Leistungsfähigkeit moderner HiPIMS-  und ARC-Schichten
  • Uni/Hochschule: Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb/TU Berlin
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Eckart Uhlmann, Bartek Stawiszynski, Christoph Leyens
  • Artikel vom: 24 Februar 2015
  • Seitenaufrufe: 3509
  • Artikel Nummer: 051-024-d
  • Kategorie(n): Zerspanen, WERKZEUG ANWENDUNGEN, WERKZEUG FERTIGUNG
  • Schlüsselbegriffe: ARC, Forschung, Hartmetall, Hartzerspanung, HiPIMS
  • Leistungsfähigkeit moderner HiPIMS- und ARC-Schichten

    Hartzerspanung und Werkzeugtechnologie

    Insbesondere in der Automobil- und der Luftfahrtindustrie sowie im Werkzeug- und Formenbau werden gehärtete Stähle vermehrt eingesetzt. Stetig steigende Anforderungen an die spanende Industrie bedingen eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Werkzeugen und Prozessstrategien. Konventionelle Prozessketten zur Fertigung von Bauteilen hochharter Werkstoffe sind zeit- und kostenintensiv. Durch die Anwendung der Hartzerspanung zur Substitution von Schleif- oder Erodierverfahren besteht die Möglichkeit Prozessketten effizient zu verkürzen [1, 2, 3].

    Die hohen mechanischen und thermischen Belastungen bei der Hartzerspanung setzen den Einsatz von warmharten und chemisch beständigen Schneidstoffen voraus. Hierfür eignen sich Polykristallines kubisches Bornitrid (PcBN), Schneidkeramik und beschichtetes Hartmetall. PcBN und Keramiken werden beim Drehen, Fräsen und Bohren aktuell in Form von Schneideinsätzen angewendet. Wesentliche Gründe hierfür sind die hohen Rohstoffpreise und die bisher nicht prozesssichere Herstellung von geometrisch komplex geformten Schaftwerkzeugkonturen aus PcBN und Keramik. Allerdings gibt es Anwendungsbeispiele keramischer Schaftwerkzeuge bei der Zerspanung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und hochwarmfesten Legierungen [4, 5].

    Zu einem Großteil werden Schaftwerkzeuge aus Hartmetall gefertigt. Diese zählen zu der vielseitigsten Gruppe der Schneidstoffe und gewährleisten eine wirtschaftliche Bearbeitung verschiedenster Werkstoffgruppen, was durch die Optimierung über Werkzeugbeschichtungen, die Modifikation der Substratbestandteile sowie der Anpassung von Mikro- und Makrogeometrien realisiert wird. Seit den 1980er Jahren wurde die Abrasivverschleiß-, Adhäsivverschleiß- und Temperaturbeständigkeit von Hartmetallwerkzeugen in Verbindung mit Hartstoffschichten signifikant erhöht. Erzielt wurden diese Fortschritte durch eine kontinuierliche Verbesserung der Substratzusammensetzung, der Herstellung sowie der Vor- und Nachbehandlungen der Werkzeuge und die zunehmenden Erkenntnisse bezüglich des Hartstoffschichtabscheidungsprozesses. Die Kombination zäher Hartmetallsubstrate mit hochverschleißfesten Hartstoffschichten führt zu einer enormen Steigerung der anwendbaren Prozessparameter und der Werkzeugstandzeiten, da die Beschichtung den Werkzeugverschleiß durch adhäsive, abrasive, thermische und chemische Schutzwirkung vermindert [4].

    Aktuelle Forschungsinhalte im Bereich der Hartzerspanung sind z. B. das Aufbringen von nanocomposite-Hartstoffschichten auf cBN-Wendeschneidplatten zur Erhöhung des Widerstandes gegen abrasive und adhäsive Verschleißwirkungen sowie spontanen Schneidkantenausbruch. Auch die Auswahl geeigneter Mikrogeometrien, Hartstoffschichten, Schneidstoffen sowie Zerspanparametern und der Einfluss auf die jeweilige Hartbearbeitungsaufgabe werden untersucht [7, 8, 9, 10]. Die Zerspanung von gehärteten pulvermetallurgischen Schnellarbeitsstählen mit einer Härte von über 60 HRC befindet sich derzeit noch in der experimentellen Entwicklungsstufe [11].

