Auswirkung der Schneidkanteneigenspannungen auf das Verschleißverhalten PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bestimmung von Eigenspannungen im Bereich der Schneidkante ist durch konventionelle Methoden wie der röntgenografischen Eigenspannungsmessung nicht möglich. Im beschriebenen Forschungsprojekt wurde für diese Anwendung die Raman-Spektroskopie für die Bestimmung von Eigenspannungen in der Beschichtung von Hartmetallwerkzeugen eingesetzt. Hierfür wurden im ersten Schritt Werkzeuge mit unterschiedlichen beschichtungsinduzierten Eigenspannungen röntgenografisch untersucht und somit der initiale Eigenspannungszustand bestimmt. Zusätzlich wurden Werkzeuge thermisch und mechanisch durch einen Nassstrahlprozess nachbehandelt, die anschließend ebenfalls deutliche Unterschiede in ihrer Eigenspannungsausbildung aufweisen. Hiermit konnte eine umfangreiche Basis für die Kalibrierung der Raman-Spektroskopie bereitgestellt werden. Mit Hinblick auf eine mögliche thermische Beschädigung der Schicht und Ausprägung des Peaks wurden geeignete Messbedingungen ermittelt und ein Vorgehen für die Bestimmung der Ramanpeakposition herausgearbeitet. Die Messung der Beschichtung mit beschichtungsprozessinduzierten Eigenspannungen zeigte jedoch auf, dass das bekannte Wissen aus der Literatur nicht auf diese Beschichtungen zutrifft. Der Grund für diese Anomalie konnte bei einer genaueren Untersuchung des Kristallgitters der Beschichtung ermittelt werden. Durch die Prozessgröße der Bias-Spannung UB wird nicht nur der Eigenspannungszustand der Beschichtung beeinflusst, sondern auch die Gitterstruktur wird durch Zwischengitteratome verändert. Dieser Effekt beeinflusst das Ramanspektrum und macht eine verlässliche Messung von Eigenspannungen an diesen Schichten sehr schwierig, da der Umfang dieser Beeinflussung nicht bekannt ist. Die Untersuchung der nachbehandelten Werkzeuge zeigte jedoch, dass insbesondere bei nassgestrahlten Werkzeugen dieses Verhalten nicht auftritt und damit eine Korrelation zwischen Eigenspannungswert und Peakposition im Ramanspektrum besteht. Es konnte somit für diese Schichten ein verlässlicher Umrechnungsfaktor zwischen Ramanpeakposition und röntgenografisch ermittelten Eigenspannungen gefunden werden. Bei thermisch nachbehandelten Werkzeugen ist durch eine Reduktion der Gitterabstände die Aussage zum Eigenspannungswert in der Beschichtung nur sehr eingeschränkt möglich. Anschließend wurden kommerzielle Werkzeuge sowohl röntgenografisch als auch mittels Raman-Spektroskopie untersucht und geprüft, ob der zuvor ermittelte Zusammenhang an diesen Werkzeugen ebenfalls vorliegt. Dies konnte leider nicht bestätigt werden. Fertigungsschwankungen, die mittels röntgenografischer Eigenspannungsmessung nachgewiesen werden konnten, ließen sich mittels Raman- Spektroskopie nicht nachvollziehen, sodass die Methode auf diese Werkzeuge nicht anwendbar ist. Aus diesem Grund wurden ausschließlich die thermisch und mechanisch nachbehandelten Werkzeuge im weiteren Verlauf im Bereich der Schneidkante untersucht. Dafür wurden Profile über die Schneidkante mittels Raman-Spektroskopie gemessen, die anschließend mit dem zuvor bestimmten Umrechnungsfaktor in absolute Eigenspannungswerte umgerechnet wurden. Es ergeben sich für nassgestrahlte Werkzeuge plausible Eigenspannungswerte. Die Anwendung auf Schichten mit abweichenden Beschichtungsparametern bzw. einer thermischen Nachbehandlung führen zu Ergebnissen, die nach einer Plausibilitätsprüfung als falsch angesehen werden und damit die Anwendung der Methode auf unbehandelte bzw. nassgestrahlte Schichten einschränkt. Es zeigt sich weiterhin, dass der Eigenspannungszustand im Schneidkantenbereich insbesondere bei unbehandelten Schichten nicht homogen ist, sondern zur Freifläche hin steigt. Anschließende Einsatzuntersuchungen zeigen deutlichen Schichtverschleiß bei nicht nachbehandelten Schichten sowie deutlich reduzierte Schichtabplatzer bei nassgestrahlten Schichten. Durch eine abschließende Bestimmung der Lastspannung im Schneidkantenbereich mit Hilfe einer Zerspansimulation konnte eine resultierende Spannungsverteilung aus Last- und Eigenspannungen bereitgestellt werden. Diese resultierende Lastspannung lässt Schlüsse über das Schichtverschleißverhalten zu und zeigt auf, dass bei hohen resultierenden Druckspannungen Schichtabplatzer deutlich reduziert werden. Mit Abschluss des Projekts sind sowohl das Potential als auch die Grenzen der Raman-Spektroskopie für die Spannungsanalyse an beschichteten Hartmetallwerkzeugen bekannt. Das Potential ist deutlich sichtbar, wird jedoch durch die Beeinflussung des Beschichtungsprozesses auf die Schichtstruktur stark eingeschränkt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Messen, wo es kritisch wird. W+B Werkstatt und Betrieb 11/2019 (2019) 38-41
Breidenstein, B.; Vogel, N.
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Residual Stress Measurements in PVD Coatings of Carbide Cutting Tools Directly in the Cutting Edge. Defect and Diffusion Forum 404 (2020) 61-67
Breidenstein, B.; Vogel, N.; Dietrich, M.; Behrens, H.; Andersson, Jon. M.
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Residual Stress Measurements in PVD Coatings of Carbide Cutting Tools Directly in the Cutting Edge. Konferenz 14th THE A Coatings, Nürnberg, 16.-20. November 2020
Breidenstein, B.; Vogel, N.; Dietrich, M.; Behrens, H.; Andersson, Jon. M.
