HIPIMS-Hartstoffschichten hoher Haftfestigkeit auf Zerspanwerkzeugen für die Hartbearbeitung
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurde die -Entwicklung von TiAIN-Schichten, abgeschieden mit den Beschichtungstechnologien High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) und Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) in der Hartzerspanung durchgeführt. Hierfür wurden Wendeschneidplatten (WSP) aus Hartmetall mit DCMS- und HiPIMS-Schichten bei unterschiedlichen Bias-Spannungen beschichtet. Die Charakterisierung der Schichten zeigte, dass die DCMS-Schichten durch eine ausgeprägte kolumnare Struktur und (111)-Textur gekennzeichnet sind. Die HiPIMS-Schichten hingegen zeigten eine hochdichte Morphologie, mit zum Teil feinem kolumnaren Aufbau und einer schwachen bis kaum messbarer (111)-Textur bei hohen Bias-Spannungen. Die Eigenspannungsuntersuchnungen zeigten, dass die Substrate infolge der Vorbehandlung, vorrangig des Schleifens, Druckeigenspannungen im GPa-Bereich aufwiesen, die infolge der erhöhten Beschichtungstemperatur von TB = 520 °C und den damit verbundenen thermisch aktivierten Prozessen stark abgebaut wurden. Die HiPMS-Schichten zeigten bei UB = -100V Schichteigenspannung von bis zu σ = -4,6 GPa, welche mit sinkender Bias-Spannung auf etwa σ = -2,3 GPa herabgesetzt wurden. Die Ergebnisse der Modellverschleißuntersuchungen zeigten Vorteile der HiPIMS- Beschichtungen bei Belastung mit einer Verschleißursache. Bei der Untersuchung des Verschleißmechanismus Oberflächenzerrüttung zeigten die HiPIMS-Schichten höhere Widerstände im Vergleich zu den DCMS-Beschichtungen. Auch die Ergebnisse der Schichthaftungsanalyse zeigte das hohe Potential der HiPIMS-Schichten. Bei beiden Schichttypen nimmt die Schichthaftung mit zunehmender Bias-Spannung zu. Die Anwendung der beschichteten HiPIMS- und DCMS-beschichteten Weritzeuge erfolgte bei für Hartmetallwerkzeugen vergleichsweise hohen Prozessparametern. Beim Hartdrehen vom gehärteten Warmarbeitsstahltyp 1.2344 (55 HRC) erzielten die DCMS-beschichteten Wendeschneidplatten durch höhere Kerb- und Kolkverschleißwiderstände größere Zerspanvolumina. Vorteilhafte Verschleißeigenschaften der HiPIMS-Schichten konnten bei den Drehexpertmenten mit dem gehärteten Kaltarbeitsstahltyp 1.2436 (54 HRC) durch höhere Zerspanvolumina beobachtet werden, während die DCMS-Werkzeuge mit starkem Kerb- und Kolkverschleiß sowie dem Schneidkantenausbruch prozessbedingte Schwächen aufzeigten. Es konnte beobachtet werden, dass mit abnehmender Zerspanbarkeit des Werkstoffes die HiPIMS-Beschichtungstechnik gegenüber den DCMS-Schichten über einsatzbedingte Vorteile verfügten. Der H2-Typ erreichte hierbei die höchsten Zerspanvolumina. Es zeigte sich, dass die Modellverschleißtests eine Tendenz der Eignung der Schichten für bestimmte Anwendungsfälle geben können, allerdings der Zerspanprozess, bei dem alle Verschleißmechanismen wirken, als solches in seiner Komplexität nicht ohne weiteres modelhaft nachgebildet werden kann. Jedoch konnten durch die modellhaften Untersuchungen Korrelationen zwischen Versagenskriterien und den Schichteigenschaften analysiert werden. In den Modellverschleißuntersuchungen sowie beim Hartdrehen vom Kaltarbeitsstahltyp 1.2436 konnten die HiPIMS-Schichten ihre vorteilhaften Eigenschaften gegenüber den DCMS-Schichten aufzeigen. Eine qualitative Zusammenfassung der im Vorhaben ermittelten Ergebnisse ist in einem Prozessmodell dargestellt. Die Untersuchung von HiPIMS-Schichten bei der Zerspanung von hochharten Stählen, weiteren Werkstoffgruppen sowie als Verschleißschutzschicht auf Schneidkeramiken stellen zukünftige Forschungsinhalte dar.
Publications
- Einsatzverhalten von HiPIMS-beschichteten Zerspanwerkzeugen in der Hartbearbeitung. Vortrag zum 29. IAK in Braunschweig, 2013
Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.
- HiPIMS coated carbides with high adhesive strenght for hard machining. In: Proeedings HSM 2014. High Speed Machining Conference 2014, 11. - 12.09. 2014, Prag
Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.; Leyens, C; Heinze, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.17973/MMSJ.2014_12_201417) - HiPIMS coated carbides with high adhesive strenght for hard machining. Modern Machinery Science Journal, December 2014, S. 516 - 529
Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.; Leyens, C.; Heinze, S.
(See online at https://dx.doi.org/10.17973/MMSJ.2014_12_201417) - Leistungsfähigkeit moderner HiPIMS- und ARC-Schichten. Diamond Business, Heft 51, Ausgabe 4 (2014), S. 24-31
Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.; Leyens, C.; Heinze, S.
- Steigerung der Leistungsfähigkeit von Hartmetallwerkzeugen in der Hartbearbeitung. ZWF Jahrg. 109 (2014) 4, S. 236-241
Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.; Leyens, C; Heinze, S.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111135) - Innovative Schichtsysteme für anspruchsvolle Drehaufgaben. Werkstatt und Betrieb, Ausgabe 9 (2015), S. 20-23
Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.; Fuentes, J.; Gäbler, J.; Leyens, C; Heinze, S.
