Kategorien

Nanohärteprüfung bei Schichten

2018-07-21T15:02:55

Die steigenden Anforderungen moderner Schneidwerkzeuge müssen durch eine kontinuierliche Optimierung von Eigenschaften wie Härte, Elastizitätsmodul (E-Modul), Fließgrenze, Schichthaftfestigkeit, innere Spannungen, Reibwerte, Abrasionsbeständigkeit erfüllt werden. Dazu kommen neuartige Prüfgeräte zur Charakterisierung dieser Eigenschaften, wie Nanohärte-Prüfgeräte, Ritztester und Tribometer zum Einsatz (Abb. 1), da sie zum Verständnis der mechanischen Oberflächeneigenschaften als Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Gesamtwerkzeugs notwendig sind. Eine optimale Schneidwerkzeugbeschichtung muss auf den Einsatzzweck optimierte Werkstoffe und deren strukturellen Aufbau so integrieren, dass elasto-plastische Verformungen auf den oberflächennahen Teil der Schicht begrenzt bleiben.

Abb. 1: Kombiniertes Gerät für Nanohärte- und Ritzprüfung mit Videomikroskop (Quelle: Anton Paar)

Abb. 2: Instrumentierte Eindringhärteprüfung (Nanohärte), Ritzprüfung (Scratch Test) und Tribologie zur Charakterisierung von beschichteten Scheidwerkzeugen

 

Der erste Schritt zur Optimierung eines solchen Systems ist die Bestimmung der Härte und des E-Moduls von Schicht(en) und Werkzeugwerkstoff mittels Nanohärtemessung. Diese Eingangswerte werden bei der Parametrierung der Ritzprüfung berücksichtigt, um praxisgerechte Belastungsprofile beim Ritzen zu generieren. Ergänzend erlauben Tribometermessungen den Reibwert und Verschleißkoeffizienten zu ermitteln, um daraus Rückschlüsse auf die Werkzeugstandzeit zu ziehen (Abb. 2).

Im ersten Schritt werden mittels Nanoindentation mit hoher Genauigkeit die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von Schichtsystem und Grundwerkstoff ermittelt. Mittels analytischer Simulation werden die mehrachsigen Spannungszustände auf eine einachsige Vergleichsspannung (Von-Mises; Abb. 3) errechnet, um die Ritztestparameter optimal mit der realen Beanspruchung zu korrelieren. Anschließend wird die Ritzprüfung zur Bestimmung der Schichthaftfestigkeit mit optimierter Prüfkörpergeometrie und Prüflast durchgeführt. In einer zweiteb, aufwendigeren Simulation unter Berücksichtigung der Ritzprüfergebnisse werden wobei Ritzgeschwindigkeit, Rauheit und Eindringtiefen mitberücksichtigt. Zum besseren Verständnis können auch zwei- oder dreidimensional animierte Videosequenzen der Spannungsentwicklung generiert werden (Abb. 4). Damit kann der Einfluss von Variationen mechanischer Eigenschaften zur Optimierung des Schicht-Substrat-Verbunds simuliert werden (Abb. 5).

Abb. 3: Zweidimensionale Darstellung der Von-Mises-Spannungsverteilung unter einem sphärischen Prüfkörper (hälftige Darstellung)

Abb. 4: Dreidimensionale, animierte Videosequenz

Abb. 5: Charakterisierung mechanischer Eigenschaften und Optimierung von Oberflächen (Ablauf)

 

Die Nanohärte ist ein Ergebnis eines Experiments der instrumentierten Eindringprüfung (Abb. 6) zur Ermittlung lokal eng begrenzt mechanische Werkstoffeigenschaften. Die Technologie eignet sich für Festkörper sowie für Schichten. Wichtigste Messergebnisse sind die Eindringhärte (HIT) und der Eindringmodul (EIT). Bei der instrumentierten Eindringprüfung wird über einen Be- und Entlastungsvorgang mittels eines Prüfkörpers in einen Werkstoff Last und Eindringtiefe kontinuierlich gemessen. Die erhaltenen elasto-plastischen Eigenschaften mit der Eindringhärte HIT als Kenngröße beschreiben den Verformungswiderstand bzw. die bleibende Beschädigung der Oberfläche.

Abb. 6: Prinzip der Eindringprüfung

Abb. 7: Eindringkurve (Last über Eindringhärte)

 

Während der Eindringprüfung werden Prüflast und Eindringtiefe des Prüfkörpers über ein Messdatenerfassungssystem über den gesamten Be- und Entlastungszeitraum kontinuierlich erfasst. Ergebnis ist die Last-Eindringtiefe-Kurve (Abb. 7). Das am meisten verbreitete Modell zur Berechnung des E-Moduls und der Härte wurde von Oliver und Pharr im Jahre 1992 entwickelt. Die Härte HIT wird als Quotient aus maximaler Prüflast Fmax und projizierter Kontaktfläche AP ermittelt. Die Kennwerte sind in Qualitätsnormen beschrieben: 

  • ISO 14577: Metallische Werkstoffe - Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter 
  • ASTM E2546: New standard practice for instrumented indentation testing

Quelle: Anton-Paar, Ostfildern