• Land: Deutschland
  • Autor(en): Dirk Biermann Sebastian Goeke und Wolfgang Tillmann
  • Artikel vom: 27 Dezember 2012
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Polieren-Finishen-Feinstbearbeitung
  • Schlüsselbegriffe: Wolframkarbid
  • Feinbearbeitung hochharter Verschleißschutzschichten durch Microfinishen

    Einleitung

    Tribologisch beanspruchte Funktionsflächen werden nach derzeitigem Stand der Technik häufig mit einer Hartchromschicht versehen, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Anforderungen an derartige Schichten sind neben einer hohen Verschleißbeständigkeit, gute Korrosionseigenschaften, eine geringe Haftreibung sowie eine hohe Härte. Im Rahmen politischer und gesetzlicher Forderungen hinsichtlich der Umweltaspekte bei der Produktion von Hartchromschichten wird ein alternativer Ansatz zur tribologischen Optimierung der Bauteiloberflächen gesucht [6]. Die Substitution der Hartchromschicht lässt sich durch ein Multilayer-Schichtsystem realisieren, das sich aus einer thermisch gespritzten Verschleißschutzschicht auf Wolframkarbid-Basis sowie einer zusätzlich aufgetragenen DLC-Decklage (Diamond Like Carbon) zusammensetzt [7, 8]. Die Verschleißschutzschicht aus WC-CoCr wird mittels HVOF Verfahren auf den Substratwerkstoff aufgebracht. Dabei erfolgt die Oberflächenaktivierung des Substrates üblicherweise durch einen Strahlprozess. Im Rahmen der folgenden Untersuchungen wurde ein alternativer Ansatz verfolgt, bei dem durch das Außenrund-Kurzhubhonen, oder Microfinishen, eine geringe Oberflächenrauheit auf dem Substrat erzielt wurde. Eine Analyse der Abhängigkeiten zwischen Vorbehandlung des Grundwerkstoffs und der Schichthaftung der thermischen Spitzschicht erfolgte anhand von Umlaufbiegeversuchen, um den Einfluss auf die Schwingfestigkeit zu ermitteln.

    Da die aus dem Beschichtungsprozess resultierende raue Schichtoberfläche für einen Einsatz als Gleitfläche bzw. als Substrat für eine folgende DLC Beschichtung primär ungeeignet ist, werden die beschichteten Bauteile typischerweise geschliffen, um eine geringere Oberflächenrauheit zu erhalten [9-14]. Das Potenzial zur Reduzierung der Oberflächenrauheit durch das Schleifen ist allerdings begrenzt. Aufgrund der geringen Schichtdicke der DLC Decklage von 2-3 µm und den resultierenden hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität des Substratwerkstoffes wurden die Proben im Rahmen der Untersuchungen durch das Microfinishen nachbearbeitet. Dabei ergeben sich je nach Zielsetzung verschiedene Bearbeitungsstrategien mit Auswirkungen auf die generierte Oberflächenstruktur, die wiederum das Verhalten bei tribologischer Beanspruchung bestimmt.

    Prozessstrategie beim Microfinishen

    Das Außenrund-Kurzhubhonen mit Band, auch Microfinishen genannt, zeichnet sich durch zwei orthogonal zueinander wirkende Schnittbewegungen aus. Durch die Überlagerung aus Werkstückrotation und Oszillation des Werkzeuges ergibt sich die typische Zerspanungskinematik mit dem resultierenden Kreuzschliff auf der Werkstückoberfläche [15]. In zahlreichen wissenschaftlichen Beiträgen wurden Prozessstrategien vorgestellt, um eine Vielzahl an unterschiedlichen Oberflächenstrukturen mit einem variablen Materialanteil zu fertigen. Dabei haben insbesondere Prozessstellgrößen wie die Anzahl der aufeinander folgenden Prozessstufen, die Korngröße des Finishbandes, die Bearbeitungszeit und die Schnittgeschwindigkeit signifikanten Einfluss auf die resultierende Oberflächentopografie [16-24].