    Zerspanung von Warmarbeitsstählen

    Gehärtete Warmarbeitsstähle werden im Bereich des Werkzeug-, Gesenk- und Formenbaus verwendet. Aufgrund der Legierungselemente Chrom, Molybdän, Vanadium bzw. Nickel weisen diese eine hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen auf. Typische Einsatzhärten von Warmarbeitsstählen liegen zwischen 36 HRC und 60 HRC. Wissenschaftliche Untersuchungen des Verschleißverhaltens nanocomposite-beschichteter PcBN-Wendeschneidplatten bei der Zerspanung von gehärtetem Warmarbeitsstahl 1.2344 zeigten, im Vergleich zu unbeschichteten PcBN-Werkzeugen, ein verringertes Kolkwachstum und eine Erhöhung der Standzeiten. Dies ist vermutlich auf die geringere Wärmeleitfähigkeit der Schichten und der daraus resultierenden Verringerung der Werkzeugtemperatur im Bereich der Spanfläche zurückzuführen[7].

    HiPIMS-Hartstoffbeschichtungen und Anwendung in der Zerspanung

    Die HiPIMS-Abscheidung stellt eine aktuelle Entwicklung in der Physical Vapour Deposition (engl. PVD, physikalische Gasabscheidung) dar [12]. Hierbei wird ein gepulster Verlauf der Strom-Spannungskennlinie mit Leistungspulsen im MW-Bereich verwendet, wodurch auf dem Target Leistungsdichten von bis zu einigen kW/cm² (DCMS: 20 bis 50 W/cm²) entstehen können. Aufgrund der hohen thermischen Belastung des Targets infolge der hohen Leistungsdichte liegt die Pulsdauer im Bereich von wenigen Prozent. Die hochenergetischen Pulse führen zu einer erhöhten Elektronendichte im Targetbereich und somit zu einer gesteigerten Kollisionswahrscheinlichkeit zwischen Elektronen und Targetatomen. Dies führt zu den, für das HiPIMS-Verfahren typischen, hohen Ionisierungsgraden des gesputterten Targetmaterials von bis zu 90 %. Der Vorteil, der mit dem erhöhten Anteil an gesputterten Targetionen einhergeht, ist die Möglichkeit der Beschleunigung bzw. Ablenkung der Ionen durch eine negative BIAS-Spannung am Substrat, die zu einer erhöhten kinetischen Energie und gesteigerten freien Weglänge führt und die Möglichkeit eröffnet, abgeschattete Bereiche zu beschichten. Die gesteigerte kinetische Energie der Schichtionen/-atome resultiert in einer gesteigerten Oberflächenmobilität der Schichtatome, wodurch das kolumnare Wachstum unterbunden werden kann, was zu höheren Dichten und gesteigerten Schichteigenschaften, wie einer besseren Schichthaftung und höheren Härte, führt. Mit diesen Vorteilen sind HiPIMS-Hartstoffschichten prädestiniert für die Anwendung in der Zerspantechnik [13, 14].

    Beim Drehen von gehärtetem Schnell-arbeitsstahl (HSS: high speed steel) (62 HRC) wiesen HiPIMS-beschichtete Werkzeuge einen höheren Freiflächenverschleißwiderstand im Vergleich zu markttypischen DCMS-beschichteten Werkzeugen auf [15]. Die Einbringung von chromreichen Zwischenschichten zeigten positive Effekte auf die Werkzeuglebensdauer bei der Zerspanung von Stahl 1.7225 durch eine erhöhte Schichthaftung der HiPIMS-Hartstoffschichten [16]. Drehexperimente mit gehärtetem Warmarbeitsstahl 1.2344 (54 HRC) zeigten Probleme mit der Schichthaftung von HiPIMS-Schichten, wodurch das Schnittvolumen im Vergleich zu DCMS-beschichteten Werkzeugen 37 % geringer war [17].

    Experimentelle Vorgehensweise

    Ziel der vorgestellten Untersuchungen war die Überprüfung der Leistungsfähigkeit von ARC- und HiPIMS-Titanaluminiumnitrid (TiAlN)-Hartstoffschichten. In diesem Rahmen wurde zunächst eine Eingangsuntersuchung hinsichtlich Schichthaftung (Ritztest) und Verschleißwiderstand der einzelnen Spezifikationen gegen Abrasion (Kalottenschliff), Adhäsion (Zylinder-Platte-Tribometer) und Oberflächenzerrüttung (Impact-Test) vorgenommen. Anschließende Zerspanuntersuchungen mittels Außen-Längs-Runddrehen gaben Aufschluss über das Verschleißverhalten der beschichteten Werkzeuge im Zerspanprozess. Verwendet wurden Wendeschneidplatten aus Feinstkornhartmetall mit 6 Gew. % Kobalt und der ISO Geometrie 120408. Als Versuchswerkstoff diente ein auf 54 HRC gehärteter Warmarbeitsstahl (1.2344). Kolkbreite und -tiefe, ermittelt mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie und digitaler Streifenlichtprojektion (Abb. 1), dienten als Verschleißkenngrößen. Zudem wurden die Zerspankräfte während der Drehexperimente messtechnisch erfasst.

