Erzeugung martensitischer Stützschichten für Hartstoffschichten zur Eigenschaftsoptimierung von Randschichten mittels lokal definiertem Elektronenstrahl (EB)-Härten (MaStER-EB)
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Forschungsvorhabens war die Kombination einer PVD-Hartstoffbeschichtung mit einem nachfolgenden Elektronenstrahl-Randschichthärten (EBH). Ziel dieser Kombinationsbehandlung ist es, die Stützwirkung für die in einem ersten Verfahrensschritt mittels reaktiven Magnetron- Sputterns abgeschiedenen Hartstoffschichten durch ein nachfolgendes EBH der Substratrandschicht zu erhöhen und damit die positiven Merkmale der harten, verschleißbeständigen PVD- Schichten auch für Konstruktionsstähle nutzbar zu machen. Die Stützwirkung des Substrates nimmt durch das nachfolgende EBH grundsätzlich zu. Die Oberflächenhärte steigt um den Faktor 2-3. Im Ritztest mit steigender Last sind die Ritzspuren bei den kombiniert behandelten Proben wesentlich flacher und schmaler. Die krit. Last L C3 (Schichtperforation) wird zu deutlich höheren Werten verschoben. Die kritische Last LC2 als Maß für die Haftung der Ti1-xAlxN-Schichten durchläuft mit steigender Einhärtungstiefe bei ca. SHD ≈0,2 mm ein Maximum, was einer Zunahme um das 1,5- bis 2-fache entspricht. Gleichzeitig verändert sich das Schädigungsbild von duktilem Versagen zu eher sprödem Grenzflächenversagen. Dies wirkt sich auf das Verschleißverhalten im Trockenverschleiß aus. Bei den vorherrschenden Verschleißmechanismen Adhäsion und Tribooxidation beeinflusst die höhere Stützwirkung die Verschleißkenngrößen nur im mittleren Lastbereich (FN = 10 N) positiv. Die PVD-Schichten haben wegen des ordnungszahlbedingt geringeren Verlusts durch Elektronenrückstreuung eine signifikante Wirkung auf den Energieeintrag beim EBH. Im Vergleich zum unbeschichteten Substrat steigt die Oberflächentemperatur um bis zu 15 % an, was 30-40 % größere Umwandlungstiefen zur Folge hat. Der Al-Gehalt der Schichten beeinflusst den berechneten Rückstreukoeffizienten des Schicht-Substrat-Systems kaum, mit steigender Dicke der PVD-Schichten wird hingegen mehr Energie absorbiert, weil sich der o. g. Rückstreukoeffizient dem Wert des Schichtwerkstoffes annähert. Zur Beschreibung der Energieeinkopplung wurde ein Modell zur Beschreibung der Dosis-Tiefenprofile bei inhomogenen Absorptionsschichten entwickelt. Infolge der martensitischen Umwandlung kommt es beim EBH einerseits zu einer makroskopischen Aufwölbung der Werkstoffoberfläche und andererseits zur Bildung eines mikroskopischen Oberflächenreliefs. Die Volumenexpansion korreliert mit der Einhärtungstiefe und das Oberflächenrelief ist umso stärker ausgeprägt, je inhomogener die C-Verteilung im Stahl und je größer die Austenitkorngröße beim EBH ist. Dadurch und durch die beim EBH entstehenden thermischen Zugspannungen kann es zur Rissbildung in den PVD-Schichten kommen. Es hat sich gezeigt, dass die aus geringerer Leistungsdichte resultierenden Temperatur-Zeit-Zyklen positiv auf die Rissbeständigkeit wirken und damit für die Kombinationsbehandlung PVD + EBH zu bevorzugen sind. Darüber hinaus ist die Stabilität der Schichten gegen Rissbildung in erster Linie vom Gefüge und den Eigenspannungen der Schichten abhängig. Feinkristalline und/oder mehrlagige Schichten mit höheren Druckeigenspannungen zeigen eine gute Stabilität. Die chemische Zusammensetzung und das Gefüge der metastabilen Ti1-xAlxN-Schichten werden infolge des EBH nicht signifikant verändert. Trotz der sehr kurzen Temperatur-Zeit-Zyklen beeinflusst das EBH jedoch die Phasenzusammensetzung und die Eigenspannungen der Schichten. Dies hat bei bestimmten Schichttypen sogar einen positiven Effekt: Bei den mit geringerer Biasspannung (UBIAS = 30 V) abgeschiedenen Schichten nehmen die Druckeigenspannungen zu, was insbesondere beim Ti-reichen Schichttyp zu einer Steigerung der Schichthärte führt. Im Schicht/Substrat-Übergang kommt es zu Diffusionsvorgängen, die eine Durchmischung des metallreichen Interlayers bewirken. Fe und C diffundieren aus dem Substrat ins Interlayer, wobei Fe sich in Bereichen höherer Al-Konzentration anlagert und eine C-Anreicherung im Ti-reichen Interface Haftvermittlerschicht/Substrat auftritt. Es entsteht dadurch eine zweigeteilte kristallin erscheinende Schicht. Bei Temperaturen, die die Diffusion von Al im γ-Fe ermöglichen, entsteht zudem eine ferritische Interdiffusionszone in der Substratrandschicht. Das abgeschlossene Forschungsvorhaben leistet einen grundlegenden Beitrag, die Stützwirkung der Substratrandschicht unter einer PVD-Schicht mittels einer lokalen thermischen Hochgeschwindigkeitswärmebehandlung zu steigern. Das Anwendungsspektrum von PVD-Hartstoffschichten wird dadurch auf niedriglegierte Konstruktionsstähle ausgeweitet, die ihrerseits im vergüteten Ausgangszustand nicht über die nötige Stützwirkung verfügen. Weges des präzise dosierbaren Energieeintrags und der Arbeit im Vakuum eignet sich der Elektronenstrahl als Werkzeug für das Randschichthärten nach einer PVD-Hartstoffbeschichtung in besonderer Weise.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Duplex surface treatment – Physical vapor deposition (PVD) and subsequent electron beam hardening (EBH), Adv. Eng. Mater. 16 (2014), 5, S. 511-516
Grumbt, G.; Zenker, R.; Biermann, H.; Weigel, K.; Bewilogua, K., Bräuer, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201300411) - Effects of electron beam treatment on Ti(1-x)AlxN coatings on steel. Vacuum 107 (2014), S. 141-144
Weigel, K.; Bewilogua, K.; Keunecke, M.; Bräuer, G.; Grumbt, G.; Zenker, R.; Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2014.04.023) - Improvement of the wear behavior of highly-loaded components and tools by multi-combined surface treatment. In: Materials Engineering / Materiálové inžinierstvo 21 (2014), S 1-10
Grumbt, G.; Zenker, R.; Spies, H.-J.; Franke, R.; Haase, I.
- Electron beam hardening of PVD-coated steels – improved load-supporting capacity for Ti1-xAlxN layers. In: Surf. Coat. Technol. 283 (2015), S. 201-209
Grumbt, G.; Zenker, R.; Biermann, H.; Weigel, K.; Bewilogua, K.; Bräuer, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.10.077) - Surface hardening after hard coating deposition – combining TiAlN tribological coatings with subsequent electron beam treatment. In: Proc. of 3rd Mediterranian Conf. on Heat Treatment and Surface Engineering. Portorož, September 26-28, 2016, CD
Weigel, K.; Keunecke, M.; Bewilogua, K.; Bräuer, G.; Grumbt, G.; Zenker, R.; Biermann, H.
- Investigations of Electron Beam Hardening on TiAlN Coated Heat-Treatable Steel. In: Matls. Perf. Charact. 6 (2017), 5, S. 850-859
Weigel, K.; Keunecke, M.; Bewilogua, K.; Bräuer, G.; Grumbt, G.; Zenker, R.; Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1520/MPC20170025) - Subsequent Electron Beam Hardening of PVD Coated Steels – Dry Sliding Wear Behavior of Ti1-xAlxN Layers. In: Proc. of 24th IFHTSE Congress, Nice, June 26-29 2017, CD
Grumbt, G.; Klose, N.; Biermann, H.; Weigel, K.; Bewilogua, K.; Bräuer, G., Zenker, R.
- Beitrag zum Elektronenstrahl-Randschichthärten in Kombination mit einer PVD- Hartstoffbeschichtung. Freiberg: Freiberger Forschungshefte B376, zugl.: TU Bergakademie Freiberg, Diss., 2018
Grumbt, G.
- Influence of EB Parameters on the Temperature-Time Profile during EB Hardening as a Single or Combined Surface Treatment. In: J. Phys.: Conf. Ser. 1089 (2018), 012002
Grumbt, G.; Buchwalder A.; Jung, A.; Hengst, P.; Hollmann, P.; Zenker, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1742-6596/1089/1/012002) - Investigation of cracking prevention in magnetron-sputtered TiAlN coatings during subsequent electron beam hardening. In: Surf. Coat. Technol. 338 (2018), S. 75-83
Hollmann, P.; Grumbt, G.; Zenker, R.; Biermann, H.; Weigel, K.; Bewilogua, K.; Bräuer, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.12.042)
