Untersuchung temperaturaktiver, reibungsmindernder Schichtsysteme für die Drehbearbeitung von Titanlegierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr. Wolfgang Hintze
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422345568

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Titanlegierung TiAl6V4 stellt aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften einen attraktiven Leichtbauwerkstoff dar und ist am Markt etabliert. Sie findet Anwendung u. a. in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie. Im Vergleich zu Stahlwerkstoffen verfügt TiAl6V4 über einen niedrigen Elastizitätsmodul, eine hohe Streckgrenze, eine geringe Wärmeleitfähigkeit sowie die ausgeprägte Neigung zur Kaltverfestigung. Die Legierung gilt daher als schwer zerspanbar. Die im Zerspanprozess entstehende Wärme wird nur zu einem kleinen Teil über den Span abgeführt und bleibt größtenteils im Werkzeug. Zudem tritt verstärkt Adhäsion an Span- und Freifläche auf, die die Schneidengeometrie verändert und die Werkzeugbeanspruchung steigert. Durch den verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul bei hoher Streckgrenze des Titans entsteht an der Freifläche ein Rückfederungseffekt, der den effektiven Freiwinkel reduziert. Dadurch werden neben den Schwingungen, die durch die lamellierte Spanbildung verursacht werden, zusätzliche, selbsterregte Schwingungen induziert. Eine Möglichkeit Werkzeugschäden zu reduzieren und die Produktivität während der Zerspanung von TiAl6V4 zu steigern, besteht im Einsatz von Hartstoffschichten hergestellt mit Physical Vapour Deposition (PVD). Im Rahmen der Forschungsvorhaben wurden triboaktive Beschichtungen erforscht, deren Funktionsweise auf der Bildung leicht scherbarer Oxidphasen basiert. Durch diese sollen thermische und mechanische Belastungen während der Zerspanung von Titanlegierungen reduziert werden. Es wurden zahlreiche Analysen durchgeführt, um das Einsatzverhalten der triboaktiven Beschichtungen im Kontakt mit TiAl6V4 unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen. Ein Schwerpunkt lag auf der Analyse der thermischen und mechanischen Beanspruchungen im Zerspanprozess. Dies umfasste die Untersuchung von Temperaturentwicklung, Zerspanund Reibkräften sowie dem Verschleißverhalten der Werkzeuge. Durch diese Untersuchungen wurde festgestellt, dass neben starker Adhäsion zusätzlich Kolkverschleiß und eine plastische Schneidkantendeformation den Werkzeugverschleiß beeinflussen. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Untersuchung des Oxidations- und Diffusionsverhaltens der Beschichtung. Hierbei wurde die Bildung reibungsmindernder Oxidphasen trotz Einsatz von Kühlschmierstoff nachgewiesen. Zudem kann eine Diffusion von metallischen Schichtbestandteilen in den TiAl6V4-Span ausgeschlossen werden. Die erlangten Ergebnisse bieten durch gezielte Anpassung der untersuchten Beschichtungen die Möglichkeit insbesondere bei Schlichtbearbeitungsprozessen Potenziale zur Produktivitätssteigerung zu nutzen und eine Qualitätssteigerung der bearbeiteten Werkstücke zu erzielen. Die Forschungsvorhaben stellen somit einen wichtigen Schritt in Richtung effizienterer und umweltfreundlicherer Prozesse bei der wirtschaftlichen Zerspanung von Titanlegierungen dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Development of a Process-Oriented Tribological Test Rig for the Performance Assessment of Tool Coatings in Turning of Titanium Ti6Al4V. SSRN Electronic Journal.
  Hintze, Wolfgang; Ploog, Petter; Bluehm, Melchior & Möller, Carsten
  
• Functional PVD Hard Coatings for High Temperature Cutting Processes. Lecture Notes in Production Engineering, 266-274. Springer Berlin Heidelberg.
  Stachowski, N.; Kruppe, N. C.; Brögelmann, T. & Bobzin, K.
  
• Self-Lubricating PVD Hard Coatings through Tribological Activation. Defect and Diffusion Forum, 404, 109-116.
  Bobzin, Kirsten; Brögelmann, Tobias; Kruppe, Nathan Christopher & Stachowski, Nina
  
• Oxidation and Diffusion Behavior of CrAlVN Hard Coatings for Machining Ti6Al4V. Lecture Notes in Production Engineering, 212-220. Springer International Publishing.
  Stachowski, N.; Carlet, M.; Kalscheuer, C. & Bobzin, K.
  
• Self‐lubricating CrAlVN coatings for turning of Ti6Al4V: oxidation and wear behavior. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 52(12), 1394-1412.
  Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Stachowski, N.; Hintze, W.; Möller, C. & Ploog, P.
  
• Wear development of self-lubricating CrAlVN coatings during turning Ti6Al4V, (December 1, 2021), Proceedings of the Machining Innovations Conference (MIC) 2021
  K. Bobzin; C. Kalscheuer; M. Carlet; N. Stachowski; W. Hintze; C. Möller & P. Ploog
  
• Influence of self-lubricating tool coatings on cutting temperature and coefficient of friction during turning of Ti6Al4V, Proceedings of the 19th Plansee Seminar, International Conference on Refractory Metals and Hard Materials May 30 – June 3 (2022)
  W. Hintze; C. Möller; P. Ploog; K. Bobzin; C. Kalscheuer; M. Carlet & N. Stachowski
  
• Self-lubricating CrAlMoN high performance tool coatings for machining of TiAl6V4. Production Engineering, 17(3-4), 437-444.
  Bobzin, K.; Kalscheuer, C.; Carlet, M.; Stachowski, N.; Hintze, W.; Möller, C. & Ploog, P.
  
• Oxidation and wear behavior of CrAlMoN with varied Mo-content for cutting Ti6Al4V. Production Engineering, 18(1), 87–97.
  Bobzin, K.; Kalscheuer, C.; Stachowski, N.; Dege, J.; Hintze, W.; Möller, C. & Ploog, P.