Gefüge und Eigenschaften CVD-beschichteter und laserstrahlgehärteter Stähle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
der erzielten Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens Umform- und Schneidwerkzeuge unterliegen hohen und komplexen Belastungen. Das Kombinationsverfahren CVD-Beschichten + Laserstrahlhärten bietet eine besonders geeignete Möglichkeit zur Einstellung höchster Werkstoffwiderstände gegen komplexe Beanspruchungen. Nach der Kombinationsbehandlung weist das Stahlsubstrat eine hohe Festigkeit und die Schicht einen hohen Verschleißwiderstand auf. Im ersten Antragszeitraum dieses Vorhabens konnte gezeigt werden, dass es mittels temperaturgeregeltem Laserstrahlhärten möglich ist, Härtespuren in die CVD TiN-beschichteten Stahlsubstrate 42CrMo4, 100Cr6, X100CrMoV5 und X153CrMoV12 einzubringen. Im zweiten Antragszeitraum wurden erstens die Ausgangsgefüge im Substrat X153CrMoV12 vor dem Laserstrahlhärten variiert und erfolgreich laserstrahlgehärtet. Die Notwendigkeit dieser Untersuchungen ergibt sich aus den unterschiedlichen möglichen Prozessketten zur Kombinationsbehandlung CVD-Beschichten + Laserstrahlhärten. Zweitens