FAQ
PVD-Beschichtungen für Schneidwerkzeuge
Die Einführung von PVD-Dünnfilm-Beschichtungen für Schneidwerkzeuge in der Metallbearbeitungsindustrie ist eine der großen Erfolgsgeschichten der industriellen Anwendung moderner Beschichtungstechnologie in den letzten 30 Jahren. Das erste PVD-Beschichtungsmaterial mit einer kommerziellen Anwendung auf Schneidwerkzeugen war TiN in den frühen 1980er Jahren, und seit den 1990er Jahren sind die meisten Schneidwerkzeuge PVD-beschichtet, insbesondere in Anwendungen, bei denen scharfe Kanten erforderlich sind, z.B. Gewindeschneiden, Nuten, Schaftfräsen, etc. und in Schneidanwendungen, die hohe Anforderungen an eine robuste Schneidkante stellen, z.B. Bohren. In Vollhartmetall-Schneidwerkzeugen (Schaftfräser und Bohrer) ist PVD die Standard-Beschichtungstechnologie. Die TiAlN-PVD-Beschichtung ist derzeit die am häufigsten aufgetragene PVD-Beschichtung für Schneidwerkzeuge, aber andere Beschichtungen wie TiCN und CrN bieten in bestimmten Anwendungen bessere Lösungen.
Technologie
PVD-Dünnfilm-Beschichtungen können bei Temperaturen unter 500 ºC abgeschieden werden. Dies ermöglicht die Beschichtung von Substraten wie Lagerstählen sowie Titan- oder Aluminiumlegierungen. Dies wäre mit der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) nicht möglich. Die Beschichtungstemperatur kann sogar auf ein Niveau gesenkt werden, das es ermöglicht, Polymere zu beschichten.
Wesentliche Merkmale
Glatte Beschichtungen
Magnetron-gesputterte Beschichtungen folgen der genauen Oberflächenrauheit des Substratmaterials. Wenn vor der Beschichtung ein Fingerabdruck vorhanden war, sieht man ihn nach der Beschichtung. Glatte Beschichtungen sind für Anwendungen wie hochpräzises Formen von entscheidender Bedeutung.
Hohe Härte
PVD-Beschichtungen werden unter gleichzeitiger Ionenbeschuss abgeschieden. Diese energiereichen Ionen ermöglichen die Abscheidung dichter, harter Filme, indem sie den gesputterten Neutrale genügend Energie zuführen, um eine geeignete Nukleationsstelle zu finden und hohe Druckspannungen zu induzieren. Mit dieser Technik können PVD-Beschichtungen mit einer Härte von 1000-4000HV abgeschieden werden, was etwa 5-mal so hart ist wie Schnellarbeitsstahl.
Verschleißfestigkeit
PVD-Beschichtungen können so abgeschieden werden, dass sie allen Formen des Verschleißes widerstehen. Beim Zerspanen beispielsweise werden erhebliche Reduzierungen der folgenden Verschleißmechanismen beobachtet.
Fehlerbehebung
Problem: Kraterbildung (chemische Reaktion zwischen Werkzeug und Werkstück).
Lösung: Stabile Beschichtungen, die nicht leicht chemisch reagieren.
Problem: Flankenverschleiß – Abrasionsverschleiß durch harte Bestandteile des Werkstücks.
Lösung: Harte Beschichtungen.
Problem: Aufbauschneidenbildung – Schweißen des Werkstückmaterials an die Werkzeugspitze, das sich möglicherweise zusammen mit einem Teil der Spitze ablöst.
Lösung: Niedrigreibungsbeschichtungen, die die Wärmeentwicklung und die Bildung fester Lösungen reduzieren.
Problem: Kerbverschleiß in der Schnitttiefe – Oxidation des Werkzeugmaterials mit etwas Abrieb von der Kante des Spans.
Lösung: Beschichtungen, die Oxidation bis zu 1000 ºC widerstehen.
Problem: Thermische Risse – verursacht durch Temperaturgradienten beim wiederholten Erwärmen und Abkühlen bei unterbrochenem Schneiden.
Lösung: Niedrigreibungsbeschichtungen, die die Wärmeentwicklung reduzieren.
Vorteile der Beschichtung
Spart Unternehmen Milliarden
Im Bereich der Zerspanung und Werkzeugbearbeitung werden PVD-Beschichtungen häufig verwendet, um die Lebensdauer und Produktivität von Produktionsschneidwerkzeugen zu erhöhen und Unternehmen weltweit Milliarden von Dollar zu sparen. Der Einsatz von PVD-Beschichtungen auf Schneidwerkzeugen spart auf drei Arten Geld.
Werkzeuge schneller betreiben
Erstens können PVD-beschichtete Schneidwerkzeuge schneller betrieben werden, wodurch die Zykluszeiten verkürzt und mehr Komponenten in kürzerer Zeit produziert werden können.
Verschleiß und Ablagerungen reduzieren
In der Metallbearbeitung existieren je nach Werkstückmaterial verschiedene Verschleißprozesse. Diese Verschleißmechanismen umfassen Abrasionsverschleiß an der Flanke und Freifläche des Schneidwerkzeugs, Kraterbildung an der Spanfläche, verursacht durch chemische Reaktion zwischen dem geschnittenen Span und der Werkzeugoberfläche, Aufbauschneidenbildung an der Schneidkante und Kerbverschleiß in der Schnitttiefe, verursacht durch Abrieb durch die äußere Kante des Spans.
Keiner dieser Verschleißmechanismen existiert isoliert, einer dominiert jedoch normalerweise. Beispielsweise wird beim Schneiden von niedrig-siliciumhaltigem Aluminium ein Aufbauschneiden gebildet, das die Qualität des Endprodukts beeinträchtigt, während hoch-siliciumhaltiges Aluminium dazu führt, dass das Werkzeug hauptsächlich durch Abrieb verschleißt. PVD-Beschichtungen sind widerstandsfähig gegen alle Formen von Verschleiß und erhöhen die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen, wodurch die Werkzeugwechselkosten reduziert werden.
Der Bedarf an Schneidflüssigkeit verringern
Schneidflüssigkeiten kosten Unternehmen heute bis zu 15% ihrer gesamten Produktionskosten. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und Trockenbearbeitung beinhalten extrem hohe Temperaturen an der Schneidkante. PVD-Beschichtungen wie TiAlN haben eine unglaubliche thermische Stabilität, Heißhärte und Oxidationsbeständigkeit. PVD-Beschichtungen können daher trocken oder mit sehr geringer Menge an Schneidflüssigkeit betrieben werden.
Harte Materialien schneiden
PVD-beschichtete Schneidwerkzeuge können extrem harte Materialien schneiden, z.B. 63 HRC.
Nachschärfen und Neubeschichten von Schneidwerkzeugen
Die Schneidwerkzeuge erzielen die gleiche Leistung wie neue beschichtete Werkzeuge.
