Leichtbaustoffe sind im Kommen und der Anteil von Stahl nimmt vor allem im Automobilbau weiter ab. Dies wurde möglich durch neue Zerspanungsverfahren. Beschichtungen wie die Supernitride sorgen für die nötige Effizienz.
Beschichtungen haben in der Zerspanungstechnik ihren festen Platz. Viele Bearbeitungen sind ohne eine entsprechende Schicht auf dem Werkzeugsubstrat wirtschaftlich erst gar nicht möglich. Dies gilt insbesondere beim Spanen moderner Materialien wie Aluminium, Magnesium, Grauguss mit Vermikulargraphit (GGV) und anderer Werkstoffe, wie sie vor allem in der Automobilindustrie und ihrem Umfeld eingesetzt werden. Lösungen mit Standardtools stoßen hier schnell an Grenzen.
Die Faktoren Substrat, Geometrie sowie Beschichtung sind bei der Entwicklung von High-Tech-Schneiden entscheidend. Konzepte wie die Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung (HSC) und das so genannte High Production Cutting (HPC) stehen dabei im Mittelpunkt: Sie sollen helfen, Stückkosten zu senken und gleichzeitig die Qualität der Werkstücke zu verbessern.
Hier fällt den Supernitriden eine entscheidende Rolle zu. Sie gehören zu einer neuen Generation von Werkzeugbeschichtungen, bei denen es erstmals gelungen ist, die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften von Nitridschichten mit der hohen chemischen Stabilität von Oxidschichten zu kombinieren. Härter und zäher als herkömmliche Nitridschichten, sind Supernitride eine geldwerte Alternative, wenn es um die effiziente Zerspanung von Stoffen wie Titan, Inconel, von hoch legierten Stählen oder GGV, Magnesium und Aluminium geht.
Dr. Antonius Leyendecker bringt das Geheimnis der Wunderbeschichtung auf den Boden der Alltagserfahrung: „Prinzipiell sind Supernitride nichtleitende Schichten aus Titan-Aluminium-Nitrid mit einem extrem hohen Aluminium-Anteil“, erklärt der Gründer und Geschäftsführer der Cemecon AG in Würselen. Das Unternehmen unterhält das größte europäische Beschichtungszentrum und bietet ein Baukastensystem zur Herstellung kundeneigener Beschichtungen an. Über eine komplexe Kristallstruktur ist es den Würselern gelungen, den Aluminiumgehalt der Schicht zu erhöhen und ihre mechanischen Eigenschaften so erheblich zu verbessern. Damit ermöglicht das in der Dünnschichttechnik einzigartige Composite-Prinzip der Supernitride Zerspanungswerkzeugen eine bessere Performance als bislang. Die Vorteile von Composites sind bekannt. So zeigen Werkstoffe wie Hartmetall, Beton oder Asphalt tagtäglich, wie sinnvoll und flexibel sich eine Mischung aus verschiedenen Materialien einsetzen lässt. Die Supernitride – als so genannte Nano-Composites – basieren auf dieser Erkenntnis und wenden sie kompromisslos an.
Ergebnisse aus der Praxis belegen ihr Potenzial. Beim Trockenbohren von Ck 45 etwa erreichten mit Supernitriden beschichtete Werkzeugschneiden einen Performancegewinn von 336 % gegenüber herkömm-lichen Tools mit Schichten aus Titan-Nitrid (TiN). War deren Standzeit trotz Kühlung nach 30 m am Ende, kamen die Super-nitride ungekühlt auf knapp 140 m. „Ein Grund für solche Ergebnisse ist die hohe Oxidationsbeständigkeit. Sie macht die Beschichtung sogar bei Temperaturen um 1000 °C noch chemisch und mechanisch resistent“, erklärt Leyendecker das Phänomen. Entscheidend sei, dass die Supernitride auch bei hohen Temperaturen einen wirksamen mechanischen Schutz des Werkzeugs garantierten und durch ihre geringe Leitfähigkeit die Wärmeabfuhr in den Span unterstützten.
Beschichtung macht Werkzeug resistent gegen Anhaftung
Durch ihre Verschleißschutzeigenschaften haben die Supernitride auch beim Fräsen von Stahl mit 52° Rockwellhärte (HRC) die Nase vorn. Sie bewirken Standzeitverbesserungen weit über 40 % und bieten sich auch hier als wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlich beschichteten Schneidstoffsorten an.
Steht bei der Hartbearbeitung und HSC der abrasive Verschleiß im Vordergrund, so haben die Anwender bei der Zerspanung von Aluminium und Magnesium eher mit verklebten Spänen zu kämpfen. Dieser Effekt tritt vor allem bei hohen Temperaturen auf und sorgt für einen undefinierten Anschnitt sowie Scheinspanbildung. Bei Magnesium kommt die hohe chemische Reaktivität des Werkstoffes hinzu. Hier trägt der hohe Aluminiumgehalt der Supernitride dazu bei, die Probleme zu unterbinden. Mehr noch: Durch die niedrigen Reibwerte werden Schmier- oder Kühlflüssigkeiten bei der Bearbeitung weitgehend überflüssig.
So außergewöhnlich wie ihre mechanischen und chemischen Eigenschaften sind, ist auch die Flexibilität der Supernitride. „Wir bieten die Schicht zusammen mit unserem Engineering aus einer Art Baukasten an“, erklärt Antonius Leyendecker. „Erst dadurch ist der Kunde in der Lage, das gesamte Potenzial dieses revolutionären Systems im vollen Umfang nutzen zu können.“
„Engineering” bedeutet bei Cemecon, dass der Kunde – sei es ein Werkzeughersteller oder Anwender – zunächst die Aufgaben und Ziele seiner Produkte definiert und danach auf Grundlage seiner Erfahrungen und seines Know-how zusammen mit Cemecon die passenden Module auswählt. Dies können die Vorbehandlung, Schichtwerkstoffe, Schichtoberfläche oder letztlich das Finishing sein. Am Ende steht dann ein optimiertes Produkt, das den realen Anforderungen gerecht wird.
Möglich wurde die Entwicklung der Supernitride durch die hauseigene Beschichtungsanlage vom Typ CC800 (r)/9. Laut Leyendecker hat das Unternehmen damit eine Plattform entwickelt, die der Wahl von Beschichtungsmaterialien und -architekturen, Schichtdicken und -spezifikationen fast keine Grenzen setzt. Mit dieser Technik lassen sich alle am Markt befindlichen Schichten prozesssicher reproduzieren.
Mit Supernitriden ist es offenbar gelungen, eine neue Schichtgeneration zu etablieren, mit der sich moderne Materialien kostenfreundlich bearbeiten lassen. Härter, zäher und oxidationsbeständiger als bisherige Hartstoffschichten, bieten diese Schichtsysteme auch bei den schwierigsten Anwendungsfällen einen unerreichten Schutz. Dem Wunsch nach noch wirtschaftlicheren Werkzeugen für die Hartbearbeitung und Hochgeschwindigkeitszerspanung sind die Würseler damit ein Stück näher gekommen. fi
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