Ganzheitliche Entwicklung von verschleißbeständigen PVD-Trockenschmierstoffschichten für die spanende Trockenbearbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ausgehend vom Dreistoffsystem (Cr,AI)-N wurden verschiedene Vierstoffsysteme ganzheitlich und systematisch entwickelt und genauer erforscht werden. Dafür wurden Bor, Silizium und Yttrium als Additive zu dem (Cr,AI)N-Schichtsystem hinzugefügt. Die Schichtsysteme wurden anschließend auf Zusammensetzung, Festigkeit, Härte und Temperaturstabilität untersucht. Bei den Chrom-basierten Schichtsystemen ist es gelungen, durch geringe Mengen der Zusatzstoffe die Eigenschaften der Hartstoffschichten positiv zu beeinflussen. Eine weitere Erhöhung der Zusatzstoffe führte jedoch wieder zu einer Verschlechterung aller untersuchten Schichteigenschaften. Die borhaltigen Schichtsysteme zeigten dabei die besten mechanischen Haftfestigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur [D1]. Die hergestellten Yttrium-haltigen Schichtsysteme weisen hingegen die beste Temperaturstabilität auf. Da diese Schichten insbesondere unter hoher Last und hoher Temperatur herausragende tribologische Eigenschaften zeigten, wurde der Fokus der Entwicklung auf dieses Schichtsystem gelegt. Wegen dieser für die Anwendung für Schneidwerkzeuge besonders günstigen Eigenschaften kam es im Projektverlauf immer wieder zur Zusammenarbeit mit Lohnbeschichtern, welche das entwickelte Schichtsystem dann auf industriellen Produktionsanlagen auf unseren Substraten abgeschieden haben. Diese wurden als "bench mark" zu den am IfW hergestellten Schichten herangezogen, welche den Stand der Technik repräsentieren. Alle Schichtsysteme wurden am IfW hinsichtlich ihrer mechanischen und tribologischen Eigenschaften sowie ihrer Eigenspannungen, Zusammensetzung und Schichtmorphologie erforscht (S1 und S2). Bei der Anwendung der verschiedenen Beschichtungen als Schneidwerkzeug zeigte sich folgendes Bild. Sowohl bei der Drehbearbeitung von Gusseisen als auch einer Aluminium- Knetlegierung konnte mit Yttrium-haltigen Beschichtungen eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit auch im Vergleich zu den industriellen Beschichtungen erzielt werden. Silizium- und Bor-haltige Schichten schnitten hier etwas schlechter ab. Beim Bohren zeigt sich, dass die Yttrium-haltigen Schichten den Standweg der Werkzeuge im Vergleich zu unbeschichteten Bohrern um ein vielfaches verlängern. Am besten eignen sich diese Beschichtungen zum Bohren von Aluminiumlegierungen. Bei der Bearbeitung von Gusseisen zeigten sich Standwegnachteile, welche bei Werkzeugstahl noch drastischer ausgefallen sind. Es konnte gezeigt werden, dass (Cr,AI,Y)N Schichten auch im Vergleich mit industriellen Standardbeschichtungen sehr gut zur Trockenbearbeitung von Aluminiumlegierungen, speziell von AlSi9Cu3, geeignet sind. Obwohl die (Cr,AI,Y)N-Schichten in ihrer Zusammensetzung und ihren Abscheideparamtern noch nicht völlig ausgereift sind (im Sinne von Marktreife) und somit noch ein hohes Optimierungspotenzial bieten, zeigen sie vielfach vergleichbare oder sogar bessere Eigenschaften als die bereits hochgradig optimierten TiAIN- Schichten der Lohnbeschichter. Es ist daher davon auszugehen, dass die weiterentwickelten Schichten in absehbarer Zeit auch wirtschaftlich verwertet werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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B. C. Schramm, H. Scheerer, H. Hoche, E. Broszeit, E. Abele, C. Berger: Dry Machining Using Novel Chromium Based Coatings: Drawbacks and Opportunities, Proceedings of the International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films ICMCTF 2005, San Diego
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B. Schramm: Innovative Werkzeugbeschichtungen für die Trockenbearbeitung Beitrag zum Tagungsband: Symposium Innovatives Zerspanen -effizient und umweltgerecht-, März 2004, Darmstadt
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B.C. Schramm, H. Scheerer, E. Abele, C. Berger, H. Hoche, E. Broszeit: Tribological Properties and Dry Machining Characteristics of PVD Coated Carbide Inserts, Surface and Coatings Technology, 188-189C (2004) pp. 623-629
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E. Abele, B. Fröhlich, B. Schramm: Optimierung von Werkzeugbeschichtungen für die Zerspanung von Werkzeugstahl, Tagungsband zum 3D Erfahrungsforum - Innovation Werkzeug- und Formenbau, Hrsg. Prof. E. Uhlmann, 17.-18. Mai 2006, Berlin
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E. Abele, B. Schramm, C. Berger, H. Scheerer: Dry Machining Using (Cr,AI,Y)N Coated Carbides, Plasma Processes and Polymers Vol. 4 (2007) 1
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E. Abele, B. Schramm, H. Scheerer, H. Hoche: Werkzeugbeschichtungen für die Trockenbearbeitung, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 37/10 2006 p. 887-893
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E. Abele, B. Schramm, H. Scheerer: Performance of Chromium Based Coatings in Dry Turning of Steel and Spheroidal Cast Iron, Production Engineering XII/2 (2005) 137-141
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H. Scheerer, B. Schramm, H. Hoche, E. Broszeit, E. Abele, C. Berger: Oxidation behavior and Morphology of CrxAIYYzN, CrxAIYBzN, CrxAIYSizN - PVD coatings, Proceedings of the International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films ICMCTF 2005, San Diego
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H. Scheerer, B.C. Schramm, E. Broszeit, H. Hoche, C. Berger, E. Abele: Mechanical and Dry-Machining Properties of PVD Coated Carbides, Proceedings of the 4th International Conference THE coatings, Hrsg. Prof. Geiger, April 2004, Erlangen
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H. Scheerer, D Allebrand, H. Hoche, B. Schramm, E. Abele, C. Berger: Verschleißmechanismen von (Cr,AI,Y)N PVD Schichten bei erhöhten Temperaturen, Mat.-wiss. u. Werkstofftech., 38(2007)5
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H. Scheerer, H. Hoche, E. Broszeit, B. Schramm, E. Abele, C. Berger: Effects of the chromium to aluminum content on the tribology in dry machining using (Cr,AI)N coated tools, Surface and Coatings Technology, 200/1-4 (2005) pp. 203-207
