Entwicklung von robusten Methoden zur Eigenspannungsmessung auf PVD-beschichteten Zerspanwerkzeugen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541063095

Um die Fräsleistung von Hartmetallwendeschneidplatten zu steigern, sind mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschiedene Hartstoffschichten Stand der Technik. Während der Schichtabscheidung mittels PVD werden Druckeigenspannungen in die Beschichtung eingebracht. Diese weisen eine geometrieabhängige Verteilung auf den Wendeschneidplatten auf, was zu einer lokalen Beeinflussung der Rissbeständigkeit und Bruchzähigkeit der Beschichtung führt. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Identifizierung und Validierung von robusten Methoden zur Eigenspannungsmessung sowie im Erkenntnisgewinn über die Druckeigenspannungen und Rissbeständigkeit, mit besonderem Hinblick auf die lokale Verteilung auf Wendeschneidplatten. Hierfür werden Erkenntnisse über die Genauigkeit der Messmethoden ermittelt und ein besseres Verständnis über die Verteilung der Eigenspannungen erarbeitet. Neben der zweidimensionalen Verteilung auf der Oberfläche der Wendeschneidplatte wird die räumliche Verteilung der Eigenspannungen über die Schichtdicke erforscht. Darüber hinaus wird ein Erkenntnisgewinn über den Zusammenhang zwischen lokalen Eigenspannungen und lokalem Rissverhalten angestrebt. Insgesamt wird hierdurch ein besseres Verständnis über die Eigenspannungen in PVD-Schichten aufgebaut. Um die angestrebten Ziele zu erreichen, werden die Proben mittels kombinierter Verfahren untersucht. Zur Einstellung unterschiedlicher Eigenspannungszustände werden am Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen University TiAlN-Schichten mit variierender Schichtdicke und Biasspannung abgeschieden. Anhand von Messungen an Si-Wafern mit bekannten Eigenspannungen wird am Institut für Werkstoffkunde (IW) der Leibniz Universität Hannover die Messsicherheit der Eigenspannungsmessmethode aus Focus-Ion-Beam (FIB) und digitaler Bildkorrelation (DIC) ermittelt. Mittels Nanoindentation wird am IOT die geometrieabhängige Verteilung der Eigenspannungen über der Oberfläche erforscht und ortsaufgelöste Mappings erstellt. Die Eigenspannungen werden hierfür in Abhängigkeit von der Entfernung zur Schneidkante bestimmt. Zur Untersuchung der räumlichen Verteilung der Eigenspannungen innerhalb des Schicht-Substrat-Verbundes wird am IW ein Röntgenmikroskop (XRM) zur dreidimensionalen Bildgebung und eine digitale Volumenkorrelationssoftware (DVC) zur Bestimmung räumlicher Verschiebungen und Dehnungen verwendet. Zur Analyse der lokalen Rissbeständigkeit werden mittels Nanoindentation erhöhte Maximalkräfte aufgebracht und das Rissverhalten mittels konfokaler Laserscanningmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Zur Korrelation mit den lokalen Eigenspannungen wird das gleiche Raster verwendet wie für die Eigenspannungsmessung mittels Nanoindentation. Im Einsatz treten erhöhte Temperaturen auf. In einem möglichen dritten Forschungsjahr ist daher eine Analyse des Einflusses der thermischen Beanspruchung auf die Eigenspannungen und die Rissbeständigkeit geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen