Untersuchungen zum Einsatz von metallhaltigen DLC-Schichtsystemen als Verschleißschutzmaßnahme für Schmiedegesenke
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Forschungsprojekt wurden metallhaltige DLC-Beschichtungen zur Steigerung der Temperaturbeständigkeit untersucht, um eine Anwendung in der Warmmassivumformung zu ermöglichen. Grundsätzlich wurden alle Arbeiten gemäß dem Projektantrag durchgeführt. Etwaige Änderungen wurden aufwandsgleich und zuwendungsneutral durchgeführt und wie in den Arbeitspaketen aufgeführt hinreichend begründet und trugen somit zu einem erfolgreichen Abschluss des Forschungsprojektes bei. Die metallhaltigen DLC-Beschichtungen wurden erfolgreich auf verschieden nitrierte Proben appliziert. Infolge der modifizierten Behandlungsatmosphäre wurde nachgewiesen, dass relevante Eigenschaften wie eine hohe Härte, zur Reduzierung des Werkzeugverschleißes, beeinträchtigt werden können. Bei den DLC-Schichtsystemen Nb40, CrNb40 und W30 wurde eine hohe Härte gemessen, sodass bei diesen Varianten von dem größten Anwendungspotential auszugehen war. Mithilfe von Scratchtests wurde eine vorteilhafte Haftfestigkeit für DLC(W30) festgestellt. In den nachfolgend durchgeführten Ringstauchversuchen wurde das Reibverhalten unter den Bedingungen der Warmmassivumformung charakterisiert. Die Varianten mit hoher Härte zeigten erhöhte Reibfaktoren. Als Ursache wurde das Einebnen von Rauheitsspitzen mithilfe von Rauheitsmessungen identifiziert. Im nächsten Schritt wurden Serienschmiedeversuche im Labormaßstab bei einer Rohteiltemperatur von 1200 °C durchgeführt. Dabei wurden primär thermisch beanspruchte Gesenke und primär tribologisch beanspruchte Werkzeuge eingesetzt. Weiterhin wurden Schmiedeversuche mit einem komplex beanspruchten Fließpresswerkzeug durchgeführt. Auf die Werkzeuge wurden verschieden modifizierte DLC-Beschichtungen appliziert. Zusätzlich wurden vergütete und nitrierte Referenzwerkzeuge eingesetzt. Mithilfe eines 3D-Profilometers wurden prozessbegleitend hochauflösende Aufnahmen angefertigt, um den Verschleißfortschritt zu charakterisieren. Dabei konnten Verschleißerscheinungen wie Abrasion, plastische Deformationen und thermomechanische Rissbildung nachgewiesen werden. Mithilfe von Konturvergleichen wurde festgestellt, dass die modifiziert DLC beschichteten Varianten nach 100 Schmiedezyklen einen geringeren planimetrischen Verschleißbetrag aufweisen. Bei höheren Zyklenzahlen wurden vergleichbare Verschleißbeträge zu den nitrierten Referenzwerkzeugen gemessen. Als mögliche Ursache kam ein Abbau der DLC Beschichtungen zwischen 100 und 300 Zyklen in Betracht. Diese Vermutung hat sich bei den metallographischen Untersuchungen bestätigt. Anhand von REM- und EDX-Analysen wurde nachgewiesen, dass nach 1000 bzw. 1500 Schmiedezyklen keine Bestandteile der DLC Beschichtungen vorliegen. Da die Industrieversuche beim Anwendungspartner aus Kapazitätsgründen nicht durchgeführt und somit die bisherigen Projektergebnisse nicht zielführend umgesetzt werden konnten, bestand die Notwendigkeit den unteren Temperaturbereich der Warmmassivumformung (900 °C) in weiterführenden Laborschmiedeversuchen zu untersuchen. In den durchgeführten Verschleißanalysen hat sich gezeigt, dass die DLC(W30) beschichteten Werkzeuge nach 100 Schmiedezyklen geringere Verschleißbeträge als die nitrierten Referenzwerkzeuge aufweisen. Mithilfe metallographischer Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass die DLC-Beschichtungen den Belastungen standgehalten haben. Somit wurde das Ziel die Temperaturbeständigkeit von DLC-Beschichtungen zu erhöhen erreicht, aber für einen dauerhaften Verschleißschutz von Werkzeugen der Warmmassivumformung sind weitere Entwicklungsschritte notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Neue Randschichtbehandlungen zur Verschleißminderung an Schmiedegesenken, 7. VDI-Fachtagung Warmmassivumformung, 27.02. – 28.02.2019, Düsseldorf, 2018
Bernd-Arno Behrens, Tom Petersen, Rene Weirauch
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Load-Adapted Surface Modifications to Increase Lifetime of Forging Dies, 25th International Conference in Material Forming, ESAFORM 2022, 27.09. – 29.09.2022, Braga, Portugal
Hanno Paschke, Martin Weber, Kai Brunotte, Marcel Rothgänger, Tom Petersen, Martin Siegmund, Julius Peddinghaus