    Anhand unterschiedlicher Prozessstrategien wurde im Rahmen dieser Studie die Übertragbarkeit der ermittelten Zusammenhänge auf die Bearbeitung von Verschleißschutzschichten aus WC-CoCr (86-10-4) durch das Kurzhubhonen sowie die funktionalen Abhängigkeiten zwischen Substratvorbehandlung und Schichtadhäsion überprüft. Zur Bearbeitung des Substratwerkstoffs 100Cr6 kamen Finishbänder mit der Kornart Al2O3 zum Einsatz während die Verschleißschutzschicht mit Diamant-Finishbändern bearbeitet wurde. In Abbildung 1 sind die Zerspanungskinematik des Finishprozesses sowie exemplarisch die Unterschiede in der Bindungsstruktur der verwendeten Finishbänder dargestellt.
    Die Qualität des Verbundsystems aus Verschleißschutzschicht und Substratwerkstoff wurde anhand von Umlaufbiegeversuchen getestet. Bei dieser Testmethode ergibt sich durch die Rotation des Probenkörpers ein kontinuierlicher Wechsel zwischen Druck- und Zugbeanspruchung. Die umlaufende Biegebeanspruchung ist in der Randzone der Probe, in diesem Fall in der Verschleißschutzschicht, am größten. Durch das Auftragen der Lastwechsel bis zum Probenbruch über die einzelnen Biegespannungen lässt sich ein Wöhlerdiagramm für den Werkstoffverbund erzeugen, welches eine Bewertung der Qualität der Schichtadhäsion ermöglicht [25, 26].

    Einfluss der Substratvorbehandlung auf die Schichtadhäsion

    Üblicherweise werden Substratoberflächen vor dem HVOF-Spritzen durch einen Strahlprozess aufgeraut und aktiviert [27]. Dabei ergeben sich diverse Nachteile hinsichtlich der Strahlgutrückstände auf der Oberfläche, die nach der Beschichtung eine Kerbwirkung zwischen Beschichtung und Substrat verursachen können [28, 29]. Um diese negativen Einflüsse zu vermeiden, wurden die Testbauteile alternativ durch einen Finishprozess vorbearbeitet und anschließend thermisch beschichtet. Als Substratwerkstoff diente der Wälzlagerstahl 100Cr6, der in einer normalgeglühten Form vorlag. Die Oberflächenqualität der Rundproben wurde in einem mehrstufigen Finishprozess mit abnehmender Korngröße dK = 30…3 µm auf eine gemittelte Rautiefe von Rz < 1 µm eingestellt. Verglichen mit einer gestrahlten Oberfläche, die üblicherweise eine gemittelte Rautiefe zwischen Rz = 5…10 µm aufweist, sind die gefinishten Oberflächen durch eine wesentlich geringere Oberflächenrauheit gekennzeichnet und weisen einen höheren Materialanteil in geringen Profiltiefen auf. Die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse zu den Umlaufbiegeversuchen ohne und mit Beschichtung bei unterschiedlicher Substratvorbehandlung zeigen einerseits das hohe Potential der Verschleißschutzschicht zur Steigerung der Biegewechselfestigkeit und andererseits den Einfluss der Oberflächenkonditionierung des Substrates [30]. Im unbeschichteten Zustand und einer Biegebelastung von σb = 400 N/mm2 erfolgt der Probenbruch nach ca. 105 Lastwechseln. Wird die Biegebelastung auf σb = 340 N/mm2 reduziert, ergibt sich eine Steigerung auf 106 Lastwechsel. Ein ähnlicher funktionaler Zusammenhang ergibt sich für die beschichteten Proben, allerdings bei wesentlich höheren Beanspruchungen. Zum Vergleich: Bei einer angestrebten Lastwechselanzahl von 106 Umläufen liegt die ertragbare Biegebelastung im Falle eines gestrahlten Substrates bei σb = 480 N/mm2 und im Falle einer gefinishten Substratoberfläche bei ca. σb = 530 N/mm2. Durch die thermische Beschichtung der Bauteile ist eine Steigerung der Spannung bezogen auf die Querschnittsfläche der Rundproben bei gleicher Lastwechselanzahl um bis zu Δσ = 100 N/mm2 bei gestrahlter Substratoberfläche möglich. Im Falle einer gefinishten Substratoberfläche lässt sich die Spannung bei gleicher Lastwechselanzahl sogar um Δσ = 150 N/mm2 steigern. Dabei ist die Spannung grundsätzlich auf die Querschnittsfläche der Probe bezogen, also unter Berücksichtigung der Vergrößerung des Durchmessers nach der Beschichtung.
    An den in Abbildung 3 dargestellten rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen des Interfaces zwischen Substrat und Beschichtung sind die Unterschiede im Werkstoffverbund in Abhängigkeit der Substratvorbehandlung zu erkennen. Die gestrahlte Substratoberfläche ist durch vereinzelte tiefe Profilriefen gekennzeichnet, die im ungünstigsten Fall Rückstände von Strahlgut aufweisen. Diese mit Strahlgut gefüllten Profilriefen erzeugen unter Biegewechselbeanspruchung eine Kerbwirkung, die zu einem frühen Versagen des Werkstoffverbundes führt. Im Vergleich dazu verläuft das Interface des Werkstoffverbundes bei gefinishtem Substrat wesentlich regelmäßiger und weist keine Materialrückstände aus dem Finishprozess auf. Die ursprünglich glatte Substratoberfläche im gefinishten Ausgangszustand zeichnet sich nach dem Beschichtungsprozess durch eine aufgeraute Topografie aus. Durch die Kombination aus hoher kinetischer Energie der Pulverpartikel im Beschichtungsprozess und dem vergleichsweise weichen Substratwerkstoff (250 ± 10 HV0,1) ergibt sich eine regelrechte Perforierung der Substratoberfläche durch das aufgeschmolzene Pulver, die wiederum zu einer hohen Adhäsion zwischen Beschichtung und Substrat führt. Ein solches Interface zwischen Substrat und Beschichtung ist wesentlich besser für eine Biegewechselbeanspruchung geeignet als die bei gestrahltem und beschichtetem Substrat resultierende Grenzflächenanbindung.

