Untersuchung und Modellierung des Mikrostrahlens von hartstoffbeschichteten Hartmetallwerkzeugen
Final Report Abstract
Ziel der im Rahmen des beschriebenen Projekts durchgeführten Untersuchungen war der Aufbau eines Modells für die Strahlbehandlung von PVD-beschichteten Hartmetallwerkzeugen, welches die relevanten Zusammenhänge zwischen den Strahlparametern und den durch die Strahlbehandlung auftretenden Effekten beschreibt. Darüber hinaus soll eine Strahlbehandlung aufgezeigt werden, die gute Zerspaneigenschaften besitzt und gleichzeitig einen geringen Materialabtrag erzeugt. Eine geeignete Prozessauslegung beim Schichtmikrostrahlen erfordert Kenntnisse über die Energieverteilung und den Energieinhalt des Aerosolstrahls. Deshalb wurden im Rahmen dieses Projektes systematische experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der Energiedichte für das Mikrostrahlen durchgeführt. Diese dienten der Ermittlung geeigneter Kennwerte zur Quantifizierung des Strahlarbeitsvermögens. In Grundlagenuntersuchungen wurde gezeigt, dass die Energiedichte des Aerosolstrahls anhand der Abtragsleistung des Strahlmittels quantifiziert werden kann. Dabei wurden die maximale Breite der erzeugten Kavität an Hartmetallprobeplatten, welche die Strahlaufweitung in einem vorgegebenen Strahlabstand beschreibt, sowie die Form und die Tiefe der erzeugten Kavität, die ein Maß für die Strahlarbeit darstellen, als aussagekräftige Größen ermittelt. Es wurde gezeigt, dass grobe Strahlmittelkörner bei hohen Strahldrücken zu einem erhöhten Materialabtrag führen. Der Einsatz feinkörniger und/oder kugelförmiger Strahlmedien trägt dazu bei, die Oberflächeneigenschaften des Strahlguts bei gleichzeitig deutlich geringerer Abtragsleistung zu modifizieren. Der Energieinhalt des Aerosolstrahls wurde mit Hilfe eines Messsystems „Düse-Prallplatte" ermittelt. Dabei konnte eine zeilenweise Abtastung der Prallkraft, die während der Mikrostrahlbehandlung auf die Strahlgutoberfläche wirkt, durchgeführt werden. Mit Hilfe dieser Methode konnten wichtige Informationen über die Belastung der Werkzeugrandzone während der Mikrostrahlbehandlung gewonnen werden. Diese waren für die spätere Anwendung des Schichtmikrostrahlens an hartstoffbeschichteten Hartmetallwerkzeugen von sehr wichtiger Bedeutung. Zur Erklärung der Phänomene, die bei den Untersuchungen zum Strahlarbeitsvermögen sowie bei den Prallkraftmessungen beobachtet werden konnten, wurde der Mikrostrahlprozess mit Hilfe der Finite-Volumen-Methode (FVM) simuliert. Die Simulationsergebnisse zeigten eine gute Korrelation zu den gemessenen Werten. Durch die numerische Simulation des Mikrostrahlprozesses konnten die in den experimentellen Untersuchungen ermittelten Abmessungen des Aerosolstrahls sowie das Niveau und die Verteilung der Prallkraft begründet werden. Im weiteren Verlauf wurden die Auswirkungen des Schichtmikrostrahlens auf die Eigenschaften einer PVD-Hartstoffschicht ermittelt. Durch die Untersuchung der Rauheit an gestrahlten Schichtoberflächen sowie durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen konnte der Materialabtrag bzw. die Verformung der Schichtoberfläche ermittelt werden. Die Verfestigung des Schichtwerkstoffes, die durch die in die Hartstoffschicht eingebrachte kinetische Energie hervorgerufen wurde, wurde mittels Nanohärtemessungen untersucht. Das Verschleißverhalten der mikrogestrahlten Schicht wurde mit Hilfe von Ritzuntersuchungen (Scratch-Tests) sowie Impact-Tests bewertet. Die Durchführung der zweiten Methode wurde durch die Beschaffung eines Impact-Testers durch die DFG und die persönliche Leihgabe des Messgerätes an den Antragsteller ermöglicht. Die Anwendung geeigneter Strahlparameter, wie sie bereits anhand Grundlagenuntersuchungen ermittelt wurden, trug dazu bei, dass der Materialabtrag nach der Mikrostrahlbehandlung PVD-beschichteter Wendeschneidplatten sehr gering gehalten werden konnte. Die Rauheitskenngrößen der beschichteten Werkzeugoberflächen wurden tendenziell geringfügig reduziert. Diese Reduktion ist, wie aus dem rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen hervorging, auf die Milderung der Rauheitsspitzen zurückzuführen. Die Erhöhung des Strahldrucks und der Strahldauer führte dabei zur Steigerung des Materialabtrags, der sich in einem Rauheitszuwachs widerspiegelt. Darüber hinaus konnte durch Nanoindenteruntersuchungen an der nachbehandelten Hartstoffschicht festgestellt werden, dass das Schichtmaterial beim Erhöhen der Strahldauer kontinuierlich höhere Härtewerte annimmt. Durch eine FEM-Simulation der Endringprüfung konnten die Vergleichspannungen und -dehnungen nach von Mises ermittelt werden. Somit war es möglich, Spannungs-Dehnungs-Diagramme für die Beschichtung zu erstellen. Es wurde gezeigt, dass durch die Mikrostrahlbehandlung der Hartstoffschicht eine Erhöhung der Fließgrenze des Schichtmaterials erreicht werden kann. Die damit verbesserten elastischen wie auch der plastischen Eigenschaften der Beschichtung könnten zu einer positiven Auswirkung auf das Einsatzverhalten des Werkzeugsystems führen. Weitere Untersuchungen befassten sich mit dem Einfluss der Schichtbehandlung durch Mikrostrahlen auf die mechanische Belastbarkeit wie die Schwellfestigkeit des Werkzeugsystems. Die durchgeführten Ritzuntersuchungen zeigen, dass insbesondere die Mikrostrahlbehandlung mit scharfkantigen Strahlmitteln zu einer Erhöhung der kritischen Last beim Ritztest führen kann. Weiterhin konnte ein kritisches Niveau identifiziert werden, ab dem die in Abhängigkeit von den Strahlparametern erzielte Materialverfestigung negative Folgen für die Ritzfestigkeit der Schicht aufweist. Die mit Hilfe des Impact-Testers durchgeführten Versuche zeigen, dass die mikrogestrahlten Schicht-Substratverbunde im Vergleich zum unbehandelten System lediglich ein geringfügig besseres Ermüdungsverhalten erreichen können. Dieses Phänomen ist auf den geringen Tiefeneinfluss der Strahlbehandlung zurückzuführen. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse wurde der Aufprall des Strahlmittelkorns beim Mikrostrahlen der Schicht mittels eines FE-Modells simuliert. Da die mechanischen Eigenschaften des Schichtmaterials nach dem Mikrostrahlen in Abhängigkeit von den Strahlparametern bekannt waren, war das Ergebnis der jeweiligen Simulation ebenfalls bekannt. Demzufolge konnten die Eingangsgrößen der Simulation wie die benötige Anzahl an Strahlmittelpartikeln so variiert werden, dass die jeweilige Verfestigung erreicht wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Vorhersage des benötigten Strahldrucks, wenn aus technologischen Gründen ein bestimmter Festigkeitszustand in der Hartstoffschicht erreicht werden muss. Darüber hinaus lassen sich durch die Ermittlung der minimalen Anzahl an Strahlmittelkörnern der entsprechende Strahlmittelmassenstrom sowie die minimale Strahldauer berechnen. Nachfolgend wurden Zerspanuntersuchungen durchgeführt, um den Nutzen der Schichtstrahlbehandlung in praktischen Versuchen zu untersuchen. Mit den Ergebnissen aus den Zerspanversuchen in Kombination mit den Ergebnissen der Untersuchungen zur Schichtsystembeurteilung können die Eigenschaften von neuen Schichtsystemen besser abgeschätzt werden. Es ist somit eine Grundlage zur gezielten Auslegung von Schichtsystemen gegeben. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das genannte Ziel des Forschungsprojektes erreicht wurde. Aufbauend auf den durchgeführten Grundlagenuntersuchungen und den angewendeten Prüfverfahren wurden die beim Schichtmikrostrahlen auftretenden Effekte ermittelt und analysiert. Dabei wurde das vorgesehene Versuchsprogramm vollständig abgearbeitet. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse war die Modellierung der Mikrostrahlbehandlung beschichteter Zerspanwerkzeuge möglich und es können Aussagen zur Wahl geeigneter Strahlparameter hinsichtlich einer hohen Leistungsfähigkeit des Zerspanwerkzeugs und gleichzeitig möglichst geringen Veränderung der Beschichtung selbst gemacht werden.
Publications
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Emmanouil Bouzakis
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