Was ist neu bei Schneidwerkzeugbeschichtungen?

Sollten Sie die Beschichtung selbst durchführen? Zu den zu berücksichtigenden Faktoren gehören Kosten, Lieferkettenprobleme und die Möglichkeit, proprietäre Beschichtungen herzustellen

Als wir uns das letzte Mal ausführlich mit Schneidwerkzeugbeschichtungen befassten (ME August 2019: „Better Tool Life through Advanced Chemistry“), war die heiße neue Technologie das Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HiPIMS). HiPIMS ist eine fortschrittliche Form der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), die eine nahezu vollständige Ionisierung des Beschichtungsmetalls erreicht. Der Prozess erfordert jedoch die Steuerung von mehr als 100 Parametern. Zu dieser Zeit begannen Werkzeughersteller gerade erst, die Vorteile der mit dieser Methode hergestellten Beschichtungen zu erkennen – doch viele hatten noch Bedenken, es selbst zu versuchen.

CemeCon, ein Anbieter von Beschichtungstechnologie mit Sitz in Horseheads, NY, bietet jetzt Systeme an, die von neuen Benutzern bereits nach wenigen Wochen Schulung bedient werden können – und diese Systeme sind laut Vertriebsleiter Ryan Lake sogar noch leistungsfähiger als frühere Modelle.

Mit der neuesten Betriebssoftware des Unternehmens sei es relativ einfach, die Vielzahl der Faktoren zu kontrollieren, die den HiPIMS-Prozess steuern, erklärte Lake. Er erzählte von einer kürzlichen Installation, bei der ein Kunde Mitarbeiter zu zweiwöchigen Schulungen zu CemeCon schickte, gefolgt von weiteren zwei Wochen im eigenen Haus. „Keiner von ihnen hatte jemals zuvor eine Beschichtung durchgeführt, aber sie waren [bald] betriebsbereit.“ Wie er es ausdrückte, ist CemeCon „in der Lage, jeden zu schulen, der sich für die Technologie interessiert. Wenn er herausfindet, wie man erfolgreich hochwertige Schneidwerkzeuge herstellt, kann er lernen, wie man Beschichtungen durchführt.“

Der Spezialwerkzeughersteller und Nachschleifer Better Edge, Scottdale, Pennsylvania, beschichtet seine Produkte mit Geräten von CemeCon und dem in Liechtenstein ansässigen Unternehmen Oerlikon Balzers. Darüber hinaus bietet der Geschäftsbereich Kabrlyn Coating Technologies von Better Edge Beschichtungsdienstleistungen für andere Werkzeughersteller an. Ebenso bieten CemeCon, Balzers und andere Firmen, die Beschichtungsbehälter herstellen, die Beschichtung im Allgemeinen auch als Dienstleistung an, und diese Unternehmen können nützliche Perspektiven bieten, ob die Beschichtung intern durchgeführt werden sollte.

Lake sagte, der erste von drei zu untersuchenden Faktoren sei finanzieller Natur: Wie viel geben Sie für externe Beschichtungsdienste aus? „Wenn es 200.000 bis 250.000 US-Dollar pro Jahr sind, gibt es definitiv einen finanziellen Grund, darüber nachzudenken, es ins eigene Haus zu bringen.“

Brian Shaffer, Vizepräsident für Betrieb und Qualität bei Better Edge, fügte hinzu, dass man auch die erwarteten Mengen spezifischer Beschichtungen berücksichtigen müsse. „Rezepte sind sehr teuer, insbesondere im Hochleistungsbereich, in dem wir gerne tätig sind. Deshalb müssen wir genügend Tests durchführen, um zu beweisen, dass sich das Rezept für das Endergebnis unserer Kunden lohnt, und uns fragen, ob wir genug Volumen haben, um es zu füllen.“ die Einheit, damit sich der Einsatz lohnt.

