Deformation and fracture mechanics of compounds with nitride hard coatings for tooling applications

Tayyab, Muhammad; Bobzin, Kirsten; Broeckmann, Christoph

doi:45179

Deformation and fracture mechanics of compounds with nitride hard coatings for tooling applications = Verformungs- und Bruchmechanik von Werkstoffverbunden mit nitridischen Hartstoffschichten für Werkzeuganwendungen

Tayyab, Muhammad^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeMuhammad Tayyab

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8191-0547-0

ReiheSchriftenreihe Oberflächentechnik ; 85

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

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

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bobzin, Kirsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03014
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1030430/files/1030430.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Oberflächentechnik im Maschinenbau (419010)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PVD (frei) ; crack growth (frei) ; deformation behavior (frei) ; fracture behavior (frei) ; hard coatings (frei) ; nanoindentation (frei) ; nitride coatings (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Funktionsfähigkeit der Werkzeuge ist für die Produktivitätssteigerung der Umform- und Zerspanungsprozesse entscheidend. Die Entwicklung hochfester Werkstückwerkstoffe führt zu einer Zunahme der Beanspruchungskollektive an den Werkzeugen. Um die Werkzeugschädigung durch Abrasion, Adhäsion, Oxidation und Diffusion zu vermindern, werden nitridische PVD-Hartstoffschichten eingesetzt. Zur Vermeidung von Werkzeugversagen infolge plastischer Verformung und Rissbildung muss der Verbund aus Beschichtung und Substratwerkstoff den mechanischen oder thermomechanischen Beanspruchungen standhalten. Hierzu sind wissensbasierte Schichtkonzepte zur Erhöhung der Funktionsfähigkeit PVD-beschichteter Werkzeuge erforderlich. Diese Dissertation fokussiert sich daher auf grundlegende Untersuchungen der Verformungs- und Bruchmechanik von Werkstoffverbunden unter Indentationsbeanspruchungen in Korrelation mit der Schichtdicke, dem Eigenspannungszustand oder der Schichtarchitektur. Die untersuchten Werkstoffverbunde sind CrAlN-beschichteter Schnellarbeitsstahl HS6-5-2C und TiAlCrSiN-beschichtetes Hartmetall (WC-Co). Das Verformungs-verhalten der Beschichtungen sowie der Werkstoffverbunde wurde mittels instrumentierter Eindringprüfungen charakterisiert. Die Deformationsmechanismen und das Risswachstum wurden mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie untersucht. Für CrAlN/HS6-5-2C reduziert eine Erhöhung der Schichtdicke von s ≈ 1,7 µm auf s ≈ 3,5 µm die plastische Verformung der Verbunde. Darüber hinaus erhöht eine Kombination von s ≈ 1,7 µm und moderaten Druckeigenspannungen σr ≈ (2 – 3) GPa die Ermüdungsfestigkeit der Verbunde unter zyklischer Stoßbelastung. Für TiAlCrSiN/WC-Co steigert eine Schichtdicke von s ≈ 3,6 µm im Vergleich zu s ≈ 2,0 µm den Widerstand gegen plastische Verformung und Rissbildung sowohl bei Raumtemperatur als auch bis T = 600 °C. Trotz der niedrigeren Rissbeständigkeit von TiAlCrSiON führt das zusätzliche Interface in der Bilayer TiAlCrSiN/TiAlCrSiON-Architektur zu einer vergleichbaren temperaturabhängigen Verformungsmechanik des Werkstoffverbundes analog zum Monolayer TiAlCrSiN. Die Zusammenhänge zwischen dem temperaturabhängigen Verformungsverhalten, den Deformationsmechanismen und dem Risswachstum werden unter anderem mittels Messdaten aus Eindringprüfungen erklärt. Weiterhin wird ein datengetriebener Ansatz zur Vorhersage des temperaturabhängigen Verformungsverhaltens und der Rissbildung an der Oberfläche mittels Algorithmen des maschinellen Lernens entwickelt.

The functional performance of tools plays an important role for productivity improvement of forming and cutting processes. With the development of high strength workpiece materials, the stress collectives on the tools are increasing. Nitride hard coatings, deposited with physical vapor deposition (PVD), can increase the damage resistance of tools against abrasion, adhesion, oxidation and diffusion. However, to avoid tool failure by plastic deformation and crack growth, the compound of coating and tool substrate material needs to withstand the mechanical or thermomechanical loads in challenging forming and cutting operations. For this purpose, knowledge-based coating designs to increase the functional capability of PVD coated tools are required. Hence, this dissertation focuses on fundamental investigation of deformation and fracture mechanics of compounds in correlation with the coating thickness, residual stress state or coating architecture under indentation loadings. The investigated compounds include CrAlN coated high-speed steel HS6-5-2C and TiAlCrSiN coated cemented carbide (WC-Co). Instrumented indentation testing is used to understand the deformation behavior of coatings as well as the compounds. Moreover, coating deformation and crack growth mechanisms under indentation loadings are studied with high resolution electron microscopy. For CrAlN/HS6-5-2C compounds, increasing the coating thickness from s ≈ 1.7 µm to s ≈ 3.5 µm reduces plastic deformation of compounds under indentation loading. Moreover, coupling of s ≈ 1.7 µm and moderate compressive residual stresses σr ≈ (2 – 3) GPa increases impact fatigue resistance of compounds. For monotonic indentation loading of the TiAlCrSiN/WC-Co compounds, higher coating thickness of s ≈ 3.6 µm compared to s ≈ 2.0 µm simultaneously increases the plastic deformation and crack resistance of compounds at room as well as at higher temperatures until T = 600 °C. Despite the lower crack resistance of oxynitride top layer, the additional interface in the bilayer TiAlCrSiN/TiAlCrSiON architecture leads to comparable temperature dependent compound deformation and surface crack resistance with the monolayer TiAlCrSiN architecture. The utilization of indentation test data is extended to understand the correlations between temperature dependent compound deformation behavior, mechanisms of coating deformation and the fracture mechanics. Moreover, a data driven modeling approach is developed to predict the temperature dependent compound deformation and surface cracking behavior by combining indentation test data with the coating characteristics using machine learning algorithms.

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