PVD-Hartstoffschichten aus dem System CrAlON für Zerspanwerkzeuge

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516751164

Bei der Zerspanung von Vergütungsstählen sind PVD-beschichtete Hartmetallwerkzeuge thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die unterschiedliche Schädigungsmechanismen, wie bspw. abrasiven sowie adhäsiven Verschleiß hervorrufen und die beschichtete Schneidkante plastisch verformen können. Während nitridische PVD-Hartstoffschichten zum Verschleißschutz von Zerspanwerkzeugen seit einigen Jahrzehnten den Stand der Technik darstellen, sind oxinitridische PVD-Hartstoffschichten bisher nur wenig erforscht. Das oxinitridische Schichtsystem CrAlON weist im Vergleich zum nitridischen CrAlN ein verändertes Verformungs- und Bruchverhalten auf. Dies ist vermutlich auf eine bevorzugte Inkorporation der Sauerstoffatome im Bereich der Korngrenzen zurückzuführen, wie er in eigenen Vorarbeiten beobachtet wurde. Darüber hinaus wird das Spanbildungs- und Reibungsverhalten durch die Sauerstoffinkorporation beeinflusst. Inwieweit die Sauerstoffinkorporation die Schädigungsmechanismen während der Zerspanung beeinflusst, wurde bisher nur unzureichend erforscht. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Erkenntnisse über den Einfluss einer Sauerstoffinkorporation in CrAlON-Hartstoffschichten für Zerspanwerkzeuge auf deren Verformungs- und Schädigungsverhalten herbeizuführen. Dies erfolgt mit besonderem Hinblick auf Elementanreicherungen von Sauerstoff im Bereich der Korngrenzen, die das Bruch- und Verformungsverhalten der Beschichtungen verändern. Darüber hinaus wird ein Erkenntnisgewinn darüber erreicht, inwieweit der Sauerstoffgehalt der Beschichtungen das Reibungs- und Spanbildungsverhalten beeinflusst. Insgesamt wird auf diese Weise ein Beitrag dazu geleistet, ein besseres Verständnis über den abrasiven und adhäsiven Verschleißmechanismus der CrAlON-beschichteten Hartmetallwerkzeuge während der Drehbearbeitung von Vergütungsstählen aufzubauen. Um die angestrebten Ziele zu erreichen, werden die Proben mittels korrelativer Verfahren untersucht, bei denen rasterelektronenmikroskopisch vorcharakterisierte Beschichtungen hochauflösend transmissionselektronenmikroskopisch untersucht werden. Dies erfolgt anhand CrAlON-beschichteter Hartmetallverbunde, die zuvor statisch bzw. dynamisch verformt oder in der Zerspanung eingesetzt wurden. Der Eigenspannungszustand der Beschichtungen wird hierbei ebenfalls betrachtet. Zur Analyse des Reibungs- und Spanbildungsverhaltens wird ein spezieller Hobelprüfstand eingesetzt, der die Randbedingungen der Zerspanung realitätsnah abbildet. Das Schädigungsverhalten der beschichteten Werkzeuge wird zudem nach dem Einsatz beim Hartdrehen des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT analysiert. Oxidation tritt insbesondere bei erhöhten Schnittgeschwindigkeiten als Schadensmechanismus in Erscheinung. In einem möglichen dritten Forschungsjahr ist daher eine Analyse des Einflusses des Sauerstoffgehaltes auf das Oxidationsverhalten der Beschichtungen geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen