produktivitätseffekt von Werkzeugbeschichtungen

Wer últimamente Schneidwerkzeuge gekauft hat, hat sicher den höheren Preis der fortschrittlichen Beschichtungen bemerkt – bei 2- bis 3-fachem Preis „standardmäßiger“ Beschichtungen: Lohnt sich das? Paggett sagt ja.

Die potenziellen Leistungssteigerungen hängen von vielen Variablen ab: Werkstückmaterial, Werkzeuggeometrie, Werkzeugbahnen, Maschine. Aber Spanabtragsraten-Steigerungen von 10-fach oder mehr sind in bestimmten Anwendungen möglich.

„Die höhere Produktivität und Standzeit wird fast sicher zu einer netto-Reduktion der Gesamtkosten führen“, fügt er hinzu.

Zugegeben, eine ältere oder untermotorisierte Maschine kann diese Produktivitätsgewinne nicht voll nutzen, aber die verlängerte Standzeit wäre dennoch vorteilhaft.

„Mit diesem Hintergrund gibt es spezifische Anwendungen in der Medizintechnik und Luftfahrt, wo man aus Biokompatibilitäts- oder Materialübertragungsbedenken zögert, Beschichtungen einzusetzen“, sagt Paggett. „Für die meisten Anwendungen ist es jedoch ratsam, neue Beschichtungen zu evaluieren und zu testen, sobald sie verfügbar sind.“

Welche sind Ihre Lieblingsbeschichtungen für schwer zerspanbare Materialien? Diskutieren Sie mit Kollegen im Metalworking Forum. [Registrierung erforderlich]