Manufacturing of CVD diamond coated tools with high process stability
Final Report Abstract
Das Hauptziel des Transferprojektes bestand darin, eine hohe Prozesssicherheit bei CVD-diamantbeschichteten Werkzeuge herzustellen. Der erfolgreiche Abschluss angestrebter Teilziele aus den Bereichen Erkenntnistransfer und Grundlagenforschung gewährleistete dabei die kontinuierliche Zusammenarbeit des Projektkonsortiums. Die beobachteten Wechselwirkungen aus der Werkzeugherstellung, d.h. Substratherstellung, CVD-Diamantbeschichtung und Werkzeugfertigung, sowie der Analyse des Einsatzverhaltens bilden die Grundlage zur Erarbeitung von Zusammenhängen zwischen Substrateigenschaften, Beschichtungsparametern, Substrat- und Schichteigenspannungen, Schichtqualität und Einsatzverhalten. Werkstoffwissenschafliche Erkenntnisse hinsichtlich des Einsatzverhaltens der untersuchten Werkzeugspezifikationen liefern dabei fertigungstechnisch-relevante Erklärungsansätze, die zum Verständnis komplexer Abhängigkeiten beitragen. Grundlegend konnte festgestellt werden, dass aus dem Werkzeugschleifprozess resultierende oberflächennahe Druckeigenspannungen im Hartmetall durch die nachfolgende chemische Vorbehandlung abgebaut werden. Weiterhin resultieren umso höhere Druckeigenspannungen in der CVD-Diamantschicht, je höher der Kobaltgehalt im Hartmetallsubstrat ist. Simultan sind mikrokristallinen Schichten tendenziell höhere Druckeigenspannungen als nanokristalline Schichten zu attestieren, wobei Multilayerbeschichtungen stets die höchsten Druckeigenspannungen aufweisen. Im Hinblick auf den Werkzeugeinsatz in der Zerspanung äußert sich dieser Zusammenhang darin, dass hartmetallseitig ein geringer Kobaltgehalt in vorteilhafter Werkzeugperformance hinsichtlich Standzeit, Verschleiß und Prozesskräfte resultiert. Die Schichtentwicklung einer zusätzlichen Multilayermorphologie mit einer individuellen Einzellagendicke von se = 1 µm resultiert in einer geringeren Streuung der Zerspanergebnisse, was auf die Wechselwirkungen zwischen Substratwerkstoff, CVD-Diamantschicht und dem dazugehörigen Eigenspannungsprofil zurückzuführen ist. Die Repression des dominanten Werkzeugversagens durch Schichtdelamination auf der Spanfläche wurde prozesssicher nicht erreicht. Aufgrund der Weiterentwicklung der röntgenographischen Transmissionsmethode konnten jedoch erstmals Diamantmultilayer schichtweise, sowie der Verschleiß an Bohrern lokal aufgelöst untersucht werden. Multilayermorphologien auf Hartmetallen weisen tendenziell lokal höhere Druckeigenspannungen in mikrokristallinen Bereichen auf. Die beobachtete Verschiebung der Eigenspannungen in den Druckbereich durch Verschleißfortschritt könnte sich negativ auf die Haltbarkeit der Schicht auswirken, falls zuvor bereits hohe Druckeigenspannungen in der Schicht vorlagen. Im Vergleich dazu zeigen keramikbasierte Werkzeugspezifikationen die Tendenz für eine signifikante Standzeiterhöhung, unabhängig von der CVD-Diamantschichtmorphologie. Das überlegene Einsatzverhalten hinsichtlich der durchschnittlichen Bohrungsanzahl NA der siliziumbasierten Schneidwerkzeugspezifikationen basiert auf einer verbesserten Beschichtungshaftung, die im Vergleich zu den hartmetallbasierten Schneidwerkzeugspezifikationen standzeitbedingten höheren Prozesskräften standhalten kann. Ursächlich hierfür wird der initiale Zugeigenspannungszustand aufgeführt, welcher sich im Rahmen kontinuierlicher Krafteinwirkung aus dem thermomechanischen Belastungskollektiv im Zerspanprozess tendenziell zu einem Druckeigenspannungszustand entwickelt. Dominantes Werkzeugversagen wird hierbei aufgrund festigkeitsspezifischer mechanischer Eigenschaften des Substratwerkstoffs hervorgerufen. Als Haupteinflussfaktor auf die Werkstückqualität ist die Makrogeometrie des Schneidwerkzeugs identifiziert worden. Die untersuchten Einflussfaktoren in Bezug auf die Herstellung prozesssicherer CVD-diamantbeschichteter Werkzeuge geben Hinweise auf zu adressierende Entwicklungspotentiale innerhalb der Teilgebiete Beschichtung, Werkzeugfertigung sowie Anwendung. Die interdisziplinäre Kooperation erweitert dabei das Know-How entlang der gesamten Herstellungskette und ermöglicht eine zielgerichtete, anwendungsspezifische Optimierung der Werkzeugspezifikation und deren Herstellung.
Publications
- Spanende Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen. Wt Werkstattstechnik online, 107(9), 2017, S. 662 - 667
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- Hochleistungsbohrwerkzeuge für CFK. Wt Werkstattstechnik online, 109(1/2), 2019, S. 35 - 39
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- Multilayer structure dependent performance behaviour of CVD diamond thin film drilling tools during CFRP machining. Procedia CIRP 87, 2020, S. 360 - 365
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- Wear evaluation of CVD diamond coated high-performance drilling tools for machining of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). Journal of Machine Engineering 20, 2020
Uhlmann, E.; Reimers, W.; Hinzmann, D.; Christiansen, G.; Böttcher, K.
(See online at https://doi.org/10.36897/jme/119640) - Wear evaluation of CVD diamond coated high-performance drilling tools for machining of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). XXXI CIRP Sponsored Conference on Supervising and Diagnostics of Machining Systems, 10. März 2020, Karpacz, Polen
Hinzmann, D.
