Eigenschaften und Verschleißmechanismen von TiAlN-basierten Beschichtungen in der Zerspanung

Die spanende Bearbeitung ist ein hochinteressantes Forschungsthema, da sie die Herstellung hochpräziser und qualitativ hochwertiger Teile für verschiedene Industriezweige ermöglicht. Ein Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Prozessverbesserung und dabei auch auf der Entwicklung und Anwendung von Werkzeugbeschichtungen für verschiedene spanende Bearbeitungsvorgänge. Diese Beschichtungen verbessern die Prozessproduktivität und die Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen. Zudem werden derzeit neue Beschichtungen für den Einsatz in zahlreichen spanenden Bearbeitungsanwendungen entwickelt. Aufgrund der erstaunlichen Verschleißfestigkeit und der hohen mechanischen Eigenschaften von TiAlN-Beschichtungen bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie ihrer guten thermischen Stabilität und Korrosionsbeständigkeit auch bei höheren Bearbeitungstemperaturen sind TiAlN-Beschichtungen in modernen Industrieanwendungen noch weit verbreitet. In diesem Aufsatz erörtern die Autoren umfassend die Verwendung von TiAlN-basierten Beschichtungen und stellen die neuesten Informationen zur Entwicklung dieser relevanten Beschichtungen strukturiert und übersichtlich dar.

Das Designprinzip von Werkzeugbeschichtungen besteht darin, ihre mechanischen Eigenschaften durch die Steuerung ihrer Zusammensetzung und Mikrostruktur entsprechend den gewünschten mechanischen Eigenschaften anzupassen, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Für unterschiedliche Anwendungsszenarien stehen verschiedene Beschichtungsdesigns zur Verfügung, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Verschiedene Probleme lassen sich durch die Wahl unterschiedlicher Beschichtungsstrukturen lösen. So kann beispielsweise der Einsatz von Mehrlagenbeschichtungen die Werkzeugleistung im Vergleich zu Einlagenbeschichtungen deutlich verbessern. So sind Mehrlagenbeschichtungen deutlich widerstandsfähiger gegen Risswachstum als Einlagenbeschichtungen. Darüber hinaus trägt die Erhöhung der Lagenanzahl auch zur Verbesserung von Eigenschaften wie der Oberflächenhärte des Werkzeugs bei. Abb. 2 zeigt das Oberflächenrissausbreitungsverhalten verschiedener Beschichtungsstrukturen.

Dieser Artikel befasst sich mit neuartigen Beschichtungen, stellt Beschichtungen aus verschiedenen Quellen und ihre Eigenschaften vor und zeigt die üblichen Verschleißmechanismen, anhand derer diese Beschichtungen beim Drehen und Fräsen verschiedener Legierungen (einschließlich Stahl, Titan und Nickelbasislegierungen) erkannt werden. Die Analyse dieser Verschleißmechanismen liefert äußerst wertvolle Informationen zur Verbesserung und Optimierung von Bearbeitungsprozessen. Bei der Bearbeitung bestimmter Legierungsarten mit einem speziell beschichteten Werkzeug lassen sich allgemeine Verschleißtrends erkennen. Das Verschleißverhalten der Werkzeugoberfläche wird üblicherweise mittels SEM bewertet. Wie in Abbildung 3 unten dargestellt, kann das Verschleißverhalten eines TiAlN-beschichteten Fräsers nach der Bearbeitung einer Inconel-Legierung beobachtet werden.

Der Forschungstrend zu TiAlN-basierten Beschichtungen konzentriert sich hauptsächlich auf die Modifizierung von TiAlN-basierten Beschichtungen durch Dotierung mit Elementen wie Ru, Mo und Ta, da diese ein großes Potenzial zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Verschleißfestigkeit bieten. Die Zugabe dieser Elemente beeinflusst auch die Schichtstruktur und verbessert so deren Lebensdauer. Abbildung 4 zeigt drei TiAlN-Beschichtungen mit unterschiedlichem Rutheniumgehalt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Struktur der Beschichtungen mit steigendem Rutheniumgehalt gleichmäßiger wird. Darüber hinaus bewertet dieser Artikel die mechanischen Eigenschaften all dieser Beschichtungen. Die TiAlN-basierte Beschichtung mit dem Rutheniumgehalt 7% weist die besten mechanischen Eigenschaften auf. Die Forschung zu diesen Dotierungselementen ist beliebt und bietet großes Potenzial zur Verbesserung der Leistung von Werkzeugbeschichtungen. Der Artikel bewertet die neuesten und gängigsten Dotierungselemente und beschreibt die gängigen Bewertungskriterien für die mechanischen Eigenschaften dieser Beschichtungen (bezogen auf ihr Verschleißverhalten), wie Härte, Zähigkeit, H/E-Verhältnis (Viskosität) und Reibungskoeffizient. Diese Werte werden auch zur Bewertung neuartiger Nanokomposite und nano-TiAlN-basierter Beschichtungen verwendet.

Ein weiterer wichtiger Trend in der TiAlN-Beschichtungsforschung ist die Entwicklung neuer Nanoschichten und Nanokomposit-Werkzeugbeschichtungen, da dünnere Beschichtungen die Anwendungsleistung bei der Zerspanung deutlich verbessern können. Diese Beschichtungen haben sich in verschiedenen Zerspanungsprozessen als wirksam erwiesen und verbessern die mechanischen Eigenschaften sowie die Struktur und Eigenschaften der Beschichtung, insbesondere das Verschleißverhalten. Bezüglich des Verschleißmechanismus der Beschichtung ergab die Studie, dass die Hauptverschleißmechanismen beim Fräsen adhäsiver und abrasiver Verschleiß sind. Der Einsatz von Nanobeschichtungen kann jedoch die adhäsiven Schäden an der Beschichtung verringern. Beschichtungen, die beim Drehen verwendet werden, weisen üblicherweise abrasiven Verschleiß und Abrasion auf, einige Beschichtungen weisen auch adhäsiven Verschleiß auf. Beim Fräsen verbessert der Einsatz von Nanoschichten und Nanokomposit-Beschichtungen die Schneidleistung und die Standzeit beschichteter Werkzeuge und übertrifft herkömmliche einschichtige TiAlN-basierte Beschichtungen. Die Härte und der Elastizitätsmodul der nanoschichtigen und nanokompositen TiAlN-basierten Beschichtungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.