Erzeugung hierarchisch gegliederter Oberflächenfeingestalten durch spanende Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen in CVD-Diamantschichten auf Stahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Rosiwal; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407169265

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Applikation von CVD-Diamantschichten auf Stahlwerkstoffen ermöglicht anwendungsabhängig verschiedene Verbesserungen der Leistungsfähigkeit technischer Systeme, wie beispielsweise die Reduzierung von Reibung und Verschleiß an tribomechanisch hoch belasteten Kontaktflächen oder die Verringerung der Adhäsionsneigung von Funktionsflächen bei thermomechanischen Anwendungen. Die Beschichtung von Stahl mit Diamant war aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe, was infolge der Abkühlung von der Beschichtungs- auf Raumtemperatur in starken Druckeigenspannungen in der Diamantschicht resultiert, bislang nur sehr eingeschränkt realisierbar, da insbesondere dickere Schichten zum Abplatzen neigen. Mithilfe durchgeführter FE-Simulationen zur Abkühlcharakteristik des Verbundes aus Diamant-, Zwischenschicht sowie Stahlsubstrat und Eigenspannungsmessungen mittels Raman-Spektroskopie in den abgeschiedenen CVD-Diamantschichten konnte im Projekt festgestellt werden, dass eine durch ultraschallschwingungsüberlagertes Stirnplanfräsen definiert mikrostrukturierte Substratoberfläche die Verteilung der schichtinhärenten Eigenspannungen wesentlich beeinflusst. In Verbindung mit der TiNB-Zwischenschicht wurde ein Interface generiert, welches eine geschlossene sowie homogene, haftfeste CVD-Diamantschicht in einer Dicke von bis zu 40 µm auf dem zentralen Untersuchungswerkstoff X46Cr13 ermöglicht hat. Darüber hinaus wird die verhältnismäßig gute Haftfestigkeit der Diamantschichten auf den Abbau der Abkühleigenspannungen durch die große Volumenzunahme dieses Stahlwerkstoffs bei der Austenit-Bainit-Umwandlung zurückgeführt. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurden die Eigenschaften CVD-diamantbeschichteter Proben mit höherer thermischer Masse sowie aus einem „ungünstiger“ (höhere Bainit-Starttemperatur) umwandelnden Stahl (X40CrMoV5-1) mit daraus folgenden stärkeren Abkühleigenspannungen untersucht. Dies erweiterte sowohl das grundlegende Verständnis für die Haftungsmechanismen als auch die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten. Aufgrund seiner besonderen Schwingungseigenschaften wird dieser beispielsweise als Sonotrodenwerkstoff beim Ultraschallschweißen von Aluminiumbauteilen eingesetzt. Bei dem daraus abgeleiteten Anwendungsbeispiel wurden „mikromakrostrukturierte“ und diamantbeschichtete Sonotrodenspitzen unbeschichteten aus Stahl gegenübergestellt. Als Fügepartner wurden Aluminiumbleche der Legierung EN AW-6082 gewählt, welche in vielfältigen Industriezweigen zum Einsatz kommen. Dabei zeigte sich eine (subjektiv wahrgenommen) deutlich geringere Klebeneigung zur CVD- diamantbeschichteten Sonotrode im Vergleich zur unbeschichteten, womit der Ansatz des Forschungsvorhabens bestätigt werden konnte.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.60687/2025-0023

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Design of Deterministic Microstructures as Substrate Pre-Treatment for CVD Diamond Coating. Surfaces, 2(3), 497-519.
  Börner, Richard; Penzel, Michael; Junge, Thomas & Schubert, Andreas
  
• Reduction of thermally induced residual stresses in HF-CVD diamond coatings on steel by microstructured substrate surfaces. Vortrag und Posterbeitrag auf der International Conference on Diamond and Carbon Materials, Sevilla (Spanien)
  Göltz, M., Börner, R., Kupfer, T., Helmreich, T., Schubert, A. & Rosiwal, S. M.
  
• Simulation of cooling induced residual stress distribution in diamond layers on steel. Proceedings of the European COMSOL Conference, Cambridge (Vereinigtes Königreich)
  Penzel, M., Börner, B., Müller, F., Zinecker, M. & Schubert, A.
  
• Geometrische Oberflächencharakterisierung von durch spanende Verfahren hergestellten Mikrostrukturen. Gröger, S. (Hrsg.), Weißgerber, M. (Hrsg.): Sächsisches Geometriesymposium 2020, Chemnitz. Universitätsverlag Chemnitz, S. 143-153. ISBN: 978-3-96100-109-5
  Funke, R., Börner, R. & Schubert, A.
  
• Surface Microstructuring of Steel Components for CVD Diamond Coating by Ultrasonic Vibration Superimposed Face Milling using Tailored Tools. Procedia CIRP, 87, 234-239.
  Börner, Richard; Göltz, Maximilian; Helmreich, Thomas; Schubert, Andreas & Rosiwal, Stefan
  
• Fundamental Investigations in Tool Wear and Characteristics of Surface Microstructure for Ultrasonic Vibration Superimposed Machining of Heat-Treated X46Cr13 Steel Using Different Cutting Materials. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5(2), 27.
  Börner, Richard; Landgraf, Pierre; Kimme, Simon; Titsch, Christian; Lampke, Thomas & Schubert, Andreas
  
• Crystalline diamond coatings on steel. Vortrag auf der 32nd International Conference on Diamond and Carbon Materials, Lissabon (Portugal)
  Helmreich, T., Göltz, M. & Rosiwal, S.
  
• Spatial distribution of thermally induced residual stresses in HF-CVD diamond coatings on microstructured steel surfaces. Diamond and Related Materials, 136, 109931.
  Göltz, Maximilian; Helmreich, Thomas; Börner, Richard; Kupfer, Tobias; Schubert, Andreas & Rosiwal, Stefan
  
• Finite Element Analysis of Plastic Deformation in Ultrasonic Vibration Superimposed Face Milling of Steel X46Cr13. Micromachines, 15(6), 730.
  Börner, Richard; Steinert, Philipp; Bandaru, Nithin Kumar & Schubert, Andreas
  
• Influence of the width of cut in ultrasonic vibration superimposed face milling of X46Cr13 and X40CrMoV5-1 on the surface microstructure and CVD diamond coating adhesion. Procedia CIRP, 123, 215-220.
  Börner, Richard; Helmreich, Thomas; Schubert, Andreas & Rosiwal, Stefan