Beispielsweise, sagte Shaffer, investierte Better Edge Ende 2020 in eine Beschichtungsanlage mit Lichtbogentechnologie von Oerlikon Balzers mit „TiN-, AlTiN-, AlCrN- und TiAlN-Rezepten“, die es uns ermöglichte, 99 Prozent unseres Geschäfts im eigenen Haus zu behalten. Wir haben immer noch das eine oder andere B. extrem lange Werkzeuge, die verschickt werden müssen, oder eine Rezeptur, die wir nicht anbieten, wie z. B. TiB2 oder Diamant.“

Lohnt es sich also, dem Mix noch mehr hinzuzufügen? Shaffer verwies auf Balzers Tisaflex, das sich seiner Meinung nach „bei gehärteten Stählen und anderen schwer zu bearbeitenden Materialien“ bewährt habe. Das ist ein weiteres Rezept, das wir vielleicht eines Tages in Betracht ziehen, wenn wir genügend Nachfrage haben. Die Lehre daraus ist, dass Kostenüberlegungen über die Anschaffung eines Schiffes hinausgehen.

Das Erreichen von Sauberkeit sei ein weiterer Kostenaspekt, bemerkte Shaffer. „Wir haben herausgefunden, dass die Investition in eine hochwertige Reinigungseinheit enorm dazu beiträgt, die Ausfallzeiten des Beschichtungsbehälters zu verkürzen, indem Fehler durch Lichtbögen reduziert werden.“

Idealerweise würde man die Beschichtung physisch vom Mahlen isolieren, fügte Lake hinzu, da dadurch Partikel in die Luft gelangen. Andernfalls besteht die hohe Gefahr, dass Ihre Werkzeuge Beschichtungshohlräume aufweisen, weil die Partikel auf Ihre Werkzeuge gelangen. Sie gelangen in die Kammer und dann haftet die Beschichtung nicht. Aber wir haben Kunden, deren Beschichtungsausrüstung vielleicht nur 20 Fuß lang ist (6,1 m) vom Schleifer entfernt und sie sind immer noch erfolgreich. Wir würden zu einer Trennung raten. Aber wir wissen auch, dass die Realität das manchmal nicht zulässt.“

Lake nannte die Kontrolle der Lieferkette als zweitwichtigsten Faktor bei der Entscheidung, ob die Beschichtung intern durchgeführt werden sollte. „Auf diese Weise verlassen die Werkzeuge nie ihre Anlage, sie verlassen nie ihre Kontrolle und sie verkürzen ihre Vorlaufzeiten. Das ist oft ein Ziel.“ Shaffer stimmte begeistert zu: „Die vollständige Kontrolle über den Prozess verschafft uns einen Wettbewerbsvorteil – wir können bessere Lieferzeiten anbieten. Wir haben gerade ein Programm namens „Rapid Edge“ gestartet, das hochleistungsbeschichtete Spezialprodukte in nur drei Tagen anbietet.“

Der dritte zu berücksichtigende Faktor ist laut Lake die Fähigkeit, eigene Beschichtungen zu entwickeln. Er erklärte, dass Lohnbeschichter mehr oder weniger gezwungen seien, Standardprodukte anzubieten. „Wir wissen nicht, was jeden Tag durch die Tür kommt. … Wir können unsere Vorbehandlung, Nachbehandlung oder Reinigung anpassen, abhängig von der Größe des Werkzeugs und der Geometrie, um auf unterschiedliche Weise zu optimieren. Aber das tun wir nicht.“ „Ich habe nicht die gleiche Flexibilität wie ein Werkzeughersteller.“ Lake fügte hinzu, dass es auch keinen großen Unterschied zwischen den Materialien gebe, die von den konkurrierenden Beschichtern erhältlich seien. „Wenn Sie die Beschichtung ins Haus bringen, können Sie machen, was Sie wollen. Und mit HiPIMS können Sie fast jedes Element im Periodensystem sputtern.“

Marjorie Steed, Präsidentin von CemeCon, stellte fest, dass der starke Wettbewerbsdruck, der durch die COVID-19-Pandemie verursacht wurde, Werkzeughersteller dazu veranlasste, nach neuen Wegen zu suchen, um sich zu profilieren. „Sie fragten: ‚Wie können wir für unsere Spezialprodukte werben? Wie können wir nachweisen, dass unsere Werkzeuge besser funktionieren als zuvor oder besser als die unserer Konkurrenten?‘ Diese Suche nach neuer Technologie führte zu einem Anstieg der Nachfrage nach dem HiPIMS-Verfahren, und dieser Trend hält auch in Zukunft an.“

Ein Unternehmen, von dem man sagen könnte, dass es besessen davon ist, proprietäre Schneidwerkzeuglösungen zu entwickeln, zu denen auch Beschichtungen gehören, ist Sandvik Coromant, dessen US-Hauptsitz in Mebane, NC, liegt. Die Inveio-Beschichtung des Unternehmens verwendet ein patentiertes chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD), um das Korn zu manipulieren Die Struktur ist so gestaltet, dass sie „senkrechter als jede andere Aluminiumbeschichtung auf dem Markt“ ist, so Doug Evans, Entwicklungsspezialist. Diese gleichmäßig senkrechte Struktur sei stärker als andere CVD-Beschichtungen, sagte er anhand einer einzigartigen Illustration. „Wenn man ein Ei auf die Seite legt und Druck darauf ausübt, zerbricht es leicht. Aber wenn man das Ei aufstellen kann, erhält man viel bessere Kompressionskräfte und es braucht viel mehr Druck, um es zu zerbrechen. Das Gleiche gilt.“ Stimmt, wenn es gelingt, dass die Aluminiumkornstruktur gerade steht.“

Laut Evans können Inveio-Beschichtungen aus verschiedenen Kombinationen von Titanaluminiumnitrid, Titanchromnitrid und Aluminiumoxid bestehen. Inveio wird für Wendeschneidplatten verwendet, bei denen CVD vorherrscht. Evans berichtete von einer Verbesserung der Werkzeugstandzeit um 30 bis 50 Prozent, was ausschließlich auf die Beschichtung zurückzuführen ist. Für Werkzeuge aus Vollhartmetall, bei denen eine dünnere Beschichtung erforderlich ist, um eine schärfere Schneidkante zu erhalten, verfügt Sandvik Coromant über ein proprietäres PVD-Verfahren namens Zertivo. Der angepriesene Vorteil ist wiederum die Möglichkeit, den Beschichtungsprozess auf Mikroebene zu manipulieren. Dies soll zu einer verbesserten Haftung zwischen Substrat und Beschichtung führen, die für jede Sorte optimiert ist. Hier handelt es sich um Titannitrid bzw. eine Titan-Carbonnitrid-Beschichtung. „Bei den PVD-Prozessen sehen wir allmählich einige Beschichtungen vom Typ Aluminiumoxid“, sagte Evans. Er fügte hinzu, dass Zertivo jetzt auf alle neuen Hartmetallsorten angewendet wird.

Sandvik Coromant lässt nicht nur seine Beschichtungsverfahren patentieren, das Unternehmen baut auch eigene Beschichtungsbehälter (ganz zu schweigen von der Entwicklung spezieller Vor- und Nachbearbeitungsroutinen). Laut Evans wurden 90 Prozent der von Sandvik verkauften Werkzeuge mit eigenen Geräten beschichtet.

Wie im Artikel von 2019 erläutert, ist PVD aus mehreren Gründen eine bessere Technik als CVD – es sei denn, die Anwendung erfordert eine dicke Beschichtung. Lake erklärte, dass dies darauf zurückzuführen sei, dass sich mit zunehmender Dicke einer PVD-Beschichtung Spannungen aufbauten, was zu schlechter Haftung und vorzeitigem Versagen führe. „Bei der Lichtbogentechnik lag die Spitzenleistung immer bei vier bis fünf Mikrometern, es sei denn, man hat besondere Maßnahmen ergriffen, um die Belastung noch weiter zu verringern. Beim herkömmlichen Sputtern lag die maximale Leistung bei acht, vielleicht höchstens zehn Mikrometern.“

Aber jetzt – und Sie haben es wahrscheinlich schon vorhergesehen – ist CemeCons HiPIMS in der Lage, zuverlässig eine 12 µm dicke PVD-Beschichtung zu erzielen. Laut Steed liegt das daran, dass CemeCon in einzigartiger Weise in der Lage ist, die Kathodenimpulse mit dem Substrattisch zu synchronisieren und so die Eigenspannungen der Beschichtung „aktiv zu verwalten und zu begrenzen“. „Wir haben sogar Beschichtungen mit einer Dicke von bis zu 25 Mikrometern getestet“, fügte Lake hinzu, „allerdings nicht in der Produktion. Sogar 12 Mikrometer waren noch vor drei Jahren undenkbar.“

