切削工具コーティングの新機能?

社内でコーティングするべきですか？ 考慮すべき要素には、コスト、サプライチェーンの問題、独自のコーティングを作成する能力などが含まれます。

私たちが最後に切削工具コーティングについて詳しく取り上げたとき (ME 2019 年 8 月: 「高度な化学による工具寿命の向上」)、注目の新技術は高出力インパルス マグネトロン スパッタリング (HiPIMS) でした。 HiPIMS は、コーティング金属のほぼ完全なイオン化を達成する物理蒸着 (PVD) の先進的な形式です。 ただし、このプロセスでは 100 を超えるパラメーターを制御する必要があります。 当時、工具メーカーはこの方法で生成されるコーティングの利点を認識し始めたばかりでしたが、多くはまだこの方法を自社で試すことに不安を抱いていました。

ニューヨーク州ホースヘッズに本拠を置くコーティング技術プロバイダーである CemeCon は、新規ユーザーでもわずか数週間のトレーニング後に操作できるシステムを提供しています。営業マネージャーの Ryan Lake 氏によれば、これらのシステムは以前のモデルよりもさらに高性能です。

同社の最新のオペレーティング ソフトウェアを使用すると、HiPIMS プロセスを制御する多数の要素を比較的簡単に制御できるようになるとレイク氏は説明しました。 同氏は、顧客が 2 週間のトレーニング セッションのためにスタッフを CemeCon に派遣し、その後さらに 2 週間社内で研修した最近の導入について詳しく説明しました。 「彼らは誰もこれまでコーティングを行ったことはありませんでしたが、すぐに稼働を始めました。」 同氏の言葉を借りれば、CemeCon は「このテクノロジーに興味がある人なら誰でもトレーニングすることができます。高品質の切削工具をうまく作る方法を理解できれば、コーティングの方法を学ぶことができます。」

ペンシルベニア州スコットデールにある特殊工具製造業者兼再研削業者の Better Edge は、CemeCon とリヒテンシュタインに本拠を置くエリコン バルザースの機器を使用して製品をコーティングしています。 さらに、Better Edge の Kabrlyn Coating Technologies 部門は、他の工具メーカーにコーティング サービスを提供しています。 同様に、CemeCon、Balzers、およびコーティング容器を製造するその他の企業も、通常、コーティングをサービスとして提供しており、これらの企業は、コーティングを社内で行うかどうかについて有益な視点を提供できます。

レイク氏は、調査すべき 3 つの要素のうちの 1 つ目は財務面であると述べました。外部コーティング サービスにどれくらい費やしていますか? 「年間 20 万ドルから 25 万ドルであれば、社内導入を検討する経済的理由は間違いなくあります。」

Better Edge の運営および品質担当副社長である Brian Shaffer 氏は、特定のコーティングの予想量も考慮する必要があると付け加えました。 「特に私たちが参加したいハイパフォーマンスの分野では、レシピは非常に高価です。そのため、レシピが顧客の収益にとってそれだけの価値があることを証明するために十分なテストを行う必要があり、満たすのに十分なボリュームがあるかどうかを自問する必要があります。実行する価値のあるユニットです。」

たとえば、2020年後半にベターエッジは「TiN、AlTiN、AlCrN、TiAlNレシピを備えたエリコンバルザースのアーク技術コーティングユニットに投資したことで、当社のビジネスの99パーセントを社内で維持できるようになりました。当社には依然として奇妙な問題が残っています」とシェイファー氏は語った。発送が必要な非常に長い工具や、TiB2 やダイヤモンドなど当社が提供していないレシピの場合です。」

では、ミックスにさらに追加する価値はあるのでしょうか? シェイファー氏はバルザー社のティサフレックスを挙げ、「硬化鋼やその他の機械加工が難しい材料で成功していることが証明されている。これも十分な需要があれば、いつか社内導入を検討する可能性があるレシピだ」と語った。 ここでの教訓は、コストを考慮するのは船舶を購入するだけではないということです。

清潔さを実現することもコストを考慮する必要があるとシェーファー氏は指摘します。 「優れた洗浄ユニットに投資すると、アーク放電エラーが減少し、コーティング容器のダウンタイムを短縮するのに非常に役立つことがわかりました。」

