TR73

  • Schrift vergrößern
  • Standard-Schriftgröße
  • Schriftgröße verkleinern


B4 - DLC-Werkzeugbeschichtung (Förderperiode 2)



Tribologische DLC-Beschichtungen in Kombination mit Oberflächenstrukturierungen für Umformwerkzeuge zur Erhöhung der Standzeit und Verbesserung der Prozessqualität

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 23.01.2017



Mitglieder


In der 1. Phase des SFB/Transregio 73 wurde aufgezeigt, dass für eine wirkungsvolle Steuerung des Werkstoffflusses in der Blechmassivumformung (BMU) gezielt angepasste lokale Reibeigenschaften des Kontakts Werkzeug/Werkstück essenziell sind. Nur so ist es möglich, kompliziert geformte Nebenformelemente der Blechbauteile unter Einhaltung hoher Qualitätsanforderungen auszuformen und unerwünschte Änderungen der Bauteilgeometrie, wie sie der Einsatz geometrischer Fließbehinderungen nach sich zieht, zu vermeiden. In Teilprojekt B4 wurde eine neue Methodik zur tribologieorientierten Systemanalyse für die frühen Phasen der Werkzeug- und Prozessauslegung entwickelt. Aus der großen Gruppe der DLC-Schichten wurden für die Werkzeugbeschichtung wolframmodifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H:W) ausgewählt. Den typischen Aufbau eines solchen Schichtsystems zeigt Bild 1. In tribologisch-mechanischen Load-Scanner-Untersuchungen unter anwendungsnahen Beanspruchungskollektiven und in angegliederten werkstoffkundlichen Analysen zeigte diese DLC-Variante das vorteilhafteste Eigenschaftsprofil. Im Zuge der systematischen, auf statistische Versuchsplanung gestützten Schichtentwicklung konnte zudem gezeigt werden, dass sich die Reibzahl (Coulomb) der verschleißarmen a-C:H:W-Schichten durch die Wahl der Beschichtungsparameter gezielt einstellen lässt. Im trockenen Gleitkontakt gegen Stahl konnte die Reibzahl zwischen 0,05 und 0,4 variiert werden. Unter Schmierung mit Fließpressöl war eine Variation im Bereich von 0,04 bis 0,11 möglich.

Schichtaufbau a-C-H-W 2016

Bild 1: Typischer Aufbau eines Schichtsystems mit a-C:H:W-Funktionsschicht

Vision des SFB/Transregio 73 ist es, durch eine Kombination der Vorzüge und Gestaltungsmöglichkeiten der Blech- und Massivumformung, komplexe Funktionsbauteile mit Nebenformelementen in verkürzten Prozessketten und somit wirtschaftlicher herzustellen. Lokal angepasste tribologische Eigenschaften der Umformwerkzeuge sind ein entscheidender Baustein, um diese Vision erreichen zu können. Daher leistet Teilprojekt B4 auch in der 2. Phase einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Werkzeugaktivflächen mit prozessangepassten tribologischen Eigenschaften. Hierzu werden die in der 1. Phase entwickelten a-C:H:W-Schichtsysteme weiter tribologisch und mechanisch optimiert. Ziel ist es, lokal maßgeschneiderte Reibeigenschaften zu gewährleisten und die Umformwerkzeuge zugleich besser vor adhäsivem Materialübertrag zu schützen. Da sich gezeigt hat, dass im Hochlastbereich vorrangig mikroskopische Anhaftungen von Stahl des Gegenkörpers eine mechanische Schädigung der Schichten initiieren, wird der Fokus neben dem (bruch-)mechanischen Verhalten des gesamten Schichtsystems vor allem auf einen weiter verbesserten Adhäsionsschutz gelegt. Zusätzliche Dotierungselemente, wie Silizium, können hierzu einen wirkungsvollen Beitrag leisten. Die mechanischen und strukturellen Eigenschaften lassen sich weiter verbessern, indem die verschiedenen Schichtlagen gezielt aneinander angepasst werden. Die Charakterisierung der Schichten erfolgt zunehmend in anwendungsnahen Prüfprozessen, wie etwa in dem von TP C1 für die Anforderungen der BMU qualifizierten Ringstauchversuch.

