Steigerung der dynamischen Festigkeit thermisch beschichteter Bauteile durch spanende Oberflächenkonditionierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287021006

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das bearbeitete Projekt verbindet die spanende Oberflächenkonditionierung mit der Oberflächenbeschichtung mittels HVOF-Verfahren. Hierbei wurden die Einzelprozesse der spanenden Bearbeitung analysiert mit dem Fokus die Wechselwirkungen der wichtigsten Prozesseinstellgrößen auf die entstehende Oberflächentopographie und die Eigenspannungen an der Oberfläche zu untersuchen. Hierbei traten aufgrund der angestrebten Bauteilgeometrie für die finalen Festigkeitsprüfungen und der daraus gewählten Bauteilabmessungen für die zuvor geplanten Versuche Schwierigkeiten hinsichtlich des Bauteilverzugs durch die Wärmebehandlung der Bauteile auf. Die Betrachtung der spanenden Oberflächenkonditionierung erfolgte daher an unterschiedlichen Probengeometrien, da nur so die Betrachtung unterschiedlicher Härtezustände bei der Microfinishbearbeitung realisierbar war. Aufgrund der Veränderung der Werkzeuggeometrie ergaben sich Veränderungen in der Werkzeugumschlingung und somit Veränderungen in den Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Die im Antrag als Stellgröße vorgesehene Anpresskraft bildet dies jedoch nicht ab. Aus diesem Grund wurden für alle Untersuchungen Kontaktflächenmessungen durchgeführt und Regressionsmodelle zur Berechnung der Flächenpressung in Abhängigkeit der Anpresskraft für den jeweiligen Anwendungsfall erstellt. Ein Anwendungsfall umfasst hierbei die Festlegung von Korngröße, Werkzeugbreite, Andrückrollenhärte sowie Durchmesser der Andrückrolle und des Werkstücks. Die Druckbeaufschlagung im Prozess führte bei der Microfinishbearbeitung unabhängig von der Flächenpressung zur Einstellung einer oberflächennahen Druckeigenspannung von ca. σ = -500 MPa. Hierbei wird eine Beeinflussung der Einwirktiefe durch die unterschiedlichen Flächenpressungen angenommen, die aber nicht quantifiziert werden kann. Die Betrachtung der finalen Oberfläche und der Verbindung der Topographie mit der aufgebrachten HVOF-Schicht erfolgte weitestgehend qualitativ, wobei sich eine gute Anbindung der Schicht an das Substrat für alle gedreht und gefinishten Proben ergab. Zur quantitativen Erfassung der Schichthaftung an rotationssymmetrischen Proben wurde ein Analogieversuch entwickelt. Hierbei konnten Tests durchgeführt werden, bei denen die Haftung der Schicht so fest war, dass die Klebverbindung nicht ausreichte und diese bei einer Zugspannung von 25 MPa versagte. Bei einer Vergrößerung der Probengeometrie sollte sich die Haftung der Klebeverbindung verbessern, sodass ein Abreißen der Schicht erreicht und somit ein quantitatives Ergebnis erzeugt werden kann. Aus den Ergebnissen ergibt sich für die spanende Oberflächenkonditionierung ein zunehmender Bedarf der Betrachtung von Fertigungsstrategien gehärteter Bauteile insbesondere unter Berücksichtigung von Bauteilabmessungen, die zu Schwingungen neigen oder von Bauteilen, die eine komplexe Zielgeometrie haben. Aus den Ergebnissen ergaben darüber hinaus Erkenntnisse zu möglichen Prozesskombinationen, die zur Oberflächenstrukturierung rotationssymmetrischer Bauteile eingesetzt werden können.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Oberflächenstrukturierung mittels spanender Prozesskombination – Drehen und Microfinishen – Teil 1. In: FORUM Schneidwerkzeug- und Schleiftechnik, 31 (2018) 3, S. 82-87, ISSN 2191-1347
  Tilger, M.; Biermann, D.
  
• Der Einfluss von Eigenspannungen in 100Cr6 auf die mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) erzeugten WC-Co Schichten. 3. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, Clausthal, 14. bis 15. Februar 2019, S. 495-509
  Tillmann, W.; Abdulgader, M.; Hüning, S.
  
• Echtzeit-Aufnahme der Oberflächenrauheit im Rahmen einer zweistufigen Microfinishbearbeitung. In: Diamond Business, 3 (2019), S. 80-87
  Biermann, D.; Tilger, M.; Timmermann, A.
  
• Oberflächenstrukturierung mittels spanender Prozesskombination – Drehen und Microfinishen – Teil 2. In: Forum Schneidwerkzeugund Schleiftechnik, 32 (2019) 1, S. 104-109
  Tilger, M.; Biermann, D.
  
• The Effect of Machined Surface Conditioning on the Coating Interface of High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) Sprayed Coating. In: Journal of Manufacturing and Materials Processing, 79 (2019) 3
  Tilger, M.; Biermann, D.; Abdulgader, M.; Tillmann, W.
  
• The effect of the hardness and sandblasting on the obtained residual stresses in 100Cr6 and the obtained HVOF-coatings. In: Thermal Spray Bulletin, 71 (2019) 1
  Tillmann, W.; Abdulgader, M.; Hüning, S.