TiN, TiAlN, AlTiN... ein Vergleich der Beschichtungen

Eine Beschichtung ist eine sehr dünne (Mikrometer-dünne), fest haftende Schicht aus einer chemischen Verbindung, die auf ein Werkstück aufgebracht wird. Die Beschichtung hat folgende positiven Einflüsse auf das Präzisionswerkzeug:

• Erhöhung der Standzeit / Verschleißfestigkeit
  Zwischen zwei sich bewegenden Teilen (Werkstück und Bohrer) tritt Reibung und Verschleiß auf der Werkzeugoberfläche auf. Diese Reibung strapaziert den Bohrer und wird durch die Beschichtung verringert. Dadurch wird die Lebenszeit des Werkzeugs verlängert.
• Ermöglichung höherer Schnittgeschwindigkeiten
  Durch den Schutz der Beschichtung kann die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden.
• Korrosionsschutz
  Die Beschichtung schützt das Werkzeug vor der Zerstörung durch Reaktionen der Umgebung, z. B. Rost.
• Optische Aufwertung

Die Schichtdicke der Beschichtung wird in Mikrometer (μm) angegeben und beträgt nicht mehr als 0,7 μm, da dickere Schichten für Rissbildungen anfällig sind.

Je nach zu zerspanendem Werkstoff und Präzisionswerkzeug, muss abgewogen werden, welche Beschichtung benötigt wird. Zwei Faktoren spielen hier eine wesentliche Rolle:

1. Die Anwendung, also in welches Material zerspant werden soll, handelt es sich z. B. um Baustahl, Edelstahl oder Aluminium? Je härter der Werkstoff, desto höher sollte die Nanohärte der Beschichtung sein.
2. Die Art der Zerspanung (z. B. Bohren, Fräsen, Gewinden)
   Beim Gewinden wird beispielsweise eine geringe Drehzahl verwendet als beim Bohren mit einem Spiralbohrer, sodass die Anforderungen an die maximale Anwendungstemperatur unterschiedlich sind.

Als Standzeit wird die Zeit bis zum Erreichen des zulässigen Verschleißes bezeichnet. Anders gesagt: Die Standzeit ist die Zeit, bis man mit dem Bohrergebnis nicht mehr zufrieden ist oder die Performance des Werkzeugs leidet.

Die Standzeit ist neben der Beschichtung abhängig von:

1. Schnittgeschwindigkeit
2. Werkstoff
3. Werkzeugstahl
4. Spannungsquerschnitt (Größe der Schnittfläche)
5. Kühlung
6. Maschineneinsatz (geführt, handbetrieben)

Ein zentraler Vorteil einer Beschichtung ist die Verlängerung der Lebenszeit des Präzisionswerkzeugs.

Bereits die meistverwendete Standardbeschichtung TiN erhöht die Standzeit um das Drei- bis Vierfache. Wenn du also viel zerspanst und nicht jede Woche neue Bohrer kaufen möchtest, solltest du zu einem beschichteten Bohrer greifen.

Ebenfalls kannst du durch eine Kühlung die Standzeit zusätzlich verlängern.

Die Schnittgeschwindigkeit wird in Meter pro Minute (m/min) angegeben. Beim Zerspanen nutzen sich die Schneiden des Werkzeugs durch Reibung, Ausbrüche und Diffusion bei hohen Temperaturen ab. Dadurch wird die Schneidengeometrie verändert und die Qualität und Genauigkeit des Werkzeugs nehmen ab. Mit der Einstellung der exakten Schnittgeschwindigkeit kannst du optimale Ergebnisse erzielen und den Verschleiß des Werkzeugs minimieren.

Wie oben bereits angesprochen, wird beim Gewinden eine geringere Schnittgeschwindigkeit benötigt als beim Bohren.

Abhängig von der Schnittgeschwindigkeit ist die maximale Anwendungstemperatur. Je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto höher sollte die maximale Anwendungstemperatur der Beschichtung sein.

Das Kühlen hat positive Einflüsse auf das Werkzeug, unabhängig von der Beschichtung. Daher empfehlen wir stets, das Werkzeug zu kühlen, auch wenn es nicht zwingend notwendig ist.

Kühlschmiermittel sorgen beim Zerspanen für

• die Verminderung der Reibung
• den Abtransport von Spänen
• die Abfuhr von Wärme
• die Erhöhung der Standzeit
• die Verbesserung der Oberfläche des Werkstoffs
• die Reinigung der Bearbeitungsstelle
• die Vermeidung von Korrosion.

Bei einigen Beschichtungen ist eine Kühlung nicht zwingend notwendig.

Die Nanohärte wird in Gigapascal (GPa) angegeben und gibt den Druck an, den eine Kraft von einem Newton auf eine Fläche von einem Quadratmeter ausübt. (Die Formel lautet: 1 kg·m−1·s−2 = 1 N·m−2)

Je höher die Nanohärte, umso härtere Werkstoffe können bearbeitet und umso höhere Schnittgeschwindigkeiten können gefahren werden. Das wirkt sich u. a. positiv auf die benötigte Arbeitszeit aus.

Beim Bohren trifft das bewegliche Werkzeug auf einen ruhenden Werkstoff. Dabei entsteht Reibung und entsprechende Wärme (bzw. Hitze). Ziel ist es, die entstehenden Kräfte mit geringen Reibungsverlusten zu übertragen.

Der Reibungskoeffizient (auch Reibungszahl) wird in μ ausgedrückt.

Mit einer Kühlung kann beispielsweise der Reibungskoeffizient von Stahl auf Stahl von 0,2 auf 0,07 μ gesenkt werden.

Beschichtungen haben grundsätzlich einen positiven Einfluss auf das Werkzeug. Je nach Anwendungsfeld ist eine andere Beschichtung von Vorteil.

Die Tabelle zeigt dir einen Vergleich über die verschiedenen technischen Größen und Anwendungsfelder der fünf Beschichtungen.