Motiviert durch das große Spektrum an unterschiedlichen Reibeigenschaften, das sich durch gezielte Einstellung der Prozessparameter bei der a-C:H:W-Herstellung realisieren lässt, soll zukünftig der Beitrag, den Beschichtungen zu einer lokal angepassten Tribologie leisten, maximiert werden. Neben einer synergetischen Kombination mit Mikrostrukturen ist es anzustreben, dass das Konstruktionselement Beschichtung auch aus sich selbst heraus zu maßgeschneiderter Reibung beiträgt (Bild 2). Daher werden Strategien zum selektiven lokalen Einsatz verschiedener Schichtvarianten auf derselben Werkzeugaktivfläche erforscht. Hierzu werden einzelne Schichtlagen verschiedener Schichtarten und -varianten zu geeigneten mehrlagigen Schichtsystemen kombiniert. Durch selektives Abtragen der Mehrlagenschicht und alternativ durch den Einsatz von Maskenverfahren kommen in verschiedenen Oberflächenbereichen des Werkzeugs die Eigenschaften unterschiedlicher tribologisch funktionaler Schichtlagen zum Tragen. Zur Beurteilung der lokal wirksamen Schichtsysteme hinsichtlich ihres Einsatzes im Rahmen der Blechmassivumformung dienen vor allem anwendungsbezogene Prüfprozesse, mit deren Hilfe insbesondere das tribologisch-mechanische Verhalten in den Übergangszonen verschiedener Bereiche analysiert wird.

Lokal beschichtetes Werkzeug - Reibzonen

Bild 2: Vision eines BMU-Werkzeugs mit unterschiedlichen tribologischen Zonen, realisiert durch eine Kombination aus lokaler Beschichtung und Oberflächenmikrostrukturen.


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2018

    • Weikert, T.; Tremmel, S.: Wear Detection using Carbon-Based Sensor Coatings – a novel approach. In: The 18th Nordic Symposium on Tribology – NORDTRIB 2018 (Uppsala, 06/18/18 - 06/21/18), (2018), auf CD veröffentlicht

    2016

    • Löffler, M.; Andreas, K.; Engel, U.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Wartzack, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Merklein, M.: Surface modifications for adaption of tribological conditions in sheet-bulk metal forming processes. In: Bobzin, K.; Bouzakis, K.-D.; Denkena, B.; Maier, H.J.; Merklein, M. (Hrsg.): Proceedings THE "A" Coatings, (2016), PZH Verlag, S. 13-20
    • Löffler, M.; , .; Engel, U.; Schulte, R.; Gröbel, D.; Krebs, E.; Freiburg, D.; Biermann, D.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Weikert, T.; Wartzack, S.; Tremmel, S.; Lucas, H.; Denkena, B.; Merklein, M.: Tribological measures for controlling material flow in sheet-bulk metal forming. In: Production Engineering, (2016), akzeptiert
    • Kersting, P.; Gröbel, D.; Merklein, M.; Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Freiburg, D.; Biermann, D.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Matthias, S.; Reithmeier, E.; Löffler, M.; Beyer, F.; Willner, K.: Experimental and numcerial analysis of tribological effective surfaces for forming tools in Sheet-Bulk Metal Forming. In: Production Engineering, 10(2016)1, Springer, S. 37-50
    • Weikert, T.; Tremmel, S.: Influence of bias voltage and layer thickness variation on mechanical properties and tribological behavior of a-C:H:W multilayer coatings. In: Proceedings of the 17th Nordic Symposium on Tribology - NordTrib 2016, (2016), auf CD veröffentlicht
    • Weikert, T.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Gezielte Anpassung lokaler Reibungszustände unter Einsatz wolframmodifizierter amorpher Kohlenstoffschichten. In: Bartz, Wilfried J. (Hrsg.): Tribologie und Schmierungstechnik, 63(2016)5, Renningen: Expert Verlag GmbH, S. 5-11

