PVD-Beschichtung galvanisch gebundener cBN-Schleifwerkzeuge zur Optimierung des Verschleiß- und Einsatzverhaltens für die Zerspanung von Nickel-Basis-Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von "Physical Vapour Deposition" (PVD)-Beschichtungen für galvanisch gebundene cBN-Schleifscheiben. Durch den Einsatz der Beschichtung sollten insbesondere Verschleiß- und Reibungsvorgänge bei der Zerspanung von Nickel-Basis-Legierungen reduziert werden. Ein weiteres Ziel war die Erhöhung des Spanraums durch Reduzierung der Korneinbetttiefe. Durch die Beschichtung sollten etwaige hierdurch entstehende Nachteile bei der Kornstabilität ausgeglichen werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schichtsysteme TiN, AlTiN, AlTiSiN und TiB2 bei nahezu allen untersuchten Beschichtungsparametern eine gute Schichthaftung auf dem Schleifbelag ausbildeten. Die Haftfähigkeit auf der Nickelbindung war insgesamt höher ausgeprägt als auf dem Schleifkorn. Zur Untersuchung der Kornhaltekräfte wurden Proben mit Korneinbetttiefen von 45 %, 55 % und 70 % (industrieller Standard) des mittleren Korndurchmessers vom Hersteller bezogen. Dabei konnten keine signifikanten Unterschiede bei den Kornhaltekräften beobachtet werden. Durch die Beschichtung konnte im Mittel bei allen Proben ein leichter Anstieg der Kornhaltekraft festgestellt werden. Für die Schleifuntersuchungen wurden im Anschluss die Schichtsysteme AlTiN und TiB2 ausgewählt. Die Auswahl wurde auf Basis der Beschichtungsuntersuchungen und weiterer Schichteigenschaften, wie Härte, Oxidationsbeständigkeit, thermische Barrierewirkung und Reibungseigenschaften, getroffen. In Tribologieuntersuchungen konnten für TiB2 unter Einsatz von Kühlschmierstoff 43 % geringere Reibungskoeffizienten nachgewiesen werden als für AlTiN. Dies wurde auf die geringe Oberflächenrauheit und eine mögliche Bildung von reibungsreduzierenden Verbindungen bei höheren Temperaturen zurückgeführt. In den Schleifuntersuchungen wurden im Anschluss unbeschichtete und beschichtete Schleifscheiben mit einer Korneinbetttiefe von 70 % (Referenz) und 50 % eingesetzt. Die Schichtsysteme AlTiN und TiB2 wurden auf Schleifscheiben mit 50 % Korneinbetttiefe aufgebracht. Im Ergebnis bewirkte die reduzierte Korneinbetttiefe der unbeschichteten Schleifscheiben bereits eine Verringerung der Prozesskräfte um 25 %. Bei den Schichtsystemen konnten nur durch den Einsatz von TiB2 die Prozesskräfte weiter um bis zu 18 % gesenkt werden. Die beschichteten Schleifscheiben führten im Vergleich zur unbeschichteten Schleifscheibe zu einer höheren Randzonenbeeinflussung, was auf die thermische Barrierewirkung der Schichten zurückgeführt wurde. Bei höheren Zerspanvolumina wurde mit TiB2 allerdings eine geringere Randzonenbeeinflussung beobachtet, was auf ein günstigeres thermo-mechanisches Prozessverhalten hindeutet. Die Beschichtung führt lediglich zu geringen Werkzeugmehrkosten, welche im Bereich von 4 % der Werkzeuggesamtkosten liegen. Im Hinblick auf die Möglichkeit, Werkzeugwechsel zu reduzieren, bietet die Werkzeugoptimierung mittels Beschichtung somit hohes Potential für einen wirtschaftlichen Einsatz. In künftigen Untersuchungen sollten weitere Untersuchungen zur Werkzeugstandzeit unter verschiedenen Prozessbedingungen durchgeführt werden. Zudem sollte die Übertragbarkeit auf andere Werkstückwerkstoffe untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Neue Potenziale für die Schleif-bearbeitung von Superlegierungen. ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 115(10), 723-726.
Hartig, Jörg; Kirsch, Benjamin & Aurich, Jan C.
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PVD-Hartstoffschichten für Schleifwerkzeuge zum Bearbeiten von Superlegierungen/Wear resistant PVD coatings for cBN grinding tools. wt Werkstattstechnik online, 111(06), 419-429.
Hartig, Jörg; Kirsch, Benjamin & Aurich, Jan C.
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Entwicklung von PVD-Schutzschichten zur Leistungssteigerung galvanisch gebundener Hochleistungsschleifscheiben. Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren - Verfahren und Maschinen 70 (2022): S. 148-165.
J. Hartig, B. Kirsch, S. Diederichs, E. Kerscher & J.C. Aurich