理想的には、コーティングを研削から物理的に隔離することが望ましいとレイク氏は付け加えた。後者は微粒子を空気中に放出するからである。 そうしないと、「微粒子がツールに付着するため、ツールにコーティングのボイドが発生するリスクが高くなります。微粒子はチャンバーに入り、コーティングは付着しません。しかし、おそらく 20 フィートしかコーティング装置を持たない顧客もいます。 "

レイク氏は、自社で塗装するかどうかを決定する上で 2 番目に重要な要素としてサプライチェーンの管理を挙げた。 「そうすれば、ツールは施設から出ず、管理下からも離れず、リードタイムが短縮されます。それが多くの場合、目標となります。」 シェーファー氏も熱心に同意しました。「プロセスを完全に制御することで、より良いリードタイムを提供できるという競争上の優位性が得られます。当社は、わずか 3 日で高性能コーティングされたスペシャル製品を提供する『Rapid Edge』と呼ぶプログラムを開始したところです。」

Lake 氏によると、考慮すべき 3 番目の要素は、独自のコーティングを開発できるかどうかです。 同氏は、契約塗装業者は多かれ少なかれ標準製品の提供を強いられていると説明した。 「毎日ドアから何が入ってくるかはわかりません。…ツールのサイズや形状に応じて、前処理、後処理、または洗浄を微調整して、さまざまな方法で最適化できます。しかし、私たちはそうではありません。工具メーカーと同じ柔軟性はありません。」 レイク氏は、競合メーカーが提供する材料間にも大きな違いはないと付け加えた。 一方、「コーティングを社内に持ち込むと、やりたいことが何でもできます。そして HiPIMS を使用すると、周期表上のほぼすべての元素をスパッタリングできます。」

CemeCon の社長であるマージョリー・スティード氏は、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) のパンデミックによって引き起こされた激しい競争圧力により、工具メーカーは自社を差別化するための新たな方法を模索するようになったと述べました。 「彼らはこう尋ねました。『どうすれば当社の特殊製品を宣伝できるでしょうか？当社のツールが以前よりも優れていること、あるいは競合他社よりも優れていることをどのように証明できるでしょうか？』 この新しいテクノロジーの探求により、HiPIMS プロセスの需要が急増し、事態が進むにつれて需要が高まり続けています。」

コーティングを含む独自の切削工具ソリューションの開発に夢中だと言える企業の 1 つが、米国本社がノースカロライナ州メバネにあるサンドビック・コロマントです。同社の Inveio コーティングでは、特許取得済みの化学蒸着 (CVD) プロセスを使用して粒子を操作しています。開発スペシャリストのダグ・エバンス氏によると、この構造は「市場にある他のどのアルミニウムコーティングよりも垂直である」という。 この均一に垂直な構造は他のCVDコーティングよりも強力であると、彼はユニークな例を使って述べた。 「卵を横に寝かせて圧力をかけると、簡単に割れます。しかし、卵を立てることができれば、より良い圧縮力が得られ、割るにはより多くの圧力が必要になります。同じことです。」アルミニウムの粒子構造をまっすぐに立たせることができれば真です。」

エバンス氏によると、Inveioのコーティングは窒化アルミニウムチタン、窒化チタンクロム、酸化アルミニウムのさまざまな組み合わせで構成できるという。 Inveio は、CVD が主流のインデックス可能なインサートに使用されます。 Evans 氏は、まさにコーティングのおかげで工具寿命が 30% ～ 50% 向上したと報告しました。 超硬ソリッド工具の場合、より鋭い切れ刃を維持するためにより薄いコーティングが必要となるため、サンドビック・コロマントはZertivoと呼ばれる独自のPVDプロセスを採用しています。 再び宣伝される利点は、コーティングプロセスをミクロレベルで操作できることです。 これにより、各グレードに最適化され、基材とコーティングの密着性が向上するといわれています。 ここでは窒化チタン、または窒化チタン炭素コーティングです。 「PVDプロセスによる酸化アルミニウムタイプのコーティングがいくつか見られ始めています」とエバンス氏は語った。 同氏は、Zertivo が現在すべての新しい超硬グレードに適用されていると付け加えました。

サンドビック・コロマントは、コーティングプロセスの特許を取得しているだけでなく、独自のコーティング容器も製造しています（専用の前処理ルーチンと後処理ルーチンを作成することは言うまでもありません）。 エバンス氏は、サンドビックが販売する工具の90％は自社の装置を使用してコーティングされていると述べた。

2019 年の記事で説明したように、アプリケーションに厚いコーティングが必要な場合を除き、PVD はさまざまな理由から CVD よりも優れた技術です。 レイク氏は、その理由は、PVD コーティングが厚くなるにつれて応力が蓄積し、それが接着力の低下や早期の破損につながるためであると説明しました。 「ストレスをさらに緩和するために特別なことをしない限り、アーク技術は常に 4 ～ 5 ミクロンで最高に達します。従来のスパッタリングでは最大 8、おそらく最大で 10 ミクロンでした。」

しかし現在、そしておそらくこれが来るのを予見していたでしょうが、CemeCon の HiPIMS は厚さ 12 µm の PVD ​​コーティングを確実に実現できるようになりました。 スティード氏は、それはCemeConがカソードパルスを基板テーブルと独自に同期させることができ、それによってコーティングの残留応力を「積極的に管理し、制限する」ことができるためだと述べた。 「量産中ではありませんが、25 ミクロンもの厚さのコーティングもテストしました。3 年前には 12 ミクロンですら前例がありませんでした。」とレイク氏は付け加えました。

スティード氏は、この機能は、レール、スイッチ、パイプ、クランクシャフトの重切削加工や、鋳鉄や鉄材料の回転剥離に使用される刃先交換式インサートのコーティングに特に有用であると説明しました。 「これらの加工では、最大加工速度に耐え、高品質の加工を提供できる多数の切削インサートが必要になることがよくあります。コーティングの厚さが厚いと、工具寿命が大幅に延長され、これが経済効率の鍵となります。このような用途における相関関係は、ほぼ直線的です。そこで私たちがFerroCon Quadroと呼ぶこのコーティングが活躍します。」

Steed 氏はまた、FerrCon Quadro コーティングは厚くて丈夫であることに加え、非常に滑らかで厚さが均一に分布しているため、最適な耐摩耗性が得られると述べました。 実際、滑らかさは HiPIMS だけでなく CemeCon PVD ​​コーティング全般の特徴であるようです。 シェイファー氏は、自社には HiPIMS 以前の古い CemeCon スパッタリング ユニットがあり、「優れた表面仕上げが必要な用途では依然としてエリコン バルザースよりも優れた性能を発揮します。7 枚刃仕上げエンドミルといくつかのリーミング用途でこれを確認しました。」と述べました。

CemeCon の SteelCon コーティングは、もともと金型の製造に使用される硬化鋼用に開発されましたが、現在では広く適用されていると丸工具製品マネージャーの Manfred Weigand 氏は報告しています。 これには、ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン合金、焼き入れ焼き戻し鋼 (42CrMo)、冷間加工鋼 (1.2379) が含まれます。

ウェイガンド氏は、この成功はSteelConの優れた熱安定性と断熱性によるものだとし、「熱は工具にほとんど入り込まず、チップを介して放散する。これは、ステンレス鋼やニッケルなど、それ自体が非常に熱伝導性が悪い材料にとって特に有利である」と述べた。 SteelCon がなければ、硬質材料の加工中に必然的に発生する高温により工具が損傷し、超硬が脆化してしまうでしょう。」 他の HiPIMS コーティングと同様に、SteelCon はコーティングの優れた密着性と高い硬度と靭性により「耐摩耗性が高い」とウェイガンド氏は述べています。 「この特性の組み合わせにより、工具寿命が大幅に長くなり、優れた加工結果が得られます。」

ある比較 (vc = 170 m/min、fz = 0.11 mm、ae = 0.05 mm、ap = 0.05 mm で 62 HRC 冷間加工鋼を加工する 6 mm 超硬エンドミル) では、SteelCon コーティングされた工具は 1,050 分間持続しました。競合する TiAlSiN コーティング工具は 590 分、AlTiN コーティング工具は 405 分です。 レイク氏によれば、一般的に、SteelCon は「当社の以前のコーティングよりも 10 ～ 30% 長くツールを実行する能力、またはこれまでよりも 10 ～ 30% 速くツールを実行する能力」を提供します。

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