Synthese von Al2O3 Dünnschichten mit der HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering) Technologie auf Hartmetallwerkzeugen für die Zerspanung hochfester Gusswerkstoffe und Titanlegierungen
Final Report Abstract
Die Entwicklung der Al2O3-Beschichtungen erfolgte im Rahmen dieses Transferprojekts reaktiv über einen PVD-Beschichtungsprozess mit Hilfe der neuartigen HPPMS-Technologie. Die Nutzung dieser Technologie und die daraus resultierende höhere Leistungsdichte bzw. Ionisation ermöglichte die Abscheidung einer kristallinen γ-Al2O3-Beschichtung auf Hartmetallsubstrat bei niedrigerer Substrattemperatur (T = 577 °C) als bei dem mfMS-Prozess (T = 650 °C) und somit eine Reduzierung der Temperaturbelastung des Substrats. Um eine hohe Verbundhaftung der γ-Al2O3-Beschichtung auf dem Hartmetallsubstrat zu gewährleisten, wurde zunächst ein angepasster (Ti,Al)N-Haftvermittler mittels der dcMS-Technologie synthetisiert. Im Anschluss wurde das kombinierte Schichtsystem dcMS- (Ti,Al)N/HPPMS-Al2O3 für die weitere Charakterisierung hergestellt. Nach der Synthese aller Beschichtungen wurden Schichtdicke, Morphologie, chemische Zusammensetzung, kristallographische Phasen sowie die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von den Prozessparametern untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine relativ hohe Biasspannung (UBias = -200 V) und ein hoher Sauerstofffluss (Q(O2) = 40 sccm) sowie eine kurze Pulsdauer (ton = 50 µs) notwendig waren, um γ-Al2O3-Beschichtungen mit einer sehr dichten Mikrostruktur und einer hohen Härte zu synthetisieren. Aufgrund der sehr dichten Mikrostruktur der neuen Beschichtung wurde eine deutlich höhere Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zur mfMS-(Ti,Al)N/Al2O3-Referenzschicht erreicht. Des Weiteren weist die neue dcMS- (Ti,Al)N/HPPMS-Al2O3-Beschichtung in tribologischen Modellversuchen bei hohen Temperaturen (T ≥ 600 °C), die für die gezielte Zerspananwendung interessant sind, einen signifikant besseren Abrasionswiderstand im Vergleich zur Referenzschicht auf. Die Zerspanuntersuchungen wurden anhand des Messerkopfstirnfräsen des hochfesten Gusswerkstoffs EN-GJS-700-2 und mittels Außenlängsdrehen der Titanlegierung TiAl6V4 durchgeführt. Als Referenzschneidstoffe kamen Schneidplatten/Schichtsysteme zum Einsatz, die dem aktuellen Stand der Technik entsprachen. Beim Fräsen des GJS-700 mit industriell eingesetzten Schnittparametern zeigt das neuentwickelte Schichtsystem dcMS-(Ti,Al)N/HPPMS-Al2O3 gegenüber den Referenzschneidstoffen Potential zur Verbesserung von Standzeit und Prozesssicherheit aus. Zur vollen Ausschöpfung des verfügbaren Leistungspotentials sollten die Schichten unter Berücksichtigung der Sicherstellung einer hohen Schichthaftung mit größtmöglicher Dicke abgeschieden werden. Durch eine Vorbehandlung des Substrates bzw. die Nachbehandlung der Schicht durch Strahlen kann das Leistungspotential der Werkzeuge weiter gesteigert werden. Beim Drehen der Titanlegierung TiAl6V4 erfüllten sich die zu Projektbeginn in das neue Schichtsystem gesetzten Erwartungen nur zum Teil. Gegenüber den Referenzschichten auf Basis von (Ti,Al)N und mfMS-(Ti,Al)N/Al2O3 konnte eine Leistungssteigerung erzielt werden. Ein im Vergleich zu den mit dcMS-(Ti,Al)N/HPPMS-Al2O3 beschichteten Werkzeugen günstigeres Verschleiß- und Leistungsverhalten wiesen die mit eingesetzten TiB2 beschichteten Schneidplatten auf. Durch eine Modifizierung von Schichtzusammensetzung, Schichtdicke und die Abscheidung des TiB2-Schichtsystems im HPPMS-Prozess konnte der Projektpartner CemeCon das Leistungsvermögen des Referenzschichtsystems weiter steigern. Den beteiligten Partnern brachten die Grundlagenuntersuchungen beim Drehen von TiAl64 wesentliche Erkenntnisse über die dominierenden Verschleißmechanismen und die daraus abzuleitenden Anforderungen an Hartmetallsubstrat, Schichtsystem und Schneidengeometrie. Die erzielten Ergebnisse zeigen weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf auf. Leistungsfähigere neue oder weiterentwickelte Hartmetalle sollten nach Möglichkeit kein Wolframkarbid und keinen freien Kohlenstoff im Substrat besitzen und die Schichtsysteme sollten möglichst geringe Affinität zum Werkstoff TiAl6V4 aufweisen. Die im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse zeigen, dass die neu entwickelte dcMS- (Ti,Al)N/HPPMS-Al2O3-Beschichtung ein gutes Potential für eine weitere Optimierung hat. Innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitraums konnte diese Beschichtung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit eine gleiche Größenordnung wie die seit Jahren etablierten industriellen Beschichtungen erreichen.
Publications
- HPPMS Alumina Coatings Deposited At Various Bias, Proceedings of the 11th THE “A” Coatings in Manufacturing Engineering, 01.-03.10.2014, Thessaloniki, Griechenland, ISBN: 978-960-98780-8-1, 117- 125
K. Bobzin, N. Bagcivan, R. H. Brugnara, S. Basturk
- Investigation of Hysteresis Effect and Influence of Bias Voltage during Deposition of HPPMS Alumina Coatings, 41st International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF) 2015, 28.04.-02.05.2015, San Diego, CA, USA
K. Bobzin, N. Bagcivan, R. H. Brugnara, S. Basturk
- Vergleich von gepulsten mf-(Ti,Al)N/mf-Al2O3 und dc-(Ti,Al)N/HPPMS-Al2O3 PVD Beschichtungen hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften und des Hochtemperaturverhalten für den Einsatz in der Hochleistungszerspanung, Vortrag, V2015 Workshop: Beschichtungen für Werkzeuge und Bauteile, 13.-14.10.2015, Dresden
S. Basturk, T. Brögelmann, K. Bobzin, K. Gerschwiler, F. Klocke
