Functional surface design by complementarily matched thermal spray and cutting processes

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering ; Coating and Surface Technology
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 270118517

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen der abgeschlossenen Sachbeihilfe wurden die Zusammenhänge zwischen spezifischen Schwalbenschwanz-Substratmikrostrukturen und den Eigenschaften darauf applizierter thermisch gespritzter eisenbasierter Schichten untersucht. Zusätzlich erfolgte die Bewertung der Verbindungsfestigkeit zwischen der Schicht und den Substraten. In Versuchsreihen zur Endbearbeitung der eisenbasierten Schichten mittels Drehen erfolgte die Analyse der Mechanismen im Zerspanungsprozess. Die Ergebnisse wurden hinsichtlich der geometrischen Oberflächen-, der physikalischen Randschichteigenschaften sowie der Tribologie bewertet. Für die Mikrostrukturierung der Substrate mittels Drehen wurden Sonderwerkzeuge mit Schneideinsätzen aus CVD-Diamant sowie MKD verwendet. Die Geometrie der Schwalbenschwanzmikrostruktur wurde gezielt variiert und dabei besonders der Einfluss des Abstandes der Strukturelemente auf Haftzugfestigkeit sowie Schichtmorphologie untersucht. Im Rahmen der Endbearbeitung der mittels atmosphärischen Plasmaspritzens applizierten Schichten wurden die Einflüsse von Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe, Spanwinkel, Prozessunterstützung und Nebenschneidengeometrie auf die geometrischen Eigenschaften der Oberfläche sowie die physikalischen Eigenschaften der Randschicht ermittelt. Zusätzlich erfolgten Untersuchungen zur umformenden Bearbeitung mittels Diamantglätten. Dabei wurden direkte Zusammenhänge zwischen der Dichte der Strukturelemente auf dem Substrat und dem Oxidgehalt und resultierendem Härteniveau der darauf applizierten Schichten sowie zwischen der Art, Größe und Verteilung von Kavitäten auf deren endbearbeiteten Oberflächen und ihrem Verschleißverhalten bzw. ihrer verschleißenden Wirkung nachgewiesen. Während kleine, fein verteilte oberflächenoffene Poren ihre Wirkung als Schmiermittelreservoir auch im Trockenlauf, also unter Notlaufbedingungen entfalten können, wirken großflächigere Ausbrüche oder bereits ein Netzwerk an Anrissen bereits eine abrasive Wirkung bei sich rasch verschlechternden Zuständen im Tribosystem („Fressen“). Die Ergebnisse erlauben eine ganzheitliche Anpassung der tribologischen Eigenschaften endbearbeiteter thermisch gespritzter Schichten, die nicht die Spritzparameter, sondern vielmehr die spanende Substratvorbearbeitung und die Endbearbeitung der applizierten Schicht adressiert. Die Forschungsergebnisse sind daher ebenfalls von hohem technischen Wert in tribologischen Schichtanwendungen. Dies wurde im Rahmen des Projektes an einem der Zylinderlauffläche in Verbrennungsmotoren ähnlichen Tribosystem nachgewiesen.

Publications

• (2020) Finish Turning of FeCr17Ni2C0.2 Iron-based Sprayed Coatings: Influences of Substrate Preparation, Cutting Speed and Feed on the Coating and Surface Properties. J Therm Spray Tech (Journal of Thermal Spray Technology) 29 (1-2) 308–318
  Grund, T.; Paczkowski, G.; Lampke, T.; Liborius, H.; Nestler, A.; Schubert, A.
  
• Influence of dovetail microstructures on adhesive tensile strength and morphology of thermally sprayed coatings. Procedia CIRP 71, 2018, S. 299-304
  Liborius, H.; Paczkowski, G.; Nestler, A.; Grund, T.; Schubert, A.; Lampke, T.
  
• Finish turning of FeCr17Ni2C0.2 iron based sprayed coatings - influences of substrate preparation and cutting speed on the coating and surface properties. ITSC 2019-Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 2019, S. 761-767
  Grund, T.; Paczkowski, G.; Lampke, T.; Liborius, H.; Nestler, A.; Schubert, A.
  
• Influence of cutting speed on the surface properties in turning of Fe17Cr2Ni0.2C iron based thermally sprayed coatings. International Conference on Competetitive Manufacturing (COMA 19) Proceedings, 2019, S. 317-323, ISBN: 978-0-7972-1779-9
  Liborius, H.; Paczkowski, G.; Nestler, A.; Grund, T.; Schubert, A.; Lampke, T.
  
• Machining of Fe17Cr2Ni0.2C iron based thermally sprayed coatings by turning with special interest to the influence of the depth of cut. Proceedings of the Special Interest Group meeting on Advancing Precision in Additive Manufacturing, 2019, S. 100-103, ISBN: 978- 0-9957751-5-2
  Liborius, H.; Nestler, A.; Paczkowski, G.; Grund, T.; Schubert, A.; Lampke, T.
  
• Surface integrity in turning of Fe17Cr2Ni0.2C iron based thermally sprayed coating with special respect to the influence of the feed. Proceedings of the HSM 2019
  Liborius, H.; Nestler, A.; Paczkowski, G.; Grund, T.; Schubert, A.; Lampke, T.