Entwicklung von MSIP-Puls-Prozessen zur Herstellung von TiAIN-Nanocomposites für anspruchsvolle Zerspan- und Umformoperationen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden auf der Basis des Systems (Ti,Al)N Verschleißschutzschichten für Zerspanwerkzeuge mit Nanocomposite-Struktur entwickelt. Die entwickelten Nanocomposite-Schichten sind konventionellen Schichten hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit überlegen. Der Bedarf an überlegenen Schichtsystemen resultiert dabei aus der Forderung nach gesteigerter Wirtschaftlichkeit von Zerspanungsoperationen [Yah07]. Eine gesteigerte Wirtschaftlichkeit von Zerspanprozessen wird im Wesentlichen durch höhere Schnittparameter in der Zerspanung erreicht. Daraus ergeben sich Anfor-derungen an die Schichten die eine hohe Haftung auf dem Werkzeugsubstrat, eine hohe Härte, glatte Oberflächen und eine hohe Oxidationsbeständigkeit umfassen. Die hohe Haftung verhindert ein Abplatzen der Schicht während des Einsatzes, die Härte bietet einen hohen Abrasionswiderstand, die glatten Oberflächen verringern Reibung und Anhaftungen während des Einsatzes, während die Oxidationsstabilität ein Eindiffundieren von Sauerstoff bei hohen Temperaturen in Luft verhindert [Hör02, May03, May05]. Vor allem die Bearbeitung hochharter Werkstücke (52 – 64 HRC) stellt bei Minimalmengenschmierung oder bei Trockenbearbeitung besondere Anforderungen. Eine wissenschaftliche Fragestellung stellt sich dabei aus der Wärmeabfuhr über den Span. Da gerade in dieser Art der Zerspanung hohe Forderungen an die Oberflächengüte der zu bearbeitenden Werkstücke gestellt werden, spielen die Schichtmikrostruktur, die Oberflächenbeschaffenheit und daraus resultierend der Reibungskoeffizient der zu entwickelnden Schichten eine wichtige Rolle. Darüber hinaus finden bei der Trockenbearbeitung bei hohen Temperaturen Oxidationsvorgänge statt. Um diese zu verringern, müssen geeignete Schichtwerkstoffe ausgewählt werden. Aus der Forderung nach dichterer Schichtmikrostruktur und glatterer Oberfläche resultiert zum Einen eine Optimierung der Prozesstechnologie während zum Anderen die chemische Stabilität der Schicht durch eine Erweiterung des Schichtwerkstoffes erreicht werden muss. Daher lag der Fokus der Arbeiten zum Einen auf der Weiterentwicklung der Prozesstechnologie und zum Anderen in der Werkstoffentwicklung der Schicht. Hinsichtlich dichterer Schichtmikrostrukturen wurde die Prozesstechnologie weiter entwickelt während die Schichtwerkstoffe durch eine Erweiterung ihrer chemischen Zusammensetzung modifiziert wurden. So ermöglichte die Realisierung eines nanostrukturierten (Ti,Al)N- Schichtsystems mittels MSIP-(Magnetron-Sputter-Ion-Plating) Pulstechnologie aufgrund einer erhöhten Ionisation die Abscheidung von Schichten mit dichteren Mikrostrukturen und glatterer Oberflächen im Vergleich zur Abscheidung mittels d. c.- (direct-current)-Verfahren. Während der Forschungsarbeiten wurden bisher nicht bekannte, grundlegende Zusammenhänge zwischen der Leistungsfähigkeit von d. c. -Schichten und gepulst abgeschiedenen Schichten für Werkzeuge ermittelt. Diese Korrelationen sind auf die verschiedenen Potentiale beider Abscheideverfahren zurückzuführen. So zeigen die Ergebnisse, dass durch die Pulstechnologie höhere Standzeiten in der Zerspanung zu erzielen sind, was auf den vorteilhaften Schichtaufbau und die dichtere Schichtbeschaffenheit zurückzuführen ist. So ist es bisher gelungen, ein gepulst abgeschiedenes, (Ti,Al)N-Nanocomposite zu entwickeln, das aufgrund seiner günstigen Schichtmorphologie und seiner geringen Kristallitgröße über eine höhere Rekristallisationsbeständigkeit (>800°C, ermittelt durch Glühversuche im Vakuum) im Vergleich zu herkömmlichen (Ti,Al)N Schichten verfügt. Während herkömmliche, dem Stand der Technik entsprechende, (Ti,Al)N Schichten über Kristallitgrößen von ca. 30 nm und Härtewerte weit unterhalb von 30 GPa verfügen [Mus00], zeichnet sich die hier entwickelte Schicht durch ca. 5 - 6 nm große Kristallite und höhere Härtewerte aus. Die Standzeit der entwickelten (Ti,Al)N-Schicht wurde in Zerspanversuchen gezeigt. Sie lag in der Bearbeitung des schwer zerspanbaren Materials Inconel 718 um 33% höher als die von zwei vergleichbaren feinkristallinen, kommerziell erhältlichen (Ti,Al)N-Schichten. Zur weiteren Steigerung der Zerspanleistung wurden die Pulsparameter variiert. So wurde es möglich, durch höhere Kathodenspitzenleistungen eine Ionisation des Spendermaterials zu bewirken, was die Abscheidung noch härterer Schichten mit dichteren Schichtmorphologien ermöglichte. In Bezug auf die Werkstoffentwicklung wurde die Zusammensetzung der Schicht um die Elemente Chrom und Silizium erweitert. Hierdurch konnten sowohl Warmhärte als auch Oxidationsstabilität der Schicht verbessert werden. So zeigte die weiterentwickelte (Ti,Cr,Al,Si)N-Schicht nach 4-stündiger Glühung in Luft bei 1100°C einen geringen Härteverlust im Vergleich zum ungeglühten Zustand. Die Härte sank lediglich von 35 (+/-3,7) auf 30 (+/-3,6) GPa, während die Härte der (Ti,Al)N-Schicht schon nach einstündiger Glühung bei 1000°C aufgrund der Oxidationsvorgänge auf 11 GPa (+/- 0,5) sank. Anhand von Härtemessungen, tribologischen Versuchen, röntgenographischen Untersuchungen sowie rasterelektronen-mikroskopischen Strukturanalysen konnte eine signifikante Verbesserung des Oxidationsverhaltens durch das Hinzufügen von Cr und Si nachgewiesen werden. Durch Ergebnisse von Zerspantests in der Edelstahlzerspanung bei hohen Schnittparametern konnte die gesteigerte Leistungsfähigkeit des (Ti,Cr,Al,Si)N gegenüber der (Ti,Al)N-Schicht im Rahmen des Projektes verifiziert werden.
Publications
- ICMCTF (International Conference On Metallurgical Coatings and Thin Films) 2006: Size evaluation of pulsed TiAlN nanocomposite coatings for cutting tools
Bobzin, K.; Lugscheider, E.; Maes, M.; Immich, P.; Bolz, S.
- PSE (Conference on Plasma Surface Engineering) 2006: Pulsed nanocomposite TiAlN coatings on complex shaped tools for high performance cutting operations
Bobzin, K.; Lugscheider, E.; Bolz, Nickel, R.; Immich, P.; Klocke, F.; Gerschwiler, K.
- 17. TechWatchTM (Technical Conference, Surface Engineering) in Paris, 2007: Pulsed nanostructured TiAlN coatings on complex shaped tools for high performance cutting operations
Bobzin, K.; Lugscheider, E.; Bolz, Nickel, R.; Immich, P.
- Grain size evaluation of pulsed TiAlN nanocomposite coatings for cutting tools, Thin Solid Films 515 (2007) 3681 - 3684
K. Bobzin, E. Lugscheider, M. Maes, P. Immich, S. Bolz
- Pulsed nanocomposite TiAlN coatings on complex shaped tools for high performance cutting operations. Plasma Processes and Polymers 4 (2007) 673 - 676 WILEY-VCH Verlag, Weinheim
K. Bobzin, E. Lugscheider, M. Maes, P. Immich, S. Bolz, F. Klocke, K. Gerschwiler
- PSE (Conference on Plasma Surface Engineering) 2008: Properties of (Ti,Al,Si)N coatings for high demanding metal cutting applications deposited by HPPMS in an industrial coating unit
Bobzin, K.; Bagcivan, N.; Immich, P.; Fuß, H.G.; Cremer, R.
