Applikationsspezifisches Design von PVD-Beschichtungen für Zerspanwerkzeuge
Final Report Abstract
Hartstoffbeschichtungen ermöglichen eine deutliche Steigerung der Prozesssicherheit und Produktivität von Zerspanwerkzeugen. Aufgrund der an den jeweiligen Fertigungsbedingungen variierenden Werkzeugbelastungen müssen die Beschichtungen für diesen Anwendungsfall individuell angepasst werden. Eine gezielte und systematische Entwicklung von PVD-Beschichtungen für applikationsspezifische Zerspananwendungen ist aufgrund des nicht ausreichenden Verständnisses der Zusammenhänge der Schichteigenschaften und des Einsatzverhaltens noch nicht möglich. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden applikationsspezifische, eigenspannungsoptimierte PVD-Beschichtungen für den kontinuierlichen und den unterbrochenen Schnitt entwickelt. Nach Aufnahme und Definition des thermomechanischen Lastkollektivs bei der Bearbeitung von 42CrMo4 und TiAl6V4 im Außenlängsdrehen wurden die Zusammenhänge der Schichteigenspannungen und des Verschleißverhaltens ermittelt. Die Eigenspannungen der Beschichtungen stehen dabei in Wechselwirkung mit der Zusammensetzung und der Härte der Schichten. Daher kann das Einsatzverhalten der Beschichtungen in den Zerspanuntersuchungen nicht separat auf eine dieser Eigenschaften zurückgeführt werden, sondern ist eine Kombination aus Härte, Zusammensetzung und Eigenspannungszustand. Eine direkte Korrelation der Eigenspannungen mit allen auftretenden Verschleißformen ist nicht sinnvoll. Aus diesem Grund wurde eine neue Methodik zur Bewertung der Beschichtungseigenschaften auf das Einsatzverhalten entwickelt, die die maßgebliche Verschleißform mit einbezieht. Der hauptsächlich chemisch bedingte Kolkverschleiß und die Stabilität der Kolklippe gegen Ausbrüche wurden auf den Einfluss der Zusammensetzung der Schichten bezogen. Die Schichteigenspannungen wurden mit dem durch abrasive Vorgänge entstehenden Freiflächenverschleiß korreliert. Zur Berücksichtigung des Tiefenverlaufs der Eigenspannungen wurden mit einem neuen Ansatz die oberflächennahen Eigenspannungen σ-Oberfläche mit dem Initialverschleiß und die substratnahen Eigenspannungen σ-Substrat am Schnittzeitende in Bezug gesetzt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass eine differenzierte Betrachtung der Eigenspannungen innerhalb der Schicht erforderlich ist, da abhängig vom Einsatz- und Belastungsfall ein optimiertes Eigenspannungsniveau nahe der Oberfläche und nahe dem Substrat sowie der Eigenspannungsverlauf die Strandzeit deutlich beeinflussen kann. Hiermit konnte ein wesentlicher Beitrag zur Beurteilung von Beschichtungen in der Zerspanung geleistet werden. Abhängig von der Belastung im kontinuierlichen oder im unterbrochenen Schnitt sind die beschichteten Werkzeuge dabei unterschiedlichen Verschleißformen ausgesetzt. Bei Prozessen und Werkstoffen, die überwiegend Freiflächenverschleiß an den Werkzeugen hervorrufen, wirken abnehmende Druckeigenspannungen von der Schichtoberfläche in Richtung des Substrats verschleißmindernd. Zudem kann eine werkstoffspezifische Zusammensetzung der Schicht mit selbstschmierendem Effekt das Verschleißverhalten bei abrasiven Werkstoffen wie beispielsweise Titanlegierungen verbessern. Zur Vermeidung von Kolkverschleiß erweisen sich gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstoff chemisch beständige Schichtsysteme mit niedrigen Druckeigenspannungen nahe der Schichtoberfläche als vorteilhaft. Ausbrüche der Schneidkante und der Kolklippe erfordern sehr hohe, zum Substrat hin zunehmende Eigenspannungen von mehreren GPa. Dies erfordert jedoch einen hohen Eigenspannungsgradienten nahe des Interface zwischen Schicht und Gradient, da hohe Druckeigenspannungen in diesem Bereich die Schichthaftung herabsetzen. Abschließend wurden die gewonnen Erkenntnissen durch Zerspanuntersuchungen mit Demonstratorbeschichtungen im kontinuierlichen und im unterbrochenen Schnitt angewandt und verifiziert. Anhand der Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass eine gezielte Einstellung der oberflächen- und substratnahen Eigenspannungen sowie deren Verlauf in der Schicht das prozessspezifische Verschleißverhalten mit einem Standzeitgewinn von bis zu 400 % verbessert. Neben der Schichtzusammensetzung bieten optimierte Eigenspannungen an der Schichtoberfläche und im Bereich des Interface Schicht- Substrat hohes Potenzial für spezifische Applikationen. Des Weiteren konnten erfolgreich tiefenaufgelöste Eigenspannungsmessungen an Multilayer-PVD-Beschichtungen durchgeführt werden. Hierdurch kann die Charakterisierung und damit Optimierung dieser verstärkt eingesetzten Schichtsysteme weiter fortgeführt werden. Experimentell bestimmte Eigenspannungstiefenverläufe dienen darüber hinaus als Eingangsgröße für Spanbildungssimulationen auf Basis der Finiten-Elemente-Methode.
Publications
- Influence of the residual stress state of coatings on the wear behavior in external turning of AISI 4140 and Ti–6Al–4V. Production Engineering
April 2016, Volume 10, Issue 2, pp 147–155
Breidenstein, B.; Denkena, B.; Vetter, J.; Richter, B.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-015-0650-7)
