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PVD-Hartstoffschichten zur Zerspanung hochfester Werkstoffe
Hochfeste Werkstoffe wie Nickelbasislegierungen werden für viele Industriebereiche immer wichtiger, insbesondere für die Luftfahrtindustrie. Die Vorzüge der Materialien liegen hauptsächlich in der Kombination von Eigenschaften wie hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, geringe Dichte, hohe chemische Beständigkeit und hohe Verschleißbeständigkeit. Die Materialien weisen aber auch einige Nachteile auf: Die Bearbeitung ist relativ schwierig und damit auch teuer, weil beispielsweise nur geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei geringen Standzeiten der Werkzeuge möglich sind. Die Gründe liegen im Wesentlichen in einer starken Wärmeentwicklung bei niedriger Wärmeabfuhr über das Werkzeug und das Werkstück, der hohen Festigkeit bei hohen Temperaturen und dem Entstehen von Vibrationen aufgrund der hohen Festigkeit bei der Bearbeitung. Diese Einschränkungen sind Anlass für Entwicklungen von Verfahren zur Bearbeitung dieser schwer zu bearbeitenden Materialien. Dazu wurden spezielle Schneidwerkstoffe mit angepassten Makro- und Mikrogeometrien (z. B. des Schneidwinkels) und neuen PVD-Hartstoffschichten kombiniert. Insbesondere Schichten auf Basis von Oxinitriden und Nanokompositen konnten für die Bearbeitung von Nickelbasislegierungen mit hoher Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit mit guten Ergebnissen eingesetzt werden. Darüber hinaus zeigen diese Schichtsysteme eine hohe mechanische Festigkeit und Abriebbeständigkeit. Die neuen Werkzeuglösungen erlauben die Bearbeitung derartiger Legierungen (Inconel 718) mit erhöhter Schnittgeschwindigkeit (bis zu 150 m/min). Die Verbesserung der Bearbeitungstechniken, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklungen neuer Schichtstrukturen und -zusammensetzungen in Verbindung mit Werkzeuggeometrien. erlauben eine deutlich effizientere Bearbeitung der schwer zu bearbeitenden Werkstoffe mit gleichzeitig besserer Prozessstabilität.
WOMag 7-8/2016 Barthelmä, F.; Frank, H.; Schiffler, M.
PVD Hard Coatings for Machining of High-Strength Materials
High-strength materials such as Nickel-based alloys have become an important material in many industries, especially in the aerospace industry. Advantages of the materials are mainly the combination of material properties such as high strength at elevated temperatures, a low density, high chemical resistance and high wear resistance. However these materials show essential disadvantages: The processing e. g. by machining is difficult and therefore very expensive, because only relatively low cutting speeds can be used and the tool life is low. The reasons for this are essentially high thermal stresses due to lower heat dissipation through the chip and the workpiece, the high material strength at high temperatures and the high strength which leads to vibrations or chatters. With consideration of these limitations innovative solutions of tool and technology have been developed for machining difficult-to-machine materials. The combination of specific cutting materials and tool macro- and micro-geometries (e. g. sharp cutting edge) with new PVD hard coatings can be used for high-performance machines. In particular oxynitride and nanocomposite coating layers proved successful when machining nickel-based alloys due to the high temperature and oxidation resistance. Furthermore the developed coating systems can be characterized by high mechanical strength and abrasion resistance. These solutions allow a reliable machining of the used material (Inconel 718) at increased cutting speed (up to 150 m/min). The enhancement of the machine technique, particularly with regard to the development of new coating structures and compositions in conjunction with tool macro and micro-geometries shows a possibility to increase the efficiency of milling of difficult-to-machine materials like nickel-based alloys with increased process stability and reduced chatter.