    2015

    • Zhao, R.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Tribological behaviour of tungsten doped hydrogenated amorphous carbon coatings deposited under various bias voltages and argon flows. In: Book of Abstracts of the 11th Coatings Science International 2015, (2015), S. 140-144
    • Löffler, M.; Freiburg, D.; Gröbel, D.; Loderer, A.; Matthias, S.; Stangier, D.; Weikert, T.: Untersuchung von Tailored Surfaces hinsichtlich ihres tribologischen Einflusses auf Prozesse der Blechmassivumformung. In: Tekkaya, A. E.; Liewald, M.; Merklein, M.; Behrens, B.-A (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen: Shaker Verlag, S. 131-146
    • Weikert, T.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Gezielte Anpassung lokaler Reibungszustände unter Einsatz wolframmodifizierter amorpher Kohlenstoffschichten (a-C:H:W). In: Gesellschaft für Tribologie e.V. (Hrsg.): 56. Tribologie-Fachtagung. Reibung, Schmierung und Verschleiß. Forschung und praktische Anwendungen. Band 1, (2015), Göttingen, S. 24/1-24/10

    2014

    • Schmid, C.; Hetzner, H.; Tremmel, S.; Hilpert, F.; Durst, K.: Tailored Mechanical Properties and Residual Stresses of a-C:H:W Coatings. In: Advanced Materials Research, 996(2014), Dürnten (Schweiz): Trans Tech Publications Ltd, S. 14-21
    • Zhao, R.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Untersuchung des tribologischen Verhaltens wolframmodifizierter amorpher Kohlenstoffschichten (a-C:H:W) bei systematischer Variation der Biasspannung und des Argonflusses während des Beschichtungsprozesses. In: Gesellschaft für Tribologie e.V. (Hrsg.): 55. Tribologie-Fachtagung. Reibung, Schmierung und Verschleiß. Forschung und praktische Anwendungen. Band 2, (2014), Göttingen, S. 32/1-32/10
    • Hetzner, H.; Schmid, C.; Tremmel, S.; Durst, K.; Wartzack, S.: Empirical-Statistical Study on the Relationship between Deposition Parameters, Process Variables, Deposition Rate and Mechanical Properties of a-C:H:W Coatings. In: MDPI (Hrsg.): Coatings - Special Issue "Recent Aspects of Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering and Emerging Applications", 4(2014), S. 772-795
    • Hetzner, H.: Systematische Entwicklung amorpher Kohlenstoffschichten unter Berücksichtigung der Anforderungen der Blechmassivumformung. Dissertation. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg(2014), veröffentlicht

    2013

    • Häfner, T.; Reg, Y.; Hetzner, H.; Schmidt, M.: Microstructuring tools for sheet metal bulk forming – a designated application for picosecond laser. In: Journal of Laser Micro Nanoengineering, 8(2013)1, S. 39-44
    • Hetzner, H.; Zhao, R.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Tribological adjustment of tungsten-modified hydrogenated amorphous carbon coatings by adaption of the deposition parameters. In: Bouzakis, K.-D.; Bobzin, K.; Denkena, B. Merklein, M. (Hrsg.): 10th International Conference THE "A" Coatings, 10.-11. April 2013, (2013), Aachen: Shaker, S. 39-49
    • Wartzack, S.; Hetzner, H.; Tremmel, S.: Amorphe Kohlenstoffschichten für die Blechmassivumformung. In: Konstruktion, 3(2013), S. 65-66
    • Salfeld, V.; Krimm, R.; Behrens, B.; Sieczkarek, P.; Tekkaya, A.; Tremmel, S.; Wartzack, S.: Maschinen- und werkzeugseitige Herausforderungen bei der Blechmassivumformung von komplexen Bauteilen. In: Merklein, M., Behrens, B.-A., Tekkaya, A. E. (Hrsg.): Tagungsband zum 2. Workshop Blechmassivumformung 2013 - DFG Transregio 73, (2013), Bamberg: Meisenbach , S. 13-36

    Vorträge

      2016

      • 16.06.2016: Weikert, T.: Influence of bias voltage and layer thickness variation on mechanical properties and tribological behavior of a-C:H:W multilayer coatings, Hämeenlinna, Finnland

      2015

      • 22.09.2015: Weikert, T.: Gezielte Anpassung lokaler Reibungszustände unter Einsatz wolframmodifizierter amorpher Kohlenstoffschichten (a-C:H:W), Göttingen

      2014

      • 24.09.2014: Zhao, R.: Untersuchung des tribologischen Verhaltens wolframmodifizierter amorpher Kohlenstoffschichten (a‑C:H:W) bei systematischer Variation der Biasspannung und des Argonflusses, Göttingen

      2013

      • 10.04.2013: Zhao, R.: Tribological adjustment of tungsten-modified hydrogenated amorphous carbon coatings by adaption of the deposition parameters, Aachen