Platforma wiedzy

Narzędzia skrawające – Jaka powłoka jest właściwa?

Na około 95 procent krawędzi skrawających narzędzi z węglików spiekanych nanosi się obecnie powłoki. Wzrost twardości powierzchni zwiększa odporność narzędzia na zużycie, a redukcja oporu tarcia ślizgowego podczas ewakuacji wióra dzięki bardzo gładkim powierzchniom zmniejsza skłonność do napawania i tworzenia się narostów, a efekt izolacyjny powłoki zwiększa twardość na gorąco. W efekcie można osiągnąć znacznie większą trwałość narzędzi.

Do nakładania powłok stosuje się w zasadzie dwie metody: metodę PVD (Physical Vapour Deposition – fizyczne osadzanie cienkich warstw z fazy gazowej) i metodę CVD (Chemical Vapour Deposition – chemiczne osadzanie cienkich warstw z fazy gazowej). 

Przykład: Powłoka AlTiN

Powłoki CVD

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) jest metodą wytwarzania powłok o niskim naprężeniu własnym za pomocą reakcji chemicznych wywołanych termicznie.  

Materiały wyjściowe powłoki są odparowywane i doprowadzane do strefy nanoszenia powłoki w stanie gazowym. Gaz jest następnie rozkładany lub reaguje z innymi materiałami wyjściowymi, a następnie osadza się na substracie w postaci cienkiej warstwy. Metodę tą można przeprowadzić w próżni lub pod ciśnieniem atmosferycznym.  

Aby umożliwić reakcje powierzchniowe, wymagane są temperatury substratu do 1000 stopni Celsjusza. Procesy te mogą być wspomagane przez plazmę, która zwiększa szybkość reakcji, przez co można obniżyć temperaturę powłoki.   

Metodą CVD osadzane są powłoki o grubości od 5 do 12 µm, a w niektórych przypadkach nawet do 20 µm. Materiałami stosowanymi są TiC, TiCN, TiN i tlenki glinu (Al203). Powłoki mogą być nanoszone w formie jednej lub kilku warstw. 

Właściwości powłoki CVD

  • Niskie naprężenia własne
  • Bardzo dobra przyczepność 
  • Wysoka obciążalność
  • Możliwość nanoszenia warstw do 20 µm
  • Bardzo dobra homogeniczność powłoki
  • Możliwość nanoszenia powłok wewnętrznych przy złożonej geometrii
  • Bardzo dobry efekt osłony cieplnej przy grubszych warstwach
  • Podczas toczenia i frezowania żeliwa możliwe są prędkości skrawania, które w innych przypadkach można osiągnąć tylko przy zastosowaniu ceramiki narzędziowej.
  • Wysokie temperatury procesu powodują większą kruchość substratu węglika spiekanego i tym samym zmniejszają ciągliwość krawędzi skrawającej.
  • Grube powłoki 20 µm prowadzą do zaokrągleń i tym samym zmniejszają ostrość krawędzi skrawającej. 

Powłoka diamentowa

Powłoka diamentowa jest specjalną formą powłoki CVD: W celu jej uzyskania wprowadzony gaz wodorowy jest rozkładany na rodniki wodorowe albo przez wysoką temperaturę (2000 stopni Celsjusza), albo przez zapłon plazmowy. Rodniki te reagują następnie z wprowadzonym również gazem zawierającym węgiel (zwykle metanem, CH4), co powoduje osadzanie się węgla na powierzchni substratu. Przy zachowaniu odpowiednich parametrów procesu, węgiel ten wytrąca się w postaci krystalicznej diamentu. Powłoki diamentowe nadają się bardzo dobrze do obróbki materiałów trudnoobrabialnych, takich jak grafit czy komponenty z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym.

Obszary zastosowania powłok CVD

Powłoki CVD są pierwszym wyborem, gdy ważna jest odporność na zużycie, np. w ogólnych operacjach toczenia stali nierdzewnych i wiercenia w stali, gdzie grube powłoki CVD zapewniają odporność na zużycie żłobkowe. Również w gatunkach do frezowania w grupach ISO P, ISO M i ISO K. W przypadku wiercenia, gatunki CVD są zwykle stosowane na zewnętrznej krawędzi skrawającej. 

Jeżeli mają Państwo dodatkowe pytania, prosimy zwrócić się do naszych doradców!

Nasze Centrum Obsługi Klienta dostępne jest dla Państwa od poniedziałku do piątku w godzinach od 08.00 do 19.00

Powłoki PVD

W przeciwieństwie do metody CVD, metoda PVD opiera się na procesach czysto fizycznych. Polega ona na kondensacji par na powierzchni substratu. Aby zapewnić, że cząsteczki pary dotrą do komponentów i nie zostaną utracone w wyniku rozproszenia na cząsteczkach gazu, proces jest prowadzony w warunkach podciśnienia. Ponieważ proces nanoszenia powłok PVD odbywa się w niższych temperaturach w zakresie od 400 do 600 stopni Celsjusza, właściwości materiału bazowego są poddawane mniej niekorzystnym zjawiskom niż w przypadku metody CVD. Dzięki temu w znacznym stopniu zachowana jest ciągliwość specjalnych, drobnoziarnistych węglików spiekanych.

