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Trockenumformen – Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik: Teilprojekt Trockenschmierende HPPMS-(Cr,Al)N Beschichtungen für den Einsatz in der trockenen Kaltmassivumformung von Stahl

Status laufend
Ziele

1.     Schaffung von neuen schmierstofffreien Umformverfahren sowie der Adaption relevanter Technologien dem Ziel, der schmierstofffreien Fabrik näherzukommen
Die Umformtechnik zählt aufgrund der hohen Werkstoffausnutzung zu den energieeffizienten Produktionsverfahren. Aus ökonomischen und geoökologischen Gesichtspunkten besteht die Heraus-forderung, in Zukunft auf den Einsatz von Schmierstoffen verzichten zu können. Derzeit werden in allen Verfahrensgruppen der Umformtechnik immer noch Schmierstoffe zur Verringerung der Reibung und der Werkzeugbelastung sowie zum Schutz der Halbzeuge und der Zwischenprodukte vor Korrosion eingesetzt.

Der zentrale Beitrag dieses Schwerpunktprogramms soll darin bestehen, durch Schaffung von neuen schmierstofffreien Umformverfahren sowie der Adaption relevanter Technologien dem Ziel, der schmierstofffreien Fabrik näherzukommen. Unter Trockenumformung soll dabei ein Prozess verstanden werden, bei dem ein Bauteil das Umformwerkzeug dergestalt verlässt, dass zur weiteren Verarbeitung in Beschichtungs- oder Fügeprozessen eine durch den Umformprozess bedingte Vorbehandlung (Reinigung, Trocknung usw.) nicht erforderlich ist. Der Wegfall des Schmierstoffes als Zwischenschicht zwischen Werkstück und Werkzeug bewirkt beim Umformprozess eine intensivere Wechselwirkung der Werkstück- und Werkzeugoberflächen, sodass die wesentliche Herausforderung darin besteht, diese Wechselwirkung auch ohne Schmierstoff beherrschbar zu machen. Aus dem Verständnis des Einflusses der tribologischen Systemgrößen, zum Beispiel über die Modellierung der elementaren Wechselwirkungsprozesse unter Berücksichtigung der Bedingungen des Gesamtprozesses, soll ableitbar werden, inwieweit eine kritische Verkleinerung des Prozessfensters vermieden werden kann.

Werkzeugseitig stehen die Mechanismen des Werkzeugversagens im Vordergrund. Um die Trockenumformung wirtschaftlich anwendbar zu machen, soll bei steigender Beanspruchung auch die Beanspruchbarkeit der Werkzeuge durch eine zielgerichtete Oberflächentechnik gesteigert oder auf der Seite des Umformprozesses die Beanspruchung durch geeignete Maßnahmen, zum Beispiel prozesstechnische Adaptionen, verringert werden. Der Fokus innerhalb des Schwerpunktprogramms liegt auf den Bereichen Umformtechnik, Oberflächentechnik und Versagensmodellierung.

Das erste Teilziel des Instituts für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen University besteht im Verständnisgewinn darüber, inwieweit es möglich ist HPPMS-PVD-Kompositbeschichtungen aus CrAlN+XS2 (X = Mo und W) als reibungsreduzierende Verschleißschutzbeschichtung herzustellen. Im Gegensatz zu den zweilagigen Hart-Weich-Kontakt mit der Hartstoffbeschichtung tritt, sollen die im Rahmen dieses Vorhabens betrachteten Kompositbeschichtungen einen langfristigen Abrasionswiderstand und Schmierwirkung im tribologischen Kontakt über die gesamte Schichtdicke gewährleisten. Diese werden hinsichtlich den hohen Werkzeugbeanspruchungen der KMU ausgelegt, um ein Beitrag zur Erhöhung der Werkzeuglebensdauer zu leisten. Dadurch wird der Weg für eine alternative Klasse von reibungsreduzierenden Verschleißschutzbeschichtungen zu der Klasse der kohlenstoffbasierten (Diamond-like Carbon) DLC-Beschichtungen mit höherer Verbundhaftung für den Einsatz in der Trockenumformung eröffnet.

2.    Synthese von Kompositbeschichtungen

Herstellung der nanokristallinen, nitridischen Kompositbeschichtungen auf Chrombasis (Cr,Al)N+XS2 (X=Mo, W) durch Integration der Disulfide in die Hartstoffmatrix (Cr,Al)N mittels gepulster Hochleistungsplasmen (High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS), auch High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS)) in einer Physical Vapour Deposition (PVD)-Anlage im Industriemaßstab.

3.    Herstellung von Verschleißschutzbeschichtungen mit maximaler Haftung
Maximierung der Verbundhaftfestigkeit zwischen HPPMS-(Cr,Al)N-Beschichtung und den eingesetzten Werkzeugstählen (X155CrMoV12, HS 6-5-2) mit Blick auf die Lasten in der Trockenumformung. Fokus liegt auf der Untersuchung verschiedener Plasmaätzverfahren bei unterschiedlichen Parametern. Insbesondere wird das Augenmerk auf die Ausnutzung der hohen Ionisation im HPPMS-Prozess gelegt. Dabei wird der hohe Ionisationsgrad von Cr-Ionen zum Metallionenätzen der Probenoberflächen ausgenutzt. Das Ergebnis ist ein Parametersatz für die Herstellung von (Cr,Al)N-Schichten mit maximaler Verbundhaftung.

4.    Einflüsse der Disulfide und der Beschichtungsparameter auf die Schicht- und Verbundeigenschaften
Untersuchung und Verständnisgewinn über die Auswirkungen der unterschiedlichen Beschichtungs-zusammensetzungen im System (Cr,Al)N+XS2 (X=Mo, W) und der Prozessparameter auf die Beschichtungs- und Verbundeigenschaften.

5.    Einflüsse der Disulfide und der Beschichtungsparameter auf die Reibung und den Verschleiß
Einsatz vielversprechender Varianten des selbstschmierenden Schichtsystems (Cr,Al)N+XS2 (X=Mo, W) in tribologischen Modelltests zur Abbildung der Bedingungen in der Trockenumformung von Stahl.

Weiterhin soll ein Erklärungsmodell des kombinierten Tribosystems für die Trockenumformung bestehend aus PVD-Werkzeugbeschichtung und -werkstoff sowie Oberflächenstruktur und Halbzeugwerkstoff sowie ein ganzheitliches Reibgesetz zur Beschreibung dieses Tribosystems für die Trockenumformung entworfen werden. Insgesamt wird ein ganzheitliches Erklärungsmodell, welches die Wechselwirkungen zwischen Oberflächenstruktur und Beschichtung, insbesondere hinsichtlich des Plastifizierungsverhaltens des Halbzeugs und der Verbundhaftung des Werkzeug-Beschichtungsverbunds erklärt. Hiermit ist es möglich, die in Modellversuchen erforschten Grundlagen auf Prozesse mit steigender Komplexität zu übertragen. Ein weiteres Ergebnis ist somit die Ableitung eines Vollvorwärtsfließpressprozesses (VVFP).



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