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

Antragsteller

• Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack (bis 31.03.2021)
• Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel (bis 31.03.2021)

Projektleiter

• Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel (bis 31.03.2021)
• Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack (bis 31.03.2021)

Projektbearbeiter

• M.Sc. Tim Weikert (bis 31.12.2020)
• Dr.-Ing. Harald Hetzner (bis 31.08.2013)

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.

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.

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

Arbeitskreise

• Bauteileigenschaften und Funktion (Förderperiode 2)
• Werkstoffe (Förderperiode 2)
• Werkzeuge (Förderperiode 2)

Veröffentlichungen

Vorträge