Einfluss von HPPMS-Pulsparametern auf die Stöchiometrie und die Bildung von Reaktionsschichten auf nitridischen Hartstoffschichten für die Zerspanung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321041164

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Umformung hochfester Stahlbleche im Karosseriebau stellt hohe Anforderungen an die Standzeit des Umformwerkzeugs. Hierzu eigenen sich mittels Pulvermetallurgie (PM) hergestellte Schnellarbeitsstähle aufgrund des homogenen Werkstoffgefüges, der hohen Härte und Bruchzähigkeit für den Einsatz als Umformwerkzeuge. Die Hartbearbeitung dieser Umformwerkzeuge führt zu höheren Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit des eingesetzten Schneidwerkzeugs aus Hartmetall. Fein verteilte Karbide im Schnellarbeitsstahl verursachen hierbei einen hochgradig abrasiven Verschleiß sowohl an der Spanfläche als auch an der Freifläche des Schneidwerkzeugs. Darüber hinaus ist aufgrund der Oxidation und hohen Temperaturen während des Zerspanprozesses eine ausreichende thermische Beständigkeit der Schneidwerkzeuge erforderlich. Hierzu bieten die Nanokomposit (nc)-Schichten TiAlCrSiN und TiAlCrSiON, hergestellt mittels gepulster Hochleistungsplasmen im Physical Vapour Deposition (PVD)-Verfahren, eine vielversprechende Lösung zur Erhöhung der Standzeit von Schneidwerkzeugen. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens bestand in einem Erkenntnisgewinn über den Einfluss der Prozessparameter auf die Schichteigenschaften und Stöchiometrie von Reaktionsschichten sowie den Einfluss der chemischen Zusammensetzung von nc-Schichten auf das Schadenskollektiv beim Fräsen des PM-Schnellarbeitsstahls HS6-5-3C. Es wurde nachgewiesen, dass sich die chemische Zusammensetzung der Reaktionsschicht durch gezielte Zugabe von Sauerstoff im Beschichtungsprozess steuern lässt. Darüber hinaus erfüllen die Beschichtungen ihre Funktion als Diffusionsbarriere zwischen Stahl und beschichtetem Hartmetall. Die Phasenstabilität, Oxidationsbeständigkeit, elastisch-plastischen Eigenschaften und das Einsatzverhalten der Beschichtungen wurden in Korrelation mit den Prozessparametern untersucht und ein geeignetes Prozessfenster für die Abscheidung verschleißbeständiger TiAlCrSiN- und TiAlCrSiON-Schichten identifiziert. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Sauerstoffinkorporation auf das Reibungs- und Schädigungsverhalten der beschichteten Werkzeuge beim Fräsen von PM HS6-5-3C untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass eine TiAlCrSiON-Decklage die Reibung zwischen beschichten Hartmetall und Stahlwerkstück verringern und damit die Werkzeugstandzeit steigern kann. Eine Erhöhung des Al-Gehalts der Beschichtungen zeigte zudem ein vielversprechendes Potenzial zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der beschichteten Werkzeuge. Dabei lassen sich die Erkenntnisse über den Einfluss der Sauerstoffinkorporation in der Decklage auf das Reibungs- und Einsatzverhalten der beschichteten Werkzeuge auf die Al-reichen Beschichtungen übertragen. Das Forschungsvorhaben stellt somit einen wichtigen Schritt zur Qualifikation der nc-Schichten TiAlCrSiN und TiAlCrSiON für die Zerspanung von PM-Schnellarbeitsstählen dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Nanocomposite (Ti,Al,Cr,Si)N HPPMS coatings for high performance cutting tools. Surface and Coatings Technology, 378, 124857.
  Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kruppe, N.C. & Carlet, M.
  
• HPPMS TiAlCrSiN - Influence of substrate bias and pulse frequency on cutting performance. Surface and Coatings Technology, 397, 126056.
  Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kruppe, N.C. & Carlet, M.
  
• Wear behavior and thermal stability of HPPMS (Al,Ti,Cr,Si)ON, (Al,Ti,Cr,Si)N and (Ti,Al,Cr,Si)N coatings for cutting tools. Surface and Coatings Technology, 385, 125370.
  Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kruppe, N.C. & Carlet, M.
  
• HPPMS tool coatings: Chip formation and friction. Vakuum in Forschung und Praxis, 33(4), 26-33.
  Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kruppe, N.C.; Carlet, M.; Hoffmann, D.C.; Breidenstein, B.; Krödel, A. & Beblein, S.
  
• Influence of residual stresses in hard tool coatings on the cutting performance. Journal of Manufacturing Processes, 69, 340-350.
  Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Maier, H.J.; Heidenblut, T.; Kahra, C. & Carlet, M.
  
• Qualification of PVD Coatings for Machining Using a Planing Test Setup. Lecture Notes in Production Engineering, 301-309. Springer International Publishing.
  Carlet, M.; Hoffmann, D. C.; Kruppe, N. C.; Brögelmann, T.; Bobzin, K.; Beblein, S.; Krödel, A. & Breidenstein, B.
  
• Tribological behavior of TiAlCrSiN coated cutting tools. Vakuum in Forschung und Praxis, 36(3), 18-22.
  Bobzin, Kirsten; Kalscheuer, Christian & Tayyab, Muhammad