Untersuchung temperaturaktiver, reibungsmindernder Schichtsysteme für die Drehbearbeitung von Titanlegierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr. Wolfgang Hintze
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422345568

Im Forschungsvorhaben wurde das Oxidations- und Diffusions- sowie das Einsatzverhalten vanadiumhaltiger Physical Vapour Deposition (PVD)-Hartstoffschichten auf Hartmetallsubstraten beim Drehen der schwer zerspanbaren Titanlegierung TiAl6V4 untersucht. Hierbei wurde nachgewiesen, dass CrAlVN mit Vanadium als triboaktivem Element die Bildung leicht scherbarer Oxidphasen bei Einsatztemperaturen von ϑ = 800 °C in tribologischen Modellversuchen ermöglicht. Zusätzlich wurde die Bildung reibungsmindernder Oxidphasen nach der Zerspanung von TiAl6V4 trotz Einsatz von Kühlschmierstoff im Bereich der Schneidkante auf der Werkzeugbeschichtung nachgewiesen. Die Untersuchungen deuten jedoch darauf hin, dass die Oxidbildung im Zerspanprozess zu gering ist, um eine signifikante Standzeiterhöhung herbeizuführen. Die Ermittlung der Temperaturen auf der Span- und Hauptfreifläche im Rahmen von prozessnahen Reibversuchen konnte aufgrund starker adhäsiver Anhaftungen im laufenden Vorhaben nicht wie vorgesehen durchgeführt werden, sodass eine Temperaturmessung während der Zerspanung notwendig ist. Erste Untersuchungen mit einer CrAlMoN-Schicht zeigten bereits bei ϑ ≤ 600 °C eine reibungsmindernde Wirkung. Zudem konnte eine erhebliche Erhöhung der Standzeit während der Zerspanung erzielt werden, die erstmals die Standzeit der als Stand der Technik eingesetzten unbeschichteten Substrate übertrifft. Möglicherweise ist die verringerte Aktivierungstemperatur hierfür ursächlich. Die Kenntnis der Zerspantemperatur bildet daher eine wichtige Komponente, um die Diffusion und Oxidation infolge der Zerspanung mit den Beobachtungen aus den Modelltests zu korrelieren und dadurch Einflüsse auf die Schadensmechanismen während der Zerspanung abzuleiten. Hierdurch ergibt sich für die CrAlMoN-Schichten ein erweiterter Forschungsbedarf. Das übergeordnete Ziel des jetzt beantragten Nachfolgevorhabens besteht im Erkenntnisgewinn über die Ursache-Wirkung-Zusammenhänge, durch die eine Reduzierung der Werkzeugbeanspruchung im Zerspanprozess der Titanlegierung TiAl6V4 durch den Einsatz selbstschmierender CrAlMoN-Schichten herbeigeführt werden kann. Hierfür werden CrAlMoN-Schichten mit variierendem Elementgehalt abgeschieden und die Schicht- und Verbundeigenschaften analysiert. Das Oxidations- und das Diffusionsverhalten sowie das Reibungsverhalten werden in Modelltests untersucht. Weiterhin werden die Werkzeuge in Zerpanversuchen eingesetzt und anschließend einer umfangreichen Schadensanalyse unterzogen. Zudem wird mittels eines neuartigen Temperaturmessaufbaus die Zerspantemperatur während des Drehens von Titan sowohl im trockenen Kontakt als auch unter Minimalmengenschmierung gemessen. Die Zerspanversuche sind zum einen mit CrAlMoN-beschichteten Werkzeugen geplant. Zum anderen sind Referenzversuche mit unbeschichteten und CrAlVN-beschichteten Werkzeugen vorgesehen, um offene Fragestellungen hinsichtlich der vorliegenden Zerspantemperatur zu klären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen