Untersuchung der High-Speed PVD-Technologie zur Herstellung von alpha-Al-O+X und Al-Ti-O+X-Beschichtungen für den Einsatz im Stahl-Druckguss

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269121028

Die Bewältigung der wachsenden Herausforderungen des Klimawandels erfordert vielfältige Lösungen im Maschinenbau, darunter die Entwicklung neuer Technologien, Produkte und energieeffizienter, ressourcenschonender Prozesse. Das urformende Fertigungsverfahren wird als ressourceneffizient angesehen, insbesondere für Massenproduktion und hochgradige Automatisierung, was in Ländern mit hohen Lohnkosten wie Deutschland relevant ist. Das Druckgießen ist eine geeignete Methode für Kunststoffe und Aluminiumlegierungen, jedoch gibt es keine industriell umsetzbaren Lösungen für das Druckgießen von hochschmelzenden Legierungen. Dies liegt unter anderem an fehlenden wirtschaftlich verwendbaren Werkzeugen, die den hohen thermischen Anforderungen standhalten können, die zu Schädigungen wie Verschweißungen und Korrosion der Werkzeugoberfläche führen können. Die zyklische thermische Belastung beim Druckgießen stellt ebenfalls eine große Herausforderung dar. Im aktuellen Forschungsvorhaben wurden vielversprechende Al-O+X (X = Cr, Ti)-Beschichtungen mittels High-Speed Physical Vapour Deposition (HS-PVD) entwickelt. Diese Beschichtungen konnten metallphysikalische Korrosion und adhäsive Anhaftungen der Stahlschmelze in ersten Versuchen erfolgreich verhindern. Außerdem zeigten sie eine hohe thermische Stabilität. Dennoch fehlen noch Untersuchungen zur Lebensdauer unter zyklischer thermischer Belastung im Kontakt mit der Stahlschmelze, die im beantragten Folgevorhaben durchgeführt werden sollen. Zudem wurden im laufenden Vorhaben mit Erhöhung der Schichtdicke reduzierte Druckeigenspannungen in den HS-PVD-Beschichtungen beobachtet, was nicht den Erwartungen aus mittels MS- und Arc-PVD abgeschiedenen Beschichtungen entspricht. Dementsprechend besteht Forschungsbedarf, wie dieses Ergebnis tiefgehender zu erklären ist und ob ein Einfluss auf die zyklische Lebensdauer der Schichtverbunde in der Stahlschmelze besteht. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Untersuchung des Einflusses eines definierten Temperatur-Zeit-Profils auf das Versagensverhalten der Schichtverbunde im direkten Kontakt zur Stahlschmelze. Dabei soll die Lebensdauer der Schichtverbunde für die Anwendung im Stahldruckguss bezüglich des Widerstands gegen zyklische, thermische Belastung in der Stahlschmelze untersuchen und quantifizieren werden. Des Weiteren liegen über die Eigenspannungszustände in HS-PVD-Beschichtungen sowie die Korrelation dieser mit den Schicht- und Systemeigenschaften keine ausreichenden Kenntnisse vor, sodass hier ein großer Forschungsbedarf besteht. Hiermit wird der Einfluss der Eigenspannungen auf die Lebensdauer der ausgewählten Schichtverbunde mit variierenden Schichtdicken untersucht. Um Schadensmechanismen zu erforschen, welche die Lebensdauer der Schichtverbunde nach dem zyklischen Kontakt mit der Stahlschmelze beschränken, werden tiefgehende Untersuchungen durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen