Diffusionsbasierte Reibungsreduktion von Nanoverbundmaterial

Jüngste Erfolge in der Entwicklung von Werkzeugbeschichtungen, mittels nanostrukturierten dünnen Schichten mit außergewöhnlichen Eigenschaften wie etwa hoher thermischer Stabilität, machen es möglich die Werkzeuge mit hohen Geschwindigkeiten und verbesserter Laufzeit zu verwenden. Das Arbeiten mit Werkzeugen ohne Schmiermittel unter extremen Bedingungen wie etwa hohe Lasten, hohe Temperaturen oder aggressive oxidierende und korrosive Umgebungen, benötigt die Entwicklung von neuen Klassen von Materialien mit besseren Eigenschaften. Eine Möglichkeit um die Performance von Werkzeugen auf trockenlaufenden Maschinen zu verbessern, beruht auf der Beimengung von schmierfähigen Stoffen wie etwa Vanadium. Durch den Zusatz von Vanadium entstehen während der Verwendung sogenannte oxidische Magnéli-Phasen. Manche dieser Oxide bilden unter Druck oder erhöhten Temperaturen wiederum leicht gleitende Scherebenen. Dadurch kann die Reibung und der Verschleiß reduziert werden. Die Herausforderung bei der Verwendung solcher Stoffe, liegt in der kontrollierten Freisetzung dieser Schmierstoffe. Neue Ansätze haben die Aufgabe, eine zu schnelle Verarmung während der spontanen Diffusion zur Schichtoberfläche zu verhindern. Wir stellen dafür atomistische simulationsbasierende Design Konzepte auf, um neue Klassen von dünnen Nanoverbundwerkstoffschichten, mit kontrollierter zeitabhängiger Freisetzung von festen Schmierstoffen, zu entwickeln. Diese Konzepte beruhen auf der Einkapselung von Nanometer großen Körnern der schmierfähigen Metalle, wie etwa Vanadium und/oder Silber, mit quasiamorpher Si-N Matrix, welche die Diffusion und Agglomeration von schmierfähigen Phasen an die Schichtoberfläche im tribologischem Kontakt erlaubt, und dadurch die Reibung und Verschleiß reduziert. Diese Prozesse sollen mit einer Kombination von Dichtefunktions- Theorie und Molekulardynamik- Methoden simuliert werden. Dabei soll eine optimale Struktur der Eigenschaften der Grenzflächen zwischen individuellen Phasen für einen kontrollierbaren Transport der Spezies an die Schichtoberfläche erstellt werden. Das endgültige Ziel dieses Projektes ist die Synthese von Beschichtungen mit simulierten strukturtypischen Funktionen. Die Validierung der hoch Belasteten und hoch Temperatur beeinflussten tribologischen Strukturen, soll zur Verbesserung der Performance, mittels fortschrittlichen Charakterisierungsmethoden und Einführung neuer Konzepte durchgeführt werden. Diese Methoden sollen die Konzepte für eine kontrollierte Diffusion von nanoskalierten Materialien mit ausgeklügelten Material Designs überprüfen. In weiterer Folge sollen diese Konzepte, für zukünftige Entwicklungen von selbst schmierende Beschichtungen für trockenlaufende Maschinenapplikationen, wie das trennen von schwer schneidbaren Materialien mit hohen Geschwindigkeiten, herangezogen werden.

