Triboaktive Beschichtungen aus CrAlVN und CrAlMoN für den Einsatz in der Drehbearbeitung von TiAl6V4

Stachowski, Nina Isabell Inge; Bobzin, Kirsten; Hintze, Wolfgang

doi:44072

Triboaktive Beschichtungen aus CrAlVN und CrAlMoN für den Einsatz in der Drehbearbeitung von TiAl6V4 = Triboactive coatings consisting of CrAlVN and CrAlMoN for application in turning of TiAl6V4

Stachowski, Nina Isabell Inge^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeNina Isabell Inge Stachowski

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9796-2

ReiheSchriftenreihe Oberflächentechnik ; 82

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bobzin, Kirsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Hintze, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-02745
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1006821/files/1006821.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Oberflächentechnik im Maschinenbau (419010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zerspanung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Titanlegierung TiAl6V4 ermöglicht im Einsatz eine erhebliche Leistungssteigerung in diversen Industriezweigen. Die spanende Bearbeitung dieser Legierung stellt jedoch aufgrund ihrer Eigenschaften eine erhebliche Herausforderung dar. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von λ = 5,8 W/mK und der niedrige E-Modul von 110 GPa ≤ E ≤ 140 GPa führen in Verbindung mit der hohen Streckgrenze Rp0,2 = 870 N/mm2 zu hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen sowie selbsterregten Schwingungen an der Werkzeugschneide. Infolge dieser hohen Belastungen treten schnell fortschreitender Werkzeugverschleiß und ein frühzeitiges Werkzeugversagen auf. Derzeit werden für das Drehen von TiAl6V4 in der Regel unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge verwendet. Triboaktive Beschichtungen, hergestellt mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. Physical Vapour Deposition, PVD), wie CrAlN+X (X = V, Mo), stellen jedoch einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Zerspanleistung dar. Zu diesem Zweck ist es entscheidend, dass die Beschichtung die Fähigkeit besitzt, schmierende Oxidphasen zu bilden. Selbstschmierende Oxidphasen bilden sich unter tribologischer Belastung, z. B. bei Zerspanungsprozessen, durch die Oxidation bestimmter Übergangsmetalle wie V oder Mo. Diese Oxidphasen tragen zu einer Verringerung der thermischen und mechanischen Belastungen im Kontakt zwischen Schneide und Werkstück bei. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit die Schichtsysteme CrAlVN sowie CrAlMoN hinsichtlich ihres Potentials zur Bildung selbstschmierender Oxidphasen untersucht. Dies geschah zum einen in Modellversuchen mittels Pin-on-Disc-Tribometer, zum anderen in der Drehbearbeitung von TiAl6V4. Es konnte für beide Schichtsysteme die Bildung selbstschmierender Oxidphasen nachgewiesen werden. Im Falle von CrAlMoN trat diese Bildung bereits bei geringeren Kontakttemperaturen auf, was für die Zerspanung von TiAl6V4 vorteilhaft ist. Auf Basis eines CrAlMoN-Prozesses wurde darüber hinaus die Auswirkung einer prozessseitigen Anpassung zur Erhöhung des Anteils des Hochleistungsimpuls Magnetron Sputtern auf das Einsatzverhalten in der Zerspanung von TiAl6V4 untersucht. Hierbei konnten Potentiale zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit der CrAlMoN-Schichten identifiziert werden, die zukünftig zu einer Leistungssteigerung in der Zerspanung von TiAl6V4 beitragen können.

The titanium alloy TiAl6V4 enables a considerable increase of performance in various branches of industry. However, machining this alloy poses a significant challenge due to its properties. The low thermal conductivity of λ = 5.8 W/mK and the low elastic modulus of 110 GPa ≤ E ≤ 140 GPa in conjunction with the high yield strength Rp0.2 = 870 N/mm2 lead to high temperatures, mechanical loads and self-excited vibrations on the tool cutting edge. As a result of these high loads, rapidly progressive tool wear and premature tool failure occur. Nowadays, uncoated carbide tools are generally used for turning TiAl6V4. However, triboactive physical vapour deposition (PVD) coatings such as CrAlN+X (X = V, Mo) represent a promising approach to increase cutting performance. For this purpose, the ability of the coating to form lubricating oxide phases is crucial. Self-lubricating oxide phases are formed under tribological stress, e.g. during machining processes, through the oxidation of certain transition metals such as V or M. These oxide phases contribute to a reduction in thermal and mechanical stresses in the contact between the cutting edge and the workpiece. In this context, the coating systems CrAlVN and CrAlMoN were investigated with regard to their potential for the formation of self-lubricating oxide phases. This was done on the one hand in model tests using a pin-on-disc tribometer and on the other hand in the turning of TiAl6V4. The formation of self-lubricating oxide phases was demonstrated for both coating systems. In the case of CrAlMoN, however, this formation already occurred at lower contact temperatures, which is advantageous for the machining of TiAl6V4. Based on a CrAlMoN process, the effect of a process adjustment to increase the proportion of High Power Pulsed Magnetronsputtering on the application behaviour in the machining of TiAl6V4 was also investigated. Potentials for increasing the wear resistance of the CrAlMoN coatings were identified, which could contribute to an increase in performance in the machining of TiAl6V4 in the future.

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