Steed erklärte, dass diese Fähigkeit besonders nützlich für die Beschichtung von Wendeschneidplatten ist, die bei der Schwerzerspanung von Schienen, Weichen, Rohren und Kurbelwellen sowie beim Rotationsschälen von Gusseisen- und Eisenwerkstoffen eingesetzt werden. „Für diese Operationen ist oft eine große Anzahl von Schneideinsätzen erforderlich, die maximalen Arbeitsgeschwindigkeiten standhalten und eine qualitativ hochwertige Bearbeitung ermöglichen. Höhere Schichtdicken verlängern die Werkzeugstandzeit erheblich – der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit. Der Zusammenhang ist bei solchen Anwendungen nahezu linear – Und hier kommt diese Beschichtung ins Spiel, die wir FerroCon Quadro nennen.“

Steed stellte außerdem fest, dass die FerrCon Quadro-Beschichtung nicht nur dick und zäh ist, sondern auch sehr glatt und die Dicke gleichmäßig verteilt ist, was für optimale Verschleißfestigkeit sorgt. Tatsächlich scheint Glätte nicht nur ein Merkmal von HiPIMS, sondern von CemeCon PVD-Beschichtungen im Allgemeinen zu sein. Shaffer sagte, dass sie über eine ältere CemeCon-Sputtereinheit aus der Zeit vor HiPIMS verfügen, die „die Oerlikon Balzers bei Anwendungen, bei denen wir eine hervorragende Oberflächengüte benötigen, immer noch übertrifft. Wir haben dies bei Schaftfräsern mit sieben Nuten und einigen Reibanwendungen gesehen.“

Ursprünglich für die gehärteten Stähle im Formenbau entwickelt, findet die SteelCon-Beschichtung von CemeCon inzwischen breite Anwendung, berichtet Manfred Weigand, Produktmanager für Rundwerkzeuge. Dazu gehören Edelstahl, Nickelbasislegierungen, Titanlegierungen, vergüteter Stahl (42CrMo) und Kaltarbeitsstahl (1.2379).

Weigand führte diesen Erfolg auf die hervorragende thermische Stabilität und Isolierung von SteelCon zurück, die „kaum Wärme in das Werkzeug einlässt, sondern diese über den Chip ableitet“. Dies ist insbesondere bei Materialien von Vorteil, die selbst sehr schlechte Wärmeleiter sind, wie zum Beispiel Edelstahl, Nickel- Basislegierungen und Titan. Ohne SteelCon würden die hohen Temperaturen, die bei der Bearbeitung der Hartstoffe zwangsläufig entstehen, das Werkzeug beschädigen und das Hartmetall verspröden.“ Wie andere HiPIMS-Beschichtungen sei SteelCon aufgrund der hervorragenden Haftung der Beschichtung sowie ihrer hohen Härte und Zähigkeit „äußerst verschleißfest“, sagte Weigand. „Diese Eigenschaftskombination führt zu deutlich längeren Werkzeugstandzeiten und hervorragenden Bearbeitungsergebnissen.“

In einem Vergleich (ein 6-mm-Hartmetall-Schaftfräser bearbeitet 62-HRC-Kaltarbeitsstahl mit vc = 170 m/min, fz = 0,11 mm, ae = 0,05 mm, ap = 0,05 mm) hielt das mit SteelCon beschichtete Werkzeug 1.050 Minuten Bei einem konkurrierenden TiAlSiN-beschichteten Werkzeug sind es 590 Minuten und bei einem AlTiN-beschichteten Werkzeug 405 Minuten. Generell, so Lake, biete SteelCon „die Möglichkeit, Werkzeuge 10 bis 30 Prozent länger laufen zu lassen als selbst unsere vorherigen Beschichtungen oder 10 bis 30 Prozent schneller laufen zu lassen als bisher.“

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