Zerspanungswissen

Schneidwerkzeuge – Was ist die richtige Beschichtung?

Rund 95 Prozent der Hartmetall-Werkzeugschneiden werden heute beschichtet. Die Steigerung der Oberflächenhärte erhöht die Verschleißfestigkeit des Werkzeuges, die Reduktion des Gleitwiderstandes bei der Spanabfuhr durch ultraglatte Oberflächen verringert die Aufschweißneigung sowie Aufbauschneidenbildung und die Isolierwirkung der Schicht steigert die Warmhärte. Im Ergebnis sind deutlich höhere Standzeiten zu erzielen.

Zur Beschichtung dienen im Wesentlichen zwei Verfahren: die PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) und die CVD-Beschichtung (Chemical Vapour Deposition). 

Beispiel: AlTiN-Beschichtung

CVD Beschichtungen

Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition = CVD) ist eine Methode zur Herstellung von eigenspannungsarmen Beschichtungen mittels thermisch herbeigeführten chemischen Reaktionen.  

Die Ausgangsstoffe für die Beschichtung werden verdampft und im Gaszustand der Beschichtungszone zugeführt. Das Gas wird dann entweder zersetzt oder reagiert mit weiteren Ausgangsstoffen und lagert sich anschließend als Dünnschicht auf dem Substrat ab. Dies kann im Vakuum oder unter Atmosphärendruck geschehen.  

Um die Oberflächenreaktionen zu ermöglichen, werden Substrattemperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius benötigt. Diese Prozesse können durch ein Plasma unterstützt werden, das die Reaktionsrate erhöht, wodurch die Beschichtungstemperatur gesenkt werden kann.   

Der CVD Prozess wird genutzt, um Beschichtungen mit einer Dicke von 5 bis 12 µm, in manchen Fällen bis zu 20 µm, abzuscheiden. Verwendete Materialien sind TiC, TiCN, TiN und Aluminumoxide (Al203). Die Beschichtungen können als Einzel- oder Mehrfachschichten aufgebracht werden. 

Eigenschaften CVD-Beschichtung

  • Geringe Eigenspannungen der Beschichtung
  • Sehr gute Schichthaftung 
  • Hohe Belastbarkeit
  • Schichten bis zu 20 µm möglich
  • Sehr gute Homogenität der Beschichtung
  • Möglichkeit von Innenbeschichtung und komplexen Geometrien
  • Bei dickeren Schichten sehr gute Hitzeschildwirkung
  • Bei Dreh- und Fräsbearbeitung von Guss sind Schnittgeschwindigkeiten möglich, die sonst nur mit Schneidkeramiken erreicht werden.
  • Hohe Prozesstemperaturen bewirken eine stärkere Versprödung des Hartmetall-Substrats und verringern so die Zähigkeit der Schneide.
  • Dicke Schichtaufträge von 20 µm führen zu Verrundungen und verringern damit die Schärfe der Schneidkante. 

Diamantbeschichtung

Die Beschichtung mit Diamant ist eine spezielle Form der CVD-Beschichtung: Dafür wird das eingebrachte Wasserstoffgas entweder durch hohe Temperaturen (2000 Grad Celsius) oder Plasmazündungen in Wasserstoffradikale aufgespalten. Diese Radikale reagieren dann zusammen mit dem ebenfalls eingebrachten kohlenstoffhaltigen Gas (meist Methan, CH4), was zu einer Anlagerung von Kohlenstoff auf der Substratoberfläche führt. Werden die richtigen Prozessparameter eingehalten, scheidet sich dieser Kohlenstoff in der Kristallform des Diamanten ab. Diamantbeschichtungen eignen sich sehr gut für die Bearbeitung von stark abrasiven Materialien, wie Graphite oder CFK-Bauteile.

Einsatzgebiete CVD

CVD-Beschichtungen sind die erste Wahl, wenn es auf die Verschleißfestigkeit ankommt, wie bei allgemeinen Drehbearbeitungen von rostfreien Stählen und dem Bohren in Stahl, wo die dicken CVD-Beschichtungen die Widerstandsfähigkeit gegen Kolkverschleiß ermöglichen. Ebenso bei Frässorten in ISO P, ISO M und ISO K. Beim Bohren werden CVD-Sorten normalerweise in der Außenschneide eingesetzt. 

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PVD-Beschichtungen

PVD-Verfahren beruhen im Gegensatz zu CVD-Verfahren auf rein physikalischen Wirkungsverfahren. Es handelt sich dabei um einen Materialdampf, der an der Substratoberfläche kondensiert. Damit die Dampfteilchen die Bauteile erreichen und nicht durch Streuung an den Gasteilchen verlorengehen, wird dabei im Unterdruck gearbeitet. Weil der PVD-Herstellungsprozess bei geringeren Temperaturen von 400 bis 600 Grad Celsius abläuft, werden die Eigenschaften des Grundwerkstoffs weniger stark beeinträchtigt als beim CVD-Verfahren. Deshalb bleibt die Zähigkeit spezieller, feinkörniger Hartmetalle weitgehend erhalten.

