Mechanical integrity of coated PcBN systems: mechanics and mechanisms involved under service-like conditions

Abstract

(English) Polycrystalline cubic boron nitride (PcBN) is a composite competitive cutting tool material that excels performance when machining difficult-to-cut materials (e.g. hardened steels, superalloys, etc) due to its exceptional mechanical properties. In practice, PcBNs are coated with a ceramic film to prevent and prolong the onset of tribo-oxidation and abrasive wear. Although there is not a unique consolidated opinion regarding the benefits of coatings in PcBN, most of the bibliography agrees on their use when involving hard turning operations. Most of the research address the tool performance and wear mechanisms, whereas information involving materials science aspects of PcBN and coated PcBN tools, on the basis of understanding microstructure – mechanical properties correlations, is quite limited. In this regard, this thesis focusses on studying hardness, fracture toughness and wear resistance as they are key mechanical properties controlling the mechanical integrity and reliability of the tool, which are related with the contact response, fracture resistance (e.g. premature chipping) and effective tool life, respectively. Four distinct substrates of the coated PcBN grades are studied and first characterized, including the development of characterization and testing protocols. In doing so, focus ion beam tomography and three-dimension (3D) image reconstruction was implemented to study the bulk microstructural characteristics of a PcBN grade with high cBN content and metallic binder. It was found to be a powerful and useful method to gain in-depth knowledge and understanding the microstructural characteristics of PcBN composite materials, additionally to those gathered by conventionally 2D method. The study then focuses on the assessment of the micromechanical properties of PcBN composite materials, as they are known to be key for optimizing their performance through microstructural design. High-speed nanoindentation is successfully implemented to characterize and correlate microstructure with local mechanical properties of such hard and stiff composite materials; where two different methodologies, 1D and 2D Gaussian, are used for statistically deconvoluting the data. It is found that the harder PcBN grade is clearly related with the high cBN content. A scaled-up method was employed to evaluate the contact response of uncoated PcBN grades. The higher cBN content and metallic binder grade, exhibits higher resistance to crack nucleation and a more gradual transition through different damage scenarios due to the concomitant increase of hardness and fracture toughness of this grade. Regarding fracture toughening mechanisms, crack path changes from propagation across the ceramic binder to transgranular fracture through cBN particles, as the cBN content increases. Very interesting, fracture toughness is enhanced by crack interaction with intrinsic sub-grained or twin boundaries within the individual cBN particles as well as by crack deviation through nano cBN particles dispersed in the binder. Afterwards, research was aimed to characterize coated PcBN (with different chemical nature and bias voltage), mainly in terms of coating adhesion strength and mechanical integrity of bulk coated systems as a function of the PcBN substrate microstructural assemblage. Mechanical response of the coated system, assessed by using Rockwell C indentation technique and scratch testing, is strongly dependent on the underneath substrate microstructural assemblage; and therefore, its different intrinsic hardness-toughness correlation. Finally, TiAlN-coated PcBN inserts were used to mill a hardened cold work tool steel. It was proposed as an exploratory study of milling performance of coated PcBN systems to assess the onset of coating failure without involving the emergence of other wear phenomena (e.g. thermally-driven ones).

(Català) El nitrur de bor cúbic policristal·lí (PcBN) és un material compost competitiu per a eines de tall que ofereix un excel·lent rendiment en el mecanitzat de materials difícils de tallar (ex. acers temprats, superaliatges, etc.). En la pràctica, el PcBN es recobreix amb una prima capa ceràmica per a evitar o diferir l'aparició de la tribooxidació i el desgast abrasiu. Encara que no hi ha una opinió consolidada sobre els beneficis dels recobriments en PcBN, la bibliografia majorment coincideix en el seu ús en operacions de tornejat dur. La recerca majoritàriament avalua el rendiment funcional de l'eina i els mecanismes de desgast, mentre que la informació relativa a la ciència dels materials del PcBN i del PcBN recobert, comprenent la correlació microestructura - propietats mecàniques, és bastant limitada. En aquest sentit, aquesta tesi se centra en estudiar la duresa, tenacitat a la fractura i resistència al desgast; propietats mecàniques clau que controlen la integritat mecànica i la fiabilitat de l'eina i que estan relacionades amb la resposta de contacte, la resistència a la fractura i la vida útil efectiva de l'eina, respectivament. En primer lloc, s'estudien i caracteritzen quatre substrats diferents dels sistemes de PcBN recoberts, incloent-hi el desenvolupament de protocols de caracterització i assaig. Per a això, la tomografia de feix d'ions focalitzats i la reconstrucció d'imatges en 3D es va utilitzar per a estudiar les característiques microestructurals d'una qualitat de PcBN amb alt contingut en cBN i lligant metàl·lic. Aquest és un mètode potent i útil per a conèixer i comprendre en profunditat les característiques microestructurals dels materials composts de PcBN. Després, es va avaluar les propietats micromecàniques, ja que són clau per a optimitzar el rendiment mitjançant el disseny microestructural. S'implementa amb èxit la nanoindentación d'alta velocitat per a caracteritzar i correlacionar la microestructura amb les propietats mecàniques locals d'aquests materials durs i rígids; utilitzant dues metodologies diferents, 1D i 2D Gaussiana, per a deconvolucionar estadísticament les dades. S'observa que la duresa està relacionada amb el contingut de cBN. Es va emprar un mètode a major escala per a avaluar la resposta a càrregues de contacte. Els graus amb major contingut de cBN i lligant metàl·lic, presenten una major resistència a la nucleació d'esquerdes i una transició més gradual a través dels diferents escenaris de dany degut a la seva major duresa i tenacitat a la fractura. Quant als mecanismes d'enduriment de la fractura, la trajectòria de l'esquerda canvia de propagar a través del lligant ceràmic a la fractura transgranular de les partícules de cBN, en augmentar el contingut de cBN. Molt interessant, la tenacitat a la fractura augmenta per la interacció de l'esquerda amb límits subgranulars o maclats intrínsecs de les partícules individuals de cBN, així com per la desviació de l'esquerda a través de les nanopartícules de cBN disperses en el lligant. Posteriorment, es va caracteritzar diferents sistemes de PcBN recobert (amb diferent naturalesa química i voltatge de polarització), en termes de resistència d'adhesió del recobriment i integritat mecànica dels sistemes recoberts en funció de la microestructura del substrat de PcBN. La resposta mecànica del sistema recobert, avaluada mitjançant indentación Rockwell C i assajos de ratllat, depèn en gran manera de la microestructura del substrat subjacent i, per tant, de la seva correlació intrínseca entre duresa i tenacitat. Finalment, es van utilitzar plaquetes de PcBN recobertes per a fresar un acer per a eines de treball en fred. Es va proposar com un estudi exploratori del rendiment de fresat dels sistemes de PcBN recobert per a avaluar l'inici de la fallada del recobriment sense implicar l'aparició d'altres fenòmens de desgast (e.j. els tèrmics).

