Erzeugung martensitischer Stützschichten für Hartstoffschichten zur Eigenschaftsoptimierung von Randschichten mittels lokal definiertem Elektronenstrahl (EB)-Härten (MaStER-EB)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann; Professor Dr. Günter Bräuer
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167979450

Die exzellenten Merkmale von PVD-Schichten, wie hohe Härte und Verschleißbeständigkeit sind nur auf tragfähigen Substraten, z.B. Werkzeugstählen, nutzbar. Die Anwendung von PVD-Schichten auf verschleißbeanspruchten Komponenten aus weicheren Vergütungsstählen (51CrV4) erfordert eine zusätzliche Randschichtabstützung. Das Elektronenstrahlhärten (EBH) ist aufgrund seiner verfahrensspezifischen Alleinstellungsmerkmale, wie hohe Leistungsdichte, flexible hochdynamische Energiemodulation und die Behandlung im Vakuum für die lokale, beanspruchungsgerechte Erhöhung der Randhärte hervorragend geeignet.Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Kombinationsbehandlung PVD-Beschichten mit nachfolgendem EB-Härten. Der Forschungsansatz des Gesamtprojektes besteht darin, einerseits die Stützwirkung der Substratrandschicht unterhalb einer mittels Magnetron-Sputtern abgeschiedenen Ti1-xAlxN-Schicht durch EB-Härten deutlich zu steigern und andererseits die Auswirkungen des Wärmeeintrags auf den strukturellen Aufbau und die Eigenschaften der PVD-Schicht tiefgreifend zu untersuchen.Aufbauend auf den Erkenntnissen aus Projektphase 1, in der wesentliche Aussagen zum Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Schichtdicke der Ti1-xAlxN auf das Verhalten beim EBH erarbeitet wurden, sollen in Projektphase 2 an aussichtsreichen Schicht/EB-Behandlungskombinationen vertiefte Untersuchungen zur Mikrostruktur und zum Verschleißverhalten des Randschichtverbundes erfolgen.Die Entstehung von Schichtdefekten (Risse, Abplatzungen und Schichtablösungen) konnte im ersten Projektzeitraum eingegrenzt, aber nicht vollständig eliminiert werden. Begleitet von mathematischer Simulation der Eigenspannungszustände sollen die Schädigungsursachen hergeleitet und maßgeschneiderte mehrlagige bzw. gradierte PVD-Schichtsysteme mit hinsichtlich des nachfolgenden EBH minimiertem Schädigungspotential generiert werden, um rissfreie Randschichtverbunde mit applikationsrelevanten Schichtdicken zu erzeugen.Des Weiteren sollen bisher nicht bekannte Phänomene, insbesondere lokal begrenzte Diffusions- und Mikroschmelzprozesse am Interface zwischen PVD- und EBH-Schicht erforscht werden, die bei der EB-Behandlung der Ti1-xAlxN-Schichten auftreten. In diesem Zusammenhang soll geklärt werden, inwieweit eine gezielte Ausnutzung dieser Effekte für die Verbesserung der Schichthaftung relevant ist.Wesentliche Anliegen des zweiten Projektzeitraums sollen weiterhin die Erforschung der Mechanismen zur Energieabsorption beim EBH chemisch inhomogener Absorptionsschichten sowie die Untersuchung thermisch induzierter Phasenumwandlungen in Ti1-xAlxN sein, die eine gezielte lokale Modifikation der Mikroeigenspannungen und damit der Schichthärte durch EB-Einwirkung ermöglichen. Das EBH soll hier im Unterschied zum bisher verwendeten EB-Härtefeld (CI-Technik), auch mittels Flash-Technik realisiert werden. Damit ist auf definierten Proben eine gezielt eindimensionale Wärmeableitung realisierbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen