Einfluss hoher Si-Gehalte in Nanokomposit-Schichten auf die temperaturabhängigen elastisch-plastischen Eigenschaften und das Schädigungsverhalten von Fräswerkzeugen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516745377

Beim Fräsen von Schnellarbeitsstählen sind die Werkzeuge thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die zu einer reduzierten Zerspanleistung führen. Mittels Physical Vapour Deposition abgeschiedene Hartstoffschichten stellen eine vielversprechende Lösung für den Werkzeugschutz dar. CrAlSiN- und TiAlSiN-Schichten bestehen aus (Cr,Al)N- bzw. (Ti,Al)N-Nanokristallen, die in eine amorphe Si3N4-Matrix eingebettet sind und werden daher als Nanokomposite bezeichnet. Der Si-Gehalt derartiger Beschichtungen beeinflusst die elastisch-plastischen Eigenschaften sowie das Verschleißverhalten des beschichteten Fräswerkzeugs. Hierbei wurde die Zunahme der Eindringhärte HIT mit steigendem Si-Gehalt bis x(Si) = ~10 At. % nachgewiesen. Die Abnahme bei höheren Si-Gehalten wird mit zunehmendem Anteil der amorphen Phase zugeschrieben. Die elastisch-plastischen Eigenschaften wurden hierbei jedoch lediglich bei Raumtemperatur bestimmt, während die Werkzeuge beim Fräsen von Schnellarbeitsstählen höheren Temperaturen T > 600 °C ausgesetzt sind. Darüber hinaus können höhere Si-Gehalte ungünstige Eigenspannungszustande der Beschichtungen vermeiden, die beim Fräsen zu Schneidkantenbruch beitragen. Bezüglich des Verschleißverhaltens wurde mittels Pin-on-Disk-Modellversuchen bereits eine erhöhte Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen mit einem steigenden Si-Gehalt der Beschichtung nachgewiesen. Das übergeordnete Ziel des beantragten Forschungsvorhabens besteht in einem Erkenntnisgewinn über den Einfluss erhöhter Si-Gehalte der Nanokomposit-Schichten auf den Eigenspannungszustand, die temperaturabhängigen elastisch-plastischen Eigenschaften und die Rissbeständigkeit der Beschichtungen sowie das Verformungs- und Verschleißverhalten beschichteter Fräswerkzeuge. Darüber hinaus wird der Einfluss erhöhter Si-Gehalte durch gezielte Kombination von Eigenspannungszustand und temperaturabhängigen elastisch-plastischen Eigenschaften der Beschichtung auf die Schädigungsmechanismen des beschichteten Fräswerkzeugs identifiziert. Hierzu werden CrAlSiN- und TiAlSiN-Schichten mit höheren Si-Gehalten bis x(Si) = 25 At. % auf Hartmetallsubstraten und Fräswerkzeugen abgeschieden. Die Schichteigenschaften, die Mikrostruktur und der Eigenspannungszustand werden in Korrelation mit dem Si-Gehalt der Beschichtung analysiert. Die temperaturabhängigen elastisch-plastischen Eigenschaften der Beschichtung und das Verformungsverhalten des Werkstoffverbundes werden mittels Hochtemperaturnanoindentation ermittelt. Des Weiteren wird die Rissbeständigkeit der Beschichtungen mittels Nanoscratch untersucht. Die beschichteten Fräswerkzeuge werden in der Zerspannung an Werkstücken aus Schnellarbeitsstahl HS6-5-3C eingesetzt. Hierbei werden das Verschleißverhalten und die zugrundeliegenden Schädigungsmechanismen der beschichteten Fräswerkzeuge tiefergehend analysiert

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen