Advanced TiAlTaN hard coatings for cutting tools

Titel in Übersetzung: Hochentwickelte TiAlTaN Hartstoffschichten für Zerspanungswerkzeuge

Birgit Großmann

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Trotz der vielen modernen alternativen Bearbeitungsprozesse ist das Zerspanen immer noch eines der wichtigsten formgebenden Verfahren. Die Forderung der Industrie nach immer schnelleren Schneidgeschwindigkeiten, um dadurch einen höheren Durchsatz zu erzielen, führt zu einer höheren thermischen Belastung an der Schneidkante. Harte Schutzschichten von nur einigen Mikrometern Dicke auf dem Schneidwerkzeug können zu deutlich besserer Schneidleistung und längerer Lebensdauer des Werkzeugs beitragen; Arbeitstemperaturen von 1000 °C und mehr stellen allerdings hohe Ansprüche auch an das Schichtmaterial; es kommt zu Oxidation und Materialerweichung. Aus diesem Grund ist die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit sowie der thermischen Stabilität ein wichtiges Ziel. Ti1-xAlxN ist ein Benchmark Schichtmaterial, da es gute Oxidations- und Verschleißbeständigkeit bietet. Im Falle der Oxidation bildet sich eine poröse TiO2-reiche Schicht, sowie eine dichte Al2O3 reiche Deckschicht, die einerseits als Schutzschicht gegen weitere Oxidation, andererseits aufgrund ihrer Härte als Verschleißschutzschicht wirkt. Bei erhöhten Temperaturen führt die spinodale Entmischung des metastabilen Ti1-xAlxN zu Ausscheidungshärtung, die daraus resultierende Härtesteigerung lässt Spitzenleistungen des Schneidwerkzeuges zu. Ab etwa 900 °C kommt es allerdings zur Phasenumwandlung und damit zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, zu verstärkter Oxidation, zu hohem Verschleiß und schließlich zum Bauteilversagen. Die Zugabe von Ta zu Ti1-xAlxN-Schichten ist ein vielversprechender Ansatz, um die Performance der Schichten bei erhöhten Temperaturverhältnissen zu verbessern. Ta ist bekannt für seinen hohen Schmelzpunkt, der eine hohe Härte und thermische Stabilität zur Folge hat. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurde gezeigt, dass ein Anstieg des Ta Gehaltes in Ti1-x-yAlxTayN Schichten die metastabile Ti1-xAlxN Phase bis zu höheren Temperaturen stabilisieren kann, was zu verbesserter thermischer Stabilität sowie ausgezeichneten Härtewerten bis zu ≥1000 °C führt. Die Oxidationsbeständigkeit wurde maßgeblich verbessert, da die Ta Atome die ansonsten poröse TiO2-reiche Schicht verdichten, was geringere Diffusion der Oxidationsprodukte zur Folge hat. Zusätzlich fördert Ta die Bildung gleitfähiger Oxide, was zu einer Minderung des Reibungskoeffizienten führt. Wird der Ta Gehalt in der Ti1-x-yAlxTayN Schicht zu hoch, steigt der Reibungskoeffizient wiederum an. Zusammenfassend kann die Aussage getroffen werden, dass sich die Zugabe von Ta in Ti1-x-yAlxTayN Schichten bis zu einem Gehalt von y~0.08 positiv auf die Eigenschaften auswirkt; allerdings bewirken bereits sehr geringe Mengen (y≥0.01) eine deutliche Verbesserung sowohl der thermischen Stabilität als auch der Oxidationsbeständigkeit.
Titel in ÜbersetzungHochentwickelte TiAlTaN Hartstoffschichten für Zerspanungswerkzeuge
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schneider, Jochen, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Mitterer, Christian, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Verschleißschutzschichten
  • TiAlN
  • TiAlTaN
  • Oxidschichten
  • Tribologie
  • Thermische Stabilität
  • Zerspanungswerkzeug

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