    Ergebnisse Schichtanalyse

    Die Analyse der Kryobrüche der ARC- und HiPIMS-Schichten zeigte Gemeinsamkeiten hinsichtlich der Schichtstruktur (Abb. 2). So wiesen die Schichten beider Verfahren eine hohe Dichte und geringe Kolumnenbreite auf. Ursächlich hierfür sind die, für beide Beschichtungsprozesse typischen, hohen Ionisierungsgrade und die hohe kinetische Energie der schichtbildenden Atome und Ionen, welche zu einer größeren Oberflächenmobilität dieser führen. Das Bruchbild zeigte zudem ein vorrangig transkolumnares bzw. transkristallines Bruchverhalten, was auf eine sehr gute Anbindung der Kolumnen untereinander und geringe Porosität zwischen den Kolumnen schließen lässt. Die gemessenen Schichtdicken lagen im Bereich von ca. 2,5 µm (HiPIMS) bzw. 2,8 µm (ARC). Typisch für ARC-Beschichtungen ist die hohe Dropletdichte auf der Schichtoberfläche (Abb. 2). Die taktile Vermessung der Oberflächen zeigte geringe Unterschiede, die sich im Rahmen der Standardabweichung befanden (HiPIMS: Rz = 1,27 ± 0,10 µm; ARC: Rz = 1,33 ± 0,06 µm). Die gemessenen Rauheiten lagen in etwa im Bereich der Schleifrauheit des Hartmetallsubstrates (Rz = 1,41 ± 0,19 µm) (Abb. 3). Aufgrund der Rauheit sowie der geringen Schichtdicken führt die Messung der Schichthärte zu größeren Fehlern und wurde im Rahmen dieser Untersuchungen nicht berücksichtigt.

    Ergebnisse Modellverschleißuntersuchungen

    Der Adhäsionsverschleißwiderstand der Schichttypen wurde mit einem Zylinder-Platte-Tribometer (IWF-Eigenentwicklung) ermittelt. Die Umfangsfläche einer rotierenden Scheibe aus gehärtetem Vergütungsstahl 1.7225 (53 HRC) drückte unter einwirkender Normalkraft auf das beschichtete Werkzeug. So betrug der Reibkoeffizient bei ARC-Schichten µG = 0,21 und bei HiPIMS-Schichten µG = 0,25 (Abb. 4). Der geringere Reibkoeffizient der ARC-Schichten deutet auf eine höhere Schichthärte hin. Beide Schichttypen wiesen einen ähnlichen Adhäsionsverschleißwiderstand auf, womit die Adhäsionsneigung jeweils geringer ist, als bei einem unbeschichteten Werkzeug.

    Die Überprüfung der Schichthaftung nach DIN 1071-3 wurde mit einem Ritzprüfgerät CSM-Revestester des Herstellers CSM Instruments SA ermittelt. Dabei wurde ein Ritzdiamant mit Kegelwinkel α = 120 ° und Prüflasten von 0 N bis 200 N eingesetzt. Bedingt durch die beim Ritztest signifikant höheren kritischen Normal- und Tangentialkräfte der Versagensfälle LC1 (Risse in der Schichtoberfläche), LC2 (Schichtablösung) und LC3 (Totalversagen), war die Schichthaftung der HiPIMS-Schichten höher, als die der ARC-Schichten (Abb. 4). Die prozessbedingten, auf der Oberfläche der ARC-Schicht häufig vorkommenden, strukturellen Fehler (Droplets), könnten eine Ursache für die Haftfestigkeitsdefizite sein.

    Um den Widerstand gegen den Verschleißmechanismus Oberflächenzerrüttung zu bewerten, wurden die Schichttypen im Impact-Tester, entwickelt am IWF, untersucht. Eine mit Piezoaktorik betriebene Diamantspitze belastete die zu untersuchenden Schichten mit einer Normalkraft von FN = 80 N bei einer Impactfrequenz von f = 100 Hz. Der Verschleißmechanismus Abrasion wurde mit dem Kalottenschliffverfahren untersucht. Unter Zugabe eines Abrasivmittels (Suspension aus Diamantkörnern und Alkohol) rotierte eine gehärtete Stahlkugel auf der Oberfläche der beschichteten Werkzeuge. Beide Prüfeinrichtungen erzeugten kreisförmige Beschädigungen, die anschließend mit einem Lichtmikroskop vermessen wurden und die Verschleißwiderstände so qualitativ ermittelt werden konnten. Der Widerstand gegen Oberflächenzerrüttung der ARC-Schichten ist im Vergleich zu den HiPIMS-Schichten größer (Abb. 4). Dies wurde anhand der Schadensbilder ermittelt (HiPIMS: ds = 134 µm; ARC: ds = 102 µm). Der Widerstand der untersuchten Schichtspezifikationen gegen Abrasionsverschleiß unterscheidet sich nur geringfügig (Abb. 4). Die eingebrachten Schadensdurchmesser in die Oberflächen der beschichteten Proben unterschieden sich im Mikrometerbereich (ARC: ds = 213 µm; HiPIMS: ds = 218 µm).

    Ergebnisse Zerspanuntersuchungen

    Die Ergebnisse der Zerspanuntersuchungen sind in Abb. 5 dargestellt. Bei Erreichen eines Zerspanvolumens von VW = 18,8 cm³ sind die am ARC-Werkzeug gemessenen, mittleren Kolktiefen KT um 103 % und Kolkbreiten KB um 68 % größer, als beim HiPIMS-Werkzeug. Auffallend sind die bei der Kolkbreite KB ermittelten Streuungen. Die HiPIMS-Werkzeuge erreichten ein im Mittel um 22 % höheres Zerspanvolumen, verglichen mit den ARC-beschichteten Wendeschneidplatten. Um das Prozessverhalten der beschichteten Werkzeuge weitergehend bewerten zu können, sind in Abb. 5 die gemessenen Kräfte im Zerspanprozess für beide Werkzeugspezifikationen dargestellt. Zu Beginn des jeweiligen Versuchs liegen die Zerspankräfte beider Schichttypen bei FZS = 485 N. Diese stiegen mit zunehmenden Zerspanvolumen (bis VW = 20 cm³) an. Hier sind bereits Unterschiede der gemessenen Zerspankräfte festzustellen (ARC: FZA = 550 N; HiPIMS: FZH = 527 N). Im weiteren Verlauf kommt es zu einem verstärkten Anstieg der Zerspankraft beim ARC-beschichteten Werkzeug, während die Kraftzunahme beim HiPIMS-Werkzeug bis zum Standzeitende nahezu linear verläuft. Verglichen zum Startzeitpunkt erhöhte sich die Zerspankraft beim ARC-Werkzeug um 113 % auf FZA = 1036 N, während sich die Zerspankraft beim HiPIMS-Werkzeug um 40 % auf FZH = 683 N erhöhte. Begründet ist dies durch die frühzeitig einsetzende Kolkverschleißausbildung auf der Spanfläche des ARC-Werkzeugs.

    Fazit und Ausblick

    Im Rahmen der Untersuchungen wurden die tribologischen Eigenschaften der sich im Abscheideverfahren unterscheidenden TiAlN-Schichten durch diverse Modellverschleißtests und Zerspanprozesse ermittelt. Die HiPIMS-Werkzeuge zeichneten sich durch eine höhere Schichthaftung aus. Die ARC-Schichten wiesen einen höheren Widerstand gegen Adhäsions- und Abrasionsverschleiß auf und boten ebenfalls einen hohen Widerstand gegen Oberflächenzerrüttung. Durch den im Vergleich zu den HiPIMS-Werkzeugen vorzeitig einsetzenden Kolkverschleiß erreichten die ARC-Werkzeuge geringere mittlere Zerspanvolumina bei einer maximalen Kolkbreite von KBMAX = 0,3 mm. Dies wurde zudem durch die gemessenen Zerspankräfte bestätigt. Ergebnisse aus der Forschung zeigten bereits, dass HiPIMS-Hartstoffschichten in bestimmten Anwendungsbereichen vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Durch die Ermittlung geeigneter Beschichtungsparameter bzw. idealer Schichtzusammensetzungen für den jeweiligen Anwendungsfall ist das Potenzial für die Zerspantechnik deutlich erkennbar. Mit der Ausschöpfung dieses Potenzials könnten Leistungssteigerungen in der Hart- und Weichzerspanung im Vergleich zu den heute üblichen Schichttypen ermöglicht werden. Die Wirtschaftlichkeit des Zerspanprozesses muss hierbei berücksichtigt werden.