Bei der PVD-Beschichtung unterscheidet man hauptsächlich vier Beschichtungsvarianten: Aufdampfen, Kathodenzerstäuben (Sputtern), Lichtbogenverdampfen und Ionenplattieren. Die größte Bedeutung hat das Sputtern. Mit den verschiedenen PVD-Varianten können fast alle Metalle und auch Kohlenstoff in sehr reiner Form abgeschieden werden. Führt man dem Prozess Reaktivgase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe zu, lassen sich auch Oxide, Nitride oder Carbonide abscheiden.

Eigenschaften PVD

  • Hohe Reinheit der Schichten
  • Geringe thermische Substratbeeinflussung – Zähigkeit bleibt erhalten
  • Beliebige Schichtwerkstoffe
  • Geringe Schichtdickentoleranz
  • Ausgezeichnete Haftfestigkeit (auch über zusätzliche Zwischenschichten)
  • vergleichsweise geringe Schichtdicken 

Einsatzgebiete PVD

PVD-beschichtete Sorten werden aufgrund ihrer zähen, aber trotzdem scharfen Schneidkanten für adhäsive Werkstoffe empfohlen. Die Anwendungsbereiche schließen alle Vollhartmetallfräser und -bohrer sowie die Mehrzahl der Sorten für das Einstechen, Gewindeschneiden und Fräsen ein. PVD-beschichtete Sorten werden außerdem in großem Umfang bei Schlichtvorgängen sowie als Zentrumschneidensorte beim Bohren eingesetzt. 

Multilayer

Wenn eine hohe Zähigkeit verlangt wird, bietet sich eine Multilayer-Beschichtung an. Dabei werden bis zu 2000 Einzelschichten aufgebracht, die jeweils nur wenige Nanometer dick sind. 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. 

Welcher Schneidstoff eignet sich wofür?

Bei der CVD-Beschichtung sind die verwendeten Materialien in der Regel TiC, TiCN, TiN und Aluminumoxide (Al203). Mit den verschiedenen PVD-Varianten können fast alle Metalle und auch Kohlenstoff abgeschieden werden. Zur Orientierung finden Sie hier eine Übersicht der Eigenschaften der gebräuchlichsten Verbindungen:

TiN: Titan-Nitrid-Beschichtung

  • Meistverwendete Standardbeschichtung und universell einsetzbar
  • Chemische Verbindung von Titan und Stickstoff
  • Nanohärte: bis 24 Gigapascal (GPa)
  • Schichtdicke: 1-7 μm
  • Reibungskoeffizient: 0,55 μ
  • Anwendungstemperatur: 600 °C
  • Anwendung: Stahl (N/mm²) < 900, Messing und Gusseisen
  • In Aluminium nur mit stationären Werkzeugmaschinen und forcierter Flüssigkeitskühlung
  • Kühlung ist empfehlenswert
  • Drei- bis vierfach höhere Standzeit im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen

TiAlN: Titan-Aluminium-Nitrid-Beschichtung

  • Allround-Beschichtung
  • Je nach Anwendung, bis zu zehnfach höhere Standzeiten
  • Hohe Warmhärte- und Oxidationsbeständigkeit
  • Hohe Schnittgeschwindigkeit
  • Chemische Verbindung von Titan, Aluminium und Stickstoff
  • Nanohärte: bis 35 Gigapascal (GPa)
  • Schichtdicke: 1-4 μm
  • Reibungskoeffizient: 0,5 μ
  • Anwendungstemperatur: 800 °C
  • Anwendung: Stahl (N/mm²) < 1.100, rostfreier Stahl (Edelstahl), Titanlegierungen, Gusseisen, Aluminium, Messing, Bronze und Kunststoff
  • Kühlung nicht zwingend notwendig

AlTiN: Aluminium-Titan-Nitrid-Beschichtung

  • Je nach Anwendung, bis zu vierzehnfach höhere Standzeiten
  • Sehr hohe Warmhärte- und Oxidationsbeständigkeit
  • Chemische Verbindung von Aluminium, Titan und Stickstoff
  • Nanohärte: bis 38 Gigapascal (GPa)
  • Schichtdicke: 1-4 μm
  • Reibungskoeffizient: 0,7 μ
  • Anwendungstemperatur: 900 °C
  • Anwendung: Stahl (N/mm²) < 1.300, rostfreier Stahl (Edelstahl)
  • Kühlung nicht zwingend notwendig

TiCN: Titan-Carbon-Nitrid-Beschichtung

  • Je nach Anwendung bis zu vier- bis fünffach höhere Standzeiten
  • Sehr hohe Härte und zugleich gute Zähigkeit
  • Chemische Verbindung von Titan, Carbon und Stickstoff
  • Nanohärte: bis 32 GPa
  • Schichtdicke: 1-4 μm
  • Reibungskoeffizient: 0,2 μ
  • Anwendungstemperatur: 400 °C
  • Anwendung: Stahl (N/mm²) < 1.300, rostfreier Stahl (Edelstahl)
  • Kühlung ist bei höheren Schnittgeschwindigkeiten notwendig