Steigerung der Festigkeit von Schneidkeramiken durch gezielte Beeinflussung der Randzone mittels Zerspan- und PVD-Prozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens war die Steigerung der Festigkeit von Schneidkeramiken durch die gezielte Beeinflussung der Eigenspannungszustände in der Oberflächenrandzone. Als Anwendungsfall wurde die keramische Wendeschneidplatte ausgewählt, deren Einsatzgebiet durch das Forschungsvorhaben erweitert werden soll. Bei den untersuchten keramischen Schneidstoffen Siliziumnitrid (Si3N4) sowie Aluminiumoxid (AI2O3) konnte das Läppen mit feinem Korn als geeignetes Vorbehandlungsverfahren identifiziert werden. Darüber hinaus konnte im ersten Forschungszeitraum die prozesssichere Abscheidung sowie das Potenzial von PVD Einlagenschicht-Systemen aufgezeigt werden. Der Schwerpunkt während des zweiten Forschungszeitraums lag in der prozesssicheren Abscheidung sowie anschließenden technologischen und physikalischen Untersuchung von PVD Mehrlagenschicht-Systemen. Zielstellung war es, durch Aufbringen von PVD Mehrtagenschicht-Systemen eine signifikante Steigerung des Einsatzpotenzials von keramischen Wendeschneidplatten zu erreichen. Bei der Zerspanung einer hochwarmfesten Nickelbasislegierung konnten die beschichteten keramischen Wendeschneidplatten gegenüber kommerziell erhältlichen Schneidstoffen keine Einsatzverbesserung erzielen. Dieselbe Aussage kann für die Zerspanung des gehärteten Wälzlagerstahls 100Cr6 getroffen werden. Bei beiden Werkstoffen wurden die besten Ergebnisse hinsichtlich hoher Standzeit mit einer kommerziell erhältlichen, SiC-Whisker verstärkten Keramik erzielt. Die Standzeitergebnisse der beschichteten AI2O3 Wendeschneidplatte lagen in derselben Größenordnung wie die Standzeit unbeschichteter Schneiden. Diese Ergebnisse zeigen keine signifikante Verbesserung des Einsatzpotenzials. Geringes Potenzial der aufgebrachten Mehrlagenschicht-Systeme konnte bei der Zerspanung des schwer zerspanbaren Graugusses EN GJS 600 im Bereich hoher Schnittgeschwindigkeiten nachgewiesen werden. Allerdings lagen auch hier die Ergebnisse der unbeschichteten Wendeschneidplatte in der Nähe der Mehrlagenschicht-Systeme, was zu der Vermutung führt, dass die Qualitäten der aufgebrachten Schicht-Systeme unzureichend sind. Während bei Drehversuchen über alle Versuchsreihen hinweg die AI2O3 Schneiden bessere Ergebnisse hinsichtlich der Standzeiten erzielten, zeigte die Fräsbearbeitung eine gegensätzliche Tendenz. Die besten Ergebnisse bei der Fräsbearbeitung wurden durch die beschichteten Si3N4 Schneiden erreicht. Offensichtlich besitzen die Si3N4 basierten Schneidstoffe einen höheren Widerstand gegen mechanische Wechselbeanspruchung. Insbesondere bei der Zerspanung von Grauguss mit Kugelgraphit konnten signifikant bessere Ergebnisse durch mit Mehriagenschicht-Systemen versehene Schneiden erzielt werden. Beide untersuchten Schicht-Systeme auf Si3N4 konnten sowohl bei der Schnittgeschwindigkeit Vc = 200 m/min wie auch bei Vc = 400 m/min ihr Potenzial nachweisen. Nach definierter Schnittzeit wiesen die AI2O3 basierten Schneidstoffe sowie die kommerziell verfügbare CVD beschichtete Schneide bei höherer Schnittgeschwindigkeit so großen Verschleiß auf. dass keine weitere Bearbeitung mit den Wendeschneidplatten möglich war. Teilweise kam es sogar zu großflächigen Ausbrüchen. Im Gegensatz dazu zeigten beide mit Mehrtagenschicht-Systemen versehenen Si3N4 Schneiden hohes Einsatzpotenzial. Die Verschleißmarkenbreite lag auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten unterhalb des Verschleißkriteriums. Vor allem bei der Zerspanung von Grauguss konnte die Leistungsfähigkeit der entwickelten Werkzeuge gezeigt werden. Sowohl bei Drehversuchen als auch bei Fräsversuchen wurden bei der Zerspanung von Grauguss die besten Ergebnisse erzielt. Hier konnte deutlich das Potenzial der PVD-Mehrlagenschicht belegt werden. Die entwickelten keramischen Schneidwerkzeuge sind somit prädestiniert für die Zerspanung von Grauguss. Ein möglicher Anwendungsbereich ist demnach die Bearbeitung von Gehäuseteilen. Nocken- und Kurbelwellen sowie anderen Bauteilen aus Grauguss. In weiteren Forschungsvorhaben sollten die erzielten Grundlagenerkenntnisse genutzt und erweitert werden, indem weitere Einflussfaktoren untersucht werden. Vor allem eine weitere Steigerung der Schnittgeschwindigkeit sollte systematisch untersucht werden. Im Bereich der prozesssicheren PVD-Beschichtung von Mehrlagenschicht-System auf vorbehandelten keramischen Wendeschneidplatten besteht ebenfalls weiterer Forschungsbedarf. Die Qualität der verschiedenen Mehrlagenschicht-Systeme konnte auch innerhalb einer Beschichtungsreihe nicht reproduzierbar hergestellt werden. Darüber hinaus sollte an der Zusammensetzung der einzelnen Schichtlagen sowie der abgeschiedenen Schichtdicken geforscht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hochleistungsbearbeitung von Turbinenwerkstoffen mit PVD-beschichteten Schneidkeramiken. Vortrag: Informativer Arbeitskreis Keramikbearbeitung, 13.10.2005, Berlin
Hühns, T.
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Mechanical Pre-reatment of Ceramic Substrate Materials for Successive Coating. Tagungsband 5th THE Coatings Conference, 05.-07. October 2005, Kassandra-Chalkidiki, Greece
Uhlmann, E., Hühns, T., Grigoriev, S., Reimers, W., Dieter, S.
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Beschichtete keramische Zerspanwerkzeuge. In: Futur 02/2006, S.28-29.
Hühns, T., Richarz, S., König, J.
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Development and Application of Coated Ceramic Cutting Tools. Digitaler Tagungsband International Conferences on Modern Materials & Technologies CIMTEC 2006, 04.-09. Juni 2006, Acireale, Italien
Uhlmann, E., Hühns, T., Richarz, S., Grigoriev, S., Reimers, W.
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Entwicklung und Einsatz PVD-beschichteter Schneidkeramiken. Vortrag: 14. Industrie-Arbeitskreis CVD-Diamant-Werkzeuge. 09.03.2006, Braunschweig
Hühns, T., König, J.
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Hochleistungskeramik - Potenziale und technologische Grenzen als Schneid- und Substratwerkstoff. Vortrag: Informativer Arbeitskreis Keramikbearbeitung, 17.04.2008, Berlin
Hühns, T.
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Messung von Eigenspannung in Randzonen von Werkstoffen und technischen Bauteilen. Vortrag: Informativer Arbeitskreis Keramikbearbeitung, 02.10.2008, Berlin
Klaus, M.
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New Technology Developments in Europe, Sustainable Manufacturing - Key for future Success. Vortrag: NOMS Manufacturing Technology Forum. AMT 2008, 05.-07. März 2008, Florida, USA
Uhlmann, E., Hühns, T.