W metodzie PVD rozróżnia się zasadniczo cztery warianty nanoszenia powłok: naparowywanie, rozpylanie katodowe, parowanie łukowe i jonizację. Największe znaczenie ma jonizacja. Dzięki różnym wariantom metody PVD można osadzać prawie wszystkie metale, a także węgiel w bardzo czystej postaci. Jeżeli do procesu doprowadzi się gazy reaktywne, takie jak tlen, azot lub węglowodory, można również osadzać tlenki, azotki lub węgliki.

Właściwości powłoki PVD

  • Wysoka czystość powłok
  • Mniejszy wpływ termiczny na substrat – zachowana ciągliwość
  • Dowolne materiały powłokowe
  • Niska tolerancja grubości warstwy
  • Doskonała przyczepność (również dzięki dodatkowym warstwom pośrednim)
  • Porównywalnie małe grubości warstw 

Obszary zastosowania powłok PVD

Ze względu na ich twarde, ale ostre krawędzie skrawające gatunki z powłoką PVD są zalecane do materiałów przyczepnych. Zakres zastosowania obejmuje wszystkie frezy i wiertła z pełnego węglika, jak również większość gatunków do wcinania, gwintowania i frezowania. Gatunki z powłoką PVD są również szeroko stosowane w obróbce wykańczającej oraz jako gatunek do krawędzi centralnej przy wierceniu. 

Powłoka wielowarstwowa (Multilayer)

Jeżeli wymagana jest wysoka ciągliwość, można zastosować powłokę wielowarstwową. Nakłada się tu do 2000 pojedynczych warstw, z których każda ma grubość zaledwie kilku nanometrów. Wielowarstwowa struktura powłoki zapobiega rozprzestrzenianiu się do wewnątrz pęknięć powstałych podczas obróbki skrawaniem. Usuwany materiał nie jest w stanie tak szybko wniknąć w krawędź skrawającą i rozsadzić od wewnątrz. Dlatego też przy powłokach wielowarstwowych uzyskuje się większą trwałość narzędzia. Oprócz struktury warstwowej ważna jest również warstwa wierzchnia (top layer). Zwłaszcza metale nieżelazne mają tendencję do tworzenia narostów na krawędziach, które zwiększają siły skrawania i temperatury, prowadząc tym samym do zużycia narzędzia. Problem ten jest minimalizowany dzięki warstwom wierzchnim o niskim współczynniku tarcia. 

Który materiał skrawający nadaje się do czego?

W przypadku nanoszenia powłok metodą CVD stosowanymi materiałami są zazwyczaj TiC, TiCN, TiN i tlenki glinu (Al203). W różnych wariantach metody PVD można osadzać prawie wszystkie metale, a również węgiel. Poniżej przedstawiamy dla orientacji właściwości najczęściej spotykanych związków chemicznych:

TiN: Powłoka z azotku tytanu

  • Najpowszechniej stosowana standardowa powłoka o uniwersalnym zastosowaniu
  • Związek chemiczny tytanu i azotu
  • Twardość w skali nano: do 24 gigapaskali (GPa)
  • Grubość warstwy: 1-7 μm
  • Współczynnik tarcia: 0,55 μ
  • Temperatura zastosowania: 600°C
  • Zastosowanie: stal (N/mm²) < 900, mosiądz i żeliwo.
  • W przypadku aluminium tylko na stacjonarnych obrabiarkach i z wymuszonym chłodzeniem cieczą
  • Zalecane jest chłodzenie
  • Trzy do czterech razy większa trwałość w porównaniu z narzędziami niepowlekanymi

TiAlN: powłoka z azotku tytanowo-glinowego

  • Powłoka uniwersalna
  • W zależności od zastosowania, do dziesięciu razy większa trwałość
  • Wysoka twardość na gorąco i odporność na utlenianie
  • Wysoka prędkość skrawania
  • Związek chemiczny tytanu, glinu i azotu
  • Twardość w skali nano: do 35 gigapaskali (GPa)
  • Grubość warstwy: 1-4 μm
  • Współczynnik tarcia: 0,5 μ
  • Temperatura zastosowania: 800°C
  • Zastosowanie: stal (N/mm²) < 1.100, stal nierdzewna (stal szlachetna), stopy tytanu, żeliwo, aluminium, mosiądz, brąz i tworzywo sztuczne
  • Chłodzenie nie jest bezwzględnie konieczne

AlTiN: powłoka z azotku glinowo-tytanowego

  • W zależności od zastosowania nawet czternastokrotnie większa trwałość
  • Bardzo wysoka twardość na gorąco i odporność na utlenianie
  • Związek chemiczny glinu, tytanu i azotu
  • Twardość w skali nano: do 38 gigapaskali (GPa)
  • Grubość warstwy: 1-4 μm
  • Współczynnik tarcia: 0,7 μ
  • Temperatura zastosowania: 900°C
  • Zastosowanie: stal (N/mm²) < 1.300, stal nierdzewna (stal szlachetna)
  • Chłodzenie nie jest bezwzględnie konieczne

TiCN: powłoka z węgloazotku tytanu

  • W zależności od zastosowania do czterech-pięciu razy większa trwałość narzędzia
  • Bardzo wysoka twardość i jednocześnie dobra ciągliwość
  • Związek chemiczny tytanu, węgla i azotu
  • Twardość w skali nano: do 32 GPa
  • Grubość warstwy: 1-4 μm
  • Współczynnik tarcia: 0,2 μ
  • Temperatura zastosowania: 400°C
  • Zastosowanie: stal (N/mm²) < 1.300, stal nierdzewna (stal szlachetna)
  • Chłodzenie jest wymagane przy wyższych prędkościach skrawania