    Feinstbearbeitung der Verschleißschutzschicht

    Neben der Vorbereitung der Substratoberfläche ist eine Nachbearbeitung der aufgebrachten Verschleißschutzschicht notwendig. Die vergleichsweise zerklüftete Oberflächenstruktur der Wolframkarbid-Beschichtung im Ausgangszustand kann unter Biegebeanspruchung zu einer Kerbwirkung führen und die Biegefestigkeit des Schichtverbunds reduzieren [31]. Im Falle eines Multilayerschichtsystems ist die aus dem Beschichtungsprozess resultierende Oberflächenrauheit ebenfalls zu hoch für eine folgende DLC Beschichtung. Die aus der Oberfläche heraus stehenden Profilspitzen können in der DLC Decklage zu Wachstumsdefekten führen, die wiederum die Qualität des Schichtverbundes negativ beeinträchtigen würden. Die beschichteten Proben weisen in ihrem Ursprungszustand eine gemittelte Rautiefe von Rz ~ 10…30 µm auf. Die vorhandenen Profilriefen bzw. –täler führen äquivalent zu den Unregelmäßigkeiten im Interface zu einer Kerbwirkung, die einen signifikanten Einfluss auf das Verschleißverhalten hat. Zielsetzung der Finishbearbeitung ist daher die Generierung einer Oberflächentopografie mit einer geringen Rautiefe und hohem Materialanteil in geringen Profiltiefen. Dabei ist die für das Finishen häufig geforderte Plateaustruktur nicht erwünscht, da einzelne Profilriefen ebenfalls zu einer Kerbwirkung führen würden.
    Im Rahmen der experimentellen Versuche wurde neben der verwendeten Korngröße in unterschiedlichen Prozessstufen, die Bindungsart der Finishbänder als auch die Bearbeitungszeit in Abhängigkeit der Bindung variiert. Hinsichtlich der Kornbindung auf den Finishbändern lassen sich zwei Typen unterscheiden. Im Falle einer elektrostatischen Ausrichtung der Körner auf dem Finishband ergibt sich durch die aus der Bindung heraus stehenden Kornspitzen eine für die Feinbearbeitung aggressive Zerspanung mit hohem Zeitspanvolumen. Die in Abbildung 4 dargestellten Ergebnisse bezüglich der Oberflächenqualität nach einzelnen Prozessstufen verdeutlichen die komplexen Zusammenhänge zwischen Bindungsart, Bearbeitungsdauer und verwendeter Korngrößen. Durch eine kombinierte Prozessstrategie aus elektrostatisch gerichteten und geschlämmten Finishbändern lässt sich die Oberflächenqualität der Beschichtung innerhalb der Prozesszeit von tges = 450 s auf eine gemittelte Rautiefe Rz < 0,5 µm reduzieren. Das aggressive Vorfinish mit einer Korngröße von dK = 74 µm führt zu einer deutlichen Verbesserung der Oberflächenqualität. Darauf folgend wird durch die zwei anschließenden Bearbeitungsschritte mit geschlämmten Finishbändern (dK = 30; 9 µm) die Oberfläche sukzessive auf die hohe Endqualität verbessert.

