Beschichtungsoptimierung für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit modernen nanomechanischen Testmethoden

Nach B.D. Beake¹, G.S. Fox-Rabinovich², S.C. Veldhuis², S.R. Goodes¹, Micro Materials Ltd. UK¹, Mc Master University, Canada²

Dieser Artikel beschreibt wie moderne nanomechanische Testmethoden verwendet wurden, um Schlüsselfaktoren bei der Lebenszeit von Werkzeugen zu analysieren.
Unter anderem wurden getestet:

1) Plastizitätsindex bei Raum- und erhöhter Temperatur
2) Hochtemperatur-Eindruck
3) Schwingbruch-Widerstand

Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass eine erhöhte Temperatur zu abnehmender Härte und ansteigendem Plastizitätsindex führte. Beim Hochgeschwindigkeitsdrehen ist Warmhärte der dominierende Faktor, während hohe Warmhärte beim unterbrochenen Schneiden mit verbesserter Plastizität verbunden werden sollte, um die Lebenszeit des Werkzeugs zu verlängern. Nano-impact, eine völlig neuartige, von Micro Materials Ltd. patentierte Testmethode, wurde zur Simulation des unterbrochenen Kontaktes verwendet.

Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen wurden mittels Nanoindentation bis 25 - 60 mN bei 20 bis 500 °C ermittelt. Aus einer Kombination von Nanoindentationsmessungen und Schneidewerkzeugtests auf 3 µm dicken PVD-Beschichtungen auf WC-Co-Substraten, konnten die Autoren einen Zusammenhang zwischen dem Plastizitätsindex und der Werkzeuglebenszeit zeigen. Des Weiteren zeigten die Daten ein temperaturabhängiges mechanisches Verhalten, dass in Zusammenhang mit der Werkzeuglebenszeit steht.

Nano-impact wurde verwendet um den unterbrochenen Kontakt (und das zyklische Beladen), der in Fräsvorgängen vorkommt zu simulieren und den Schwingbruch-Widerstand beschichteter Werkzeuge zu analysieren.

Die Tests bei Raum- und erhöhter Temperatur zeigten bei Stirn- und Planfräsen einen Zusammenhang mit der Werkzeuglebenszeit.

Die Autoren schließen daraus, dass „die Ergebnisse der verschiedenen modernen nanomechanischen Tests überzeugende Daten liefern können, die in Beziehung zur Lebenszeit des Werkzeugs stehen. Sorgfältig ausgeführt können diese Testmethoden dabei helfen, verlässliche Voraussagen darüber zu treffen, welche Beschichtungen unter stark beanspruchenden Schneidebedingungen eine längere Lebenszeit haben.“ Nanoindentationen bei erhöhten Temperaturen werden bei exzellenter Systemstabilität durchgeführt, da sowohl der Indenter als auch die Probe aufgeheizt werden, um jeglichen Wärmefluss zu vermeiden. Durch die Kombination dieser beiden einzigartigen Methoden können nun Nano-impact-Tests bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden.

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