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TP6: Anwendungsangepasste Mehrlagenbeschichtungen für Kaltmassivumformwerkzeuge und deren Bewertung durch innovative Prüfverfahren

Status abgeschlossen
Ziele

Zur Vermeidung von frühzeitigem Werkzeugausfall durch Verschleiß werden in der Kaltmassivumformung oftmals PVD-Beschichtungen eingesetzt. In industriellen Anwendungen ist es das Ziel, die Beschichtungen entsprechend den jeweiligen Prozessbeanspruchungen einzusetzen. Der beanspruchungsgerechte Einsatz der Beschichtungen hat den Vorteil, dass die jeweiligen Schichteigenschaften und das Potential der Beschichtungen besser ausgenutzt werden. Für einen anwendungsbezogenen Einsatz der Beschichtungen ist die Charakterisierung der mechanischen und tribologischen Schichteigenschaften eine Grundvoraus-setzung. Im Rahmen dieser Forschungsaktivitäten wurden die PVD-Beschichtungen in Modellversuchen und in industriellen Anwendungen untersucht, um auf Grundlage der Ergebnisse Ansätze zur Weiter-entwicklung aufzuzeigen und Richtlinien für die beanspruchungsgerechte Schichtauswahl zu entwickeln.

Die Auswahl der Beschichtungen umfasste die Monolagenbeschichtungen TiN und TiAlN, die Multilagen-beschichtungen TiAlCN und TiCN, die Nanolagenbeschichtung AlCrN sowie die nanostrukturierte Beschichtung Si3N4/AlTiN. Der Reibfaktor wurde im Double Cup Extrusion-Test (DCE-Test) bestimmt. Dabei wurde ein größerer Einfluss auf den Reibfaktor durch die verwendeten Schmierstoffe als durch die ausgewählten Beschichtungen ermittelt. Für eine erste Abschätzung des Verschleißverhaltens der Beschichtungen wurde der Three ball on disc-Test verwendet. Da in dem Test kein Schmierstoff verwendet wurde, war Adhäsion der dominante Verschleißmechanismus. Die Beschichtungen TiN, TiAlCN und TiCN mit einem geringen Aluminiumanteil in der Decklage zeigten eine geringere Adhäsionsneigung als die übrigen Beschichtungen auf. Das Verschleißverhalten der Beschichtungen wurde zudem im kombinierten Schneid-Schicht-Fließpress-Versuch (SSFP-Versuch), der den Bedingungen realer Kaltmassivumform-prozesse entspricht, und in industriellen Prozessen untersucht. Die Prozessbeanspruchungen wie Kontaktnormalspannungen und Gleitwege wurden in numerischen Simulationen bestimmt. Aufgrund hoher Kontaktnormalspannungen und Gleitwege traten bei den eingesetzten Werkzeugen vornehmlich Abrasion und Oberflächenzerrüttung auf. Im SSFP-Versuch wiesen die Multilagen-, Nanolagen- und Nanostruktur-beschichtungen aufgrund ihrer höheren Härte ein vorteilhafteres Verschleißverhalten als die Monolagen-beschichtungen auf. Für die industriellen Prozesse zeigten die Multilagenbeschichtungen TiAlCN und TiCN, die beide eine hohe Härte aufweisen, geringen Verschleiß auf (Bild 1). Die Ergebnisse des SSFP-Versuchs wurden somit durch die Ergebnisse der Industrieanwendungen bestätigt. Die Eignung des SSFP-Versuch für eine Vorauswahl von Beschichtungen unter praxisnahen Bedingungen ist dementsprechend gegeben. Darüber hinaus erfolgte bei den industriellen Prozessen aufgrund der hohen Verschleißbeanspruchungen eine Differenzierung zwischen den Multilagenbeschichtungen und den Nanolagen- bzw. Nanostruktur-beschichtungen. Das größte Potential bei hohen Beanspruchungen wies die Multilagenbeschichtung TiCN aufgrund ihrer hohen Härte auf. Bei typischen Bedingungen der Kaltmassivumformung mit hohen Kontakt-normalspannungen und Gleitwegen sowie Abrasion und Oberflächenzerrüttung als dominante Verschleiß-mechanismen ist der Einsatz von Beschichtungen mit hoher Härte zu bevorzugen. In Prozessen mit lokaler oder vollständiger Minimalmengenschmierung ist eine Beschichtung mit geringem Aluminiumanteil in der Decklage einzusetzen. Bei der Auswahl der Beschichtungen sind jedoch auch ihre Einsatztemperaturen bei lokal auftretenden Temperaturspitzen zu berücksichtigen. Als weiteren Aspekt sind auch die Kosten der jeweiligen Beschichtung bei der Auswahl mit einzubeziehen. Die höheren Kosten einer Beschichtung werden jedoch bei beanspruchungsgerechtem Einsatz durch die höhere Lebensdauer der Werkzeuge in den meisten Fällen kompensiert.

Eine zusammenfassende Ergebnisdarstellung ist in [Schrader, T.; Engel, U.; Geiger, M.; Merklein, M.: Mehrlagenbeschichtungen für den beanspruchungsgerechten Einsatz bei Kaltmassivumformwerkzeugen. In: Faulstich, M.; Geiger, M.; Kukla, H.; Wolf, G. (Hrsg.): Moderne Beschichtungen zum Verschleißschutz von Werkzeugen, (2012), Sulzbach-Rosenberg: DORNER PrintConcept, S. 181-208] veröffentlicht. Der angegebene Berichtsband kann bei DORNER PrintConcept bezogen werden.

Stand 09.11.2012



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