    Eine alternative Bearbeitungsstrategie besteht in der ausschließlichen Verwendung von geschlämmten Finishbändern, dargestellt in Abbildung 3 (rechte Seite). Aufgrund des geringen Zeitspanungsvolumens der geschlämmten Finishbänder, insbesondere bei feiner Körnung, ergibt sich eine höhere Bearbeitungszeit, um die Oberflächentopografie auf den gewünschten Endzustand einzustellen. Nach einer Prozesszeit von t = 300 s bei Bearbeitung mit einer Korngröße von dK = 30 µm ist im Mittel zwar eine Verbesserung der Ausgangsrauheit festzustellen (Rz = 2,7 µm), allerdings ergibt sich eine erhebliche Streuung bei den Messwerten. Diese Streuung basiert auf einzelnen Poren in der Oberfläche der Beschichtung, die aus dem thermischen Spritzprozess resultieren und in einer Profiltiefe liegen, die aufgrund des geringen Zeitspanvolumens des Finishprozesses noch nicht abgetragen wurde. Durch das folgende zweistufige Fertigfinish mit einer Korngröße von dK = 9; 3 µm lässt sich auch hier eine hohe Oberflächenqualität mit geringer gemittelter Rautiefe von Rz ~ 0,5 µm erzielen. Der Einfluss der feinen Korngröße von dK = 3 µm ist, zumindest bezogen auf die gemittelte Rautiefe, nicht feststellbar. Rein optisch zeichnen sich die Proben wie in Abbildung 4 veranschaulicht aufgrund der geringen Rauheit durch einen Spiegelglanz aus. Durch die Porosität der Schicht ist die Reduzierung der Oberflächenrauheit eingeschränkt. Mit der feinen Körnung lassen sich lediglich die Profilspitzen weiter reduzieren, so dass das Verhältnis zwischen Profilspitzen und Profilriefen kleiner wird.

    Die in Abbildung 6 dargestellten Aufnahmen der Oberflächentopografie mit den dazugehörigen Materialanteilen verdeutlichen die Unterschiede in der generierten Oberflächenstruktur beim Finishen mit elektrostatisch gerichtetem Finishband und geschlämmtem Finishband. Durch das Vorfinish mit einem Finishband, auf dem die Körner ausgerichtet sind, ergibt sich ein höherer Materialabtrag und eine durch den Kreuzschliff dominierte Oberflächenstruktur. Der volle Materialanteil wird in einer Tiefe von 6,5 µm erreicht, wobei die Materialanteilkurve (Abbott-Kurve) einen steilen Verlauf aufweist. Das Oberflächenprofil ist wie bereits bei den Rauheitswerten ermittelt, durch einen ebenso großen Anteil von Profilspitzen wie Profilriefen gekennzeichnet. Die Materialanteilkurve beim Finishen mit feiner Körnung und geschlämmten Finishband weist einen flachen Verlauf in einer Profiltiefe zwischen 1 µm und 3 µm auf. Unterhalb von 3 µm Profiltiefe befinden sich lediglich die Profiltäler der Poren. Es ergibt sich eine Plateaustruktur, die für viele tribologische Beanspruchungen durchaus wünschenswert ist, im Rahmen der Biegewechselversuche allerdings zu einer Störgröße führt. Daher ist ein aggressives Vorfinish zur Beseitigung der Oberflächendefekte und ein Fertigfinish mit feiner Körnung zur Generierung einer hohen Oberflächenqualität in diesem Fall zu bevorzugen.


    Zusammenfassung

    Im Rahmen der Studie wurde der Einfluss der Substratvorbehandlung durch das Microfinishen auf die Lebensdauer eines Schichtverbundes aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6, der als Substratwerkstoff diente und einer HVOF gespritzten WC-CoCr Schicht untersucht. Die Kombination aus einer fein strukturierten Substratoberfläche mit geringer Rauheit und einem angepassten thermischen Beschichtungsprozess führte zu einer erheblichen Steigerung der Biegewechselfestigkeit des Schichtverbundes. Um einen Einfluss von oberflächlichen Poren sowie einer zu hohen Ausgangsrauheit der Beschichtung auszuschließen wurden im Rahmen der experimentellen Versuche ebenfalls Prozessstrategien aufgezeigt, durch die sich die Beschichtung in Ihrem Ausgangszustand direkt durch das Microfinishen bearbeiten lässt. Dabei konnte die ursprüngliche Oberflächenqualität der Beschichtung mit einer gemittelten Rautiefe von Rz > 10 µm in einem dreistufigen Finishprozess auf eine gemittelte Rautiefe von Rz < 0,5 µm reduziert werden. Durch die Verbesserung der Oberflächenqualität lässt sich die Wolframkarbid-Beschichtung sowohl als tribologisch beanspruchte Funktionsfläche, als auch als Substrat für eine folgende DLC Beschichtung einsetzen. Dabei bietet der Finishprozess ein hohes Potential für die exakte Einstellung der Oberflächengüte und -beschaffenheit, da die einzelnen Prozessstufen der Finishbearbeitung optimal aufeinander abgestimmt werden können.

    Danksagung

    Die in dieser Studie aufgezeigten Versuchsergebnisse wurden im Rahmen des Ziel2-Forschungsprojektes „Entwicklung neuer nanobeschichteter Pulverwerkstoffe und tribologisch optimierter mikro- und nanostrukturierter Multilayer Hochleistungsbeschichtungen“ erzielt. Das Forschungsprojekt wurde unterstützt durch die Europäische Union (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) und die Ziel2.NRW Initiative. Des Weiteren danken die Autoren der Firma 3M für die Bereitstellung der Finishbänder.



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