Investigation of the interactions of incremental surface layer forming and HPPMS coating on fine blanking dies in order to enable a load-applied surface integrity adjustment (TEStOI)
Final Report Abstract
Feinschneiden ist ein Fertigungsverfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Blechwerkstücken mit hoher Schnittflächenqualität im net-shape oder near-net-shape-Verfahren. Im Zuge von Leichtbauanwendungen werden Feinschnittteile dabei oftmals als hochbeanspruchte Funktionalbauteile eingesetzt, weswegen zunehmend Blechwerkstoffe mit höherer Festigkeit verarbeitet werden. Ein Ansatz zur Beherrschung der damit einhergehenden gesteigerten Werkzeugbelastungen bei der Verarbeitung höherfester Werkstoffe ist ein erhöhter Verschleißschutz der Werkzeugaktivelemente. Eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes und der Werkzeugstandzeit wird durch die gezielte Modifikation der Oberflächenintegrität mittels Festwalzen erreicht. Die Werkzeuge werden zur Verringerung des adhäsiven und abrasiven Verschleißes unter anderem mit PVD-Beschichtungen funktionalisiert. Die Herausforderung des Forschungsvorhabens lagen in der Kombination von Festwalzen und der PVD-Beschichtung mittels eines Niedertemperatur-Beschichtungsprozesses zur Lebensdauersteigerung von Feinschneidstempeln. Die Temperatur und Beschichtungsdauer des Niedertemperatur-Beschichtungsprozesses ist derart einzustellen, dass die Oberflächenintegrität des zuvor festgewalzten Substrates nicht durch den Abbau von Eigenspannungen und die Verringerung der Kaltverfestigung negativ beeinflusst, sondern vielmehr gestützt wird. Die wissenschaftliche Herausforderung bestand darin, die Oberflächenintegrität der durch Festwalzen funktionalisierten Randzone durch den Beschichtungsprozess zu unterstützen sowie Erklärungen für die maßgeblichen Effekte und Wechselwirkungen zwischen einer thermischen sowie mechanischen Beanspruchung und der Oberflächenintegrität zu erarbeiten. Das Ziel dieses Projektes bestand in der grundlegenden Erforschung einer Verfahrenskombination bestehend aus inkrementellem Umformen und PVD-Beschichtung zur Einstellung einer definierten Oberflächenintegrität. Zur Erreichung dieser Zielstellung wurde das inkrementelle Festwalzen mit gehärteten Proben aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl S390 untersucht sowie die Entwicklung eines anschließenden Beschichtungsprozesses mit geringer Wärmeeinbringung durchgeführt. Die Oberflächenintegrität wurde anhand von Härte, Eigenspannungen und Rauheit vor und nach dem Beschichtungsprozess charakterisiert. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften und die Verbundhaftfestigkeit der Beschichtung untersucht. Parallel zur praktischen Versuchsdurchführung wurde die Entwicklung des Eigenspannungszustands und dessen Auswirkung auf die Werkstückfestigkeit numerisch untersucht. Die drei zentralen Festwalzparameter Walzdruck, Kugeldurchmesser und Bahnabstand weisen alle einen signifikanten Einfluss auf die Modifikation der Oberflächenintegrität durch das Festwalzen auf. Dabei führen hohe Walzkräfte und Kontaktpressungen zu Härtesteigerungen und der Einbringung von Druckeigenspannungen, beeinflussen dabei aber nicht die Morphologie der Beschichtung oder die Schichthaftung. Da die Schichtrauheit auch von der Substratrauheit abhängt, hängt die Schichtrauheit mittelbar vom Bahnabstand ab. Um Erholungseffekte in der Randzone zu vermeiden, wurde der PVD-Beschichtungsprozess auf eine Höchsttemperatur T = 300 °C ausgelegt. Gleichzeitig wurde durch eine zusätzliche Ätzphase zwischen der Abscheidung von Interlayer und Toplayer substratabhängiges kegelförmiges Schichtwachstum reduziert und somit eine glatte Oberfläche erzielt. Die Randzonenverfestigung wurde durch geringe Eindringtiefen bei Impact-Tests auch nach dem Beschichtungsprozess nachgewiesen. Zusätzlich weisen die numerischen Festigkeitsuntersuchungen eine hohe mechanische Beständigkeit der Oberfläche auf. Die Untersuchungen im Projekt konnten erfolgreich die Wechselwirkungen zwischen dem Festwalzen und dem Niedertemperaturbeschichten mittels PVD aufzeigen. Zum jetzigen Zeitpunkt erscheinen die Ergebnisse gegenüber dem Stand der Technik jedoch noch nicht so vielversprechend, dass eine unmittelbar anschließende zweite Phase angestrebt wird.
Publications
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Investigation on the incorporation of oxygen and thermal stability of HPPMS TiAlCrSiON nanolayer coatings. Surface and Coatings Technology, 418, 127231.
Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kruppe, N.C. & Carlet, M.
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Influence of various tool steels and cemented carbide on growth of PVD hard coatings, Posterausstellung bei International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF), San Diego, USA
Bobzin, K.; Kalscheuer, K.; Carlet, M.; Hoffmann, D.C.
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Low‐Temperature Physical Vapor Deposition TiAlCrSiN Coated High‐Speed Steel: Comparison Between Shot‐Peened and Polished Substrate Condition. Advanced Engineering Materials, 24(9).
Bobzin, Kirsten; Kalscheuer, Christian; Carlet, Marco; Hoffmann, Dennis Christopher; Bergs, Thomas & Uhlmann, Lars