    Quellen

    [1]
    Denkena, B.; Tönshoff, H.K.: Spanen - Grundlagen, Springer-Verlag, 3. Auflage, 2011, Heidelberg, S. 221 - 233.
    [2]
    Ackerschott, G.: Grundlagen der Zerspanung einsatzgehärteter Stähle mit geometrisch bestimmter Schneide; Dissertation, RWTH Aachen, 1989.
    [3]
    Koch, K. F.:Technologie des Hochpräzisions-Hartdrehens, Dissertation, RWTH Aachen, 1996.
    [4]
    Uhlmann, E.; Schröer, N.; Wunder (geb. Miltschus), F.: Innovative keramische Werkzeuge für die spanende Bearbeitung von CFK. ZWF 4/2014, S. 247 - 249, Berlin, 2014.
    [5]
    Peravaiz, S.: Influence of Tool Materials on Machinability of Titanium- and Nickel-Based Alloys: A Review. Materials and Manufacturing Processes 29 (2014), S. 219 - 252
    [6]
    Ehrlenspiel, K.; Kiewert, A.; Lindemann, A.: Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren. Kostenmanagement bei der integrierten Produktentwicklung, Heidelberg, 2007, S. 301.
    [7]
    Uhlmann, E.; Oyanedel Fuentes, J.A.; Gerstenberger, R.: nc-AlTiN/a-Si3N4 and nc- AlCrN/a-Si3N4 nanocomposite coatings as protection layer for PCBN tools in hard achining. Surface & Coatings Technology 237 (2013), S. 142 - 148.
    [8]
    Uhlmann, E.; Richarz, S.; Mihotovic, V.: Oberflächenvorbehandlung und Kantenpräparation an Hartmetallwerkzeugen. Wt Werkstatttechnik online 99 (2009), S. 17 - 24.
    [9]
    Fulemova, J.; Janda, Z.: Influence of the Cutting Edge Radius and the Cutting Edge Preparation on Tool Life and Cutting Forces at Inserts with Wiper. Procedia Engineering 69 (2014), S. 565 - 573.
    [10]
    Sahoo, A. K.; Sahoo, B.: Performance studies of multilayer hard surface coatings (TiN/TiCN/Al2O3/TiN) of indexable carbide inserts in hard machining: Part-I (An experimental approach). Measurement 46 (2013), S. 2854 - 2867.
    [11]
    Uhlmann, E.; Richarz, S.; Mihotovic, V.: Hartfräsen von PM-Schnellarbeitsstahl. VDI-Z II- 2011, S. 22 - 25.
    [12]
    Kounetsov, V.; Macak, K.; Schneider, J.: A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities. Surface and Coatings Technology 122 (1999), S. 290 - 293.
    [13]
    Bandorf, R.; Vergöhl, M.; Werner, O.: HiPIMS – Technologie und Anwendungsfelder. Vakuum in Forschung und Praxis 21 (2009) Nr. 1, Braunschweig, S. 32 - 38
    [14]
    Bobzin, K.; Bagcivan, B.; Ewering, M.: Hartstoffschichten der Zukunft. Vakuum in Forschung und Praxis 22 (2010) Nr. 6, Aachen, S. 31 - 35.
    [15]
    Bobzin, K., Bagcivan, B.; Immich, P.; Bolz, S.; Fuß, H.; Cremer, R.: Properties of (Ti,Al,Si) N Coatings for High Demanding Metal Cutting Applications Deposited by HPPMS in an Industrial Coating Unit, Plasma Process. Polym. (2009) 6, Aachen, S. 124 - 128.
    [16]
    Bouzakis, K. D.; Skordaris, G.; Gerardis, S.; Katirzoglou, G.; Makrimallakis, S.; Pappa, M.; Bolz, S.; Koelker, W.: The effect of substrate pretreatments and HPPMS-deposited adhesive interlayers’ materials on the cutting performance of coated cemented carbide inserts. CIRP Annals - Manufacturing Technology 59 (2010), S. 73 - 76.
    [17]
    Uhlmann, E.; Stawiszynski, B.; Leyens, C.; Heinze, S.: HiPIMS coated carbides with high adhesive strength for hard machining. 11th International Conference on High Speed Machining 2014, Prag, 11. - 12. September 2014.

    Suche nach Schlüsselbegriffen im Bereich Werkzeug Anwendungen