Harte Nanokompositschichten haben sich als wirksamer Schutz von Werkzeugen gegen Verschleiß bei Temperaturen bis zu 1000C bewährt. Aufgrund der hohen Kontaktreibung, insbesondere beim Schneiden von schwer zu bearbeitenden Werkstoffen, ist jedoch häufig der Einsatz von Schmiermitteln erforderlich, um die Lebensdauer der beschichteten Werkzeuge zu verlängern. Diese Abhängigkeit von Schmiermitteln hat erhebliche Umweltauswirkungen, insbesondere wenn große Mengen benötigt werden. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wird Vanadium in die Schichten eingebracht, um bei Temperaturen über 700C den VOx-Festschmierstoff zu bilden. Obwohl Vanadium in der Schichten sowohl die Kontaktreibung als auch den Verschleiß effektiv reduziert, beeinträchtigt seine schnelle Ausdiffusion zur Schichtoberfläche während des Betriebs die langfristige Leistung erheblich. Das Projekt "Diffusion Control of Friction-Reducing Nanocomposite Materials", durchgeführt gemeinsam von der Montanuniversität Leoben und der Tschechischen Technischen Universität in Prag, brachte führende theoretische und experimentelle Forscher zusammen, um neue Methoden zur Kontrolle der nachhaltigen Freisetzung von Vanadium aus TiSiVN-Nanokompositschichten durch Manipulation ihrer Mikrostruktur und Zusammensetzung basierend auf theoretischen ab-initio-Berechnungen zu entwickeln. Die Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf das Verständnis der Diffusionsmechanismen innerhalb der TiN-Kristallite, der amorphen SiN-Matrix und zwischen den TiN/V/SiN-Phasengrenzen. Fortgeschrittene Berechnungen, mit besonderem Schwerpunkt auf die Vanadiumdiffusion durch die TiSiVN-Schicht zu ihrer Oberfläche, leiteten die Synthese von Schichten, die wiederum im Vergleich zu Werkzeugen, die mit herkömmlichen TiSi(V)N-Schichten beschichtet sind, eine längere Betriebsdauer beim Trockenschneiden aufweisen. Die Komplexität der in diesem Projekt behandelten Probleme machte deutlich, wie wichtig es ist, die Berechnungsroutinen zu optimieren und neue Ansätze zu verwenden. Die auf maschinellem Lernen basierende Berechnung interatomarer Potentiale ist einer davon. Das Potenzial, die Genauigkeit und die Übertragbarkeit dieser fortschrittlichen Methoden wurden durch die atomistische Modellierung von amorphem Siliziumnitrid, einer mechanisch anisotropen Komponente des TiSi(V)N-Schichtsystems, validiert. Die Forschungsarbeiten trugen auch wesentlich zum Verständnis der Prozesse bei, die die Bildung des VOx-Festschmierstoffs, seine Wechselwirkung in der Kontaktzone bei verschiedenen Betriebstemperaturen und die anschließende Reduzierung der Kontaktreibung bestimmen. Darüber hinaus wurde ein neuartiger Typ von TiSiN-basierten Schichten mit biomimetischer Architektur entwickelt, um den Kompromiss zwischen Festigkeit und Duktilität von im Allgemeinen harten, aber spröden TiSiVN-Schichten zu überwinden und sowohl eine hohe mechanische als auch thermische Stabilität sicherzustellen. Das Konzept basiert auf der Nachahmung der Mikrostruktur von Perlmutt, die eine effektive Rissablenkung bei mechanischer Belastung und damit eine verbesserte Bruchzähigkeit gewährleistet. Die theoriegeleitete Entwicklung der TiSiVN-basierten Nanokompositschichten mit komplexen Mikrostrukturen und optimierten Zusammensetzungen, die eine langsame Vanadiumdiffusion und somit eine kontrollierte langfristige Bildung eines reibungsreduzierenden VOx-Festschmierstoffs gewährleisten, stellt eine neuartige und vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Lebensdauer von beschichteten Werkzeugen dar, die unter anspruchsvollen Bedingungen eingesetzt werden und weniger auf flüssige Schmiermittel angewiesen sind. Die Anwendung dieser innovativen Ansätze bei der Entwicklung von Schutzschichten hat das Potenzial, Prozesse in der Stahl-, Automobil- und Luftfahrtindustrie effektiver zu gestalten und zu nachhaltigen Bearbeitungspraktiken beizutragen.