(Español) El nitruro de boro cúbico policristalino (PcBN) es un material compuesto competitivo para herramientas de corte que destaca por su alto rendimiento en el mecanizado de materiales difíciles de cortar (ej. aceros endurecidos, superaleaciones, etc.). En la práctica, el PcBN se recubre con una película cerámica para evitar y prolongar la aparición de la tribooxidación y el desgaste abrasivo. Aunque no hay una opinión consolidada sobre los beneficios de los recubrimientos en PcBN, la bibliografía mayormente coincide en su uso en operaciones de torneado en duro. La mayoría de las investigaciones evalúan el rendimiento funcional de la herramienta y los mecanismos de desgaste, mientras que la información relativa a la ciencia de los materiales del PcBN y del PcBN recubierto, comprendiendo la correlación microestructura - propiedades mecánicas, es bastante limitada. En este sentido, esta tesis se centra en estudiar la dureza, tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste; propiedades mecánicas clave que controlan la integridad mecánica y la fiabilidad de la herramienta y que están relacionadas con la respuesta de contacto, la resistencia a la fractura y la vida útil efectiva de la herramienta, respectivamente. En primer lugar, se estudian y caracterizan cuatro sustratos distintos de los sistemas de PcBN recubiertos, incluyendo el desarrollo de protocolos de caracterización y ensayo. Para ello, la tomografía de haz de iones focalizados y la reconstrucción de imágenes en 3D se usó para estudiar las características microestructurales de una calidad de PcBN con alto contenido en cBN y ligante metálico. Éste es un método potente y útil para conocer y comprender en profundidad las características microestructurales de los materiales compuestos de PcBN. Después, se evaluó las propiedades micromecánicas, ya que son clave para optimizar el rendimiento mediante el diseño microestructural. Se implementa con éxito la nanoindentación de alta velocidad para caracterizar y correlacionar la microestructura con las propiedades mecánicas locales de dichos materiales, duros y rígidos, utilizando dos metodologías diferentes, 1D y 2D Gaussiana, para la deconvolución estadística de los datos. Se observa que la dureza está relacionada con el contenido de cBN. Se empleó un método a mayor escala para evaluar la respuesta a cargas de contacto. Los grados con mayor contenido de cBN y ligante metálico, presentan una mayor resistencia a la nucleación de grietas y una transición más gradual a través de los diferentes escenarios de daño debido a su mayor dureza y tenacidad a la fractura. En cuanto a los mecanismos de tenacidad de fractura, la trayectoria de la grieta cambia de propagar a través del ligante cerámico a la fractura transgranular de las partículas de cBN, en aumentar el contenido de cBN. Muy interesante, la tenacidad a la fractura aumenta por la interacción de la grieta con límites de subgrano o maclas intrínsecas a las partículas individuales de cBN, así como por la desviación de la grieta a través de las nanopartículas de cBN dispersas en el ligante. Posteriormente, se caracterizaron diferentes sistemas de PcBN recubierto (con diferente naturaleza química y voltaje de polarización), en términos de resistencia a la adhesión del recubrimiento e integridad mecánica de los sistemas recubiertos en función del ensamblaje microestructural del sustrato de PcBN. La respuesta mecánica del sistema recubierto, evaluada mediante indentación Rockwell C y ensayos de rayado, depende en gran medida del ensamblaje microestructural del sustrato subyacente y, por tanto, de su correlación intrínseca entre dureza y tenacidad. Por último, se utilizaron plaquitas de PcBN recubiertas para fresar un acero para herramientas de trabajo en frío. Se propuso como un estudio exploratorio del rendimiento de fresado de los sistemas de PcBN recubierto para evaluar el inicio del fallo del recubrimiento sin implicar la aparición de otros fenómenos de desgaste (e.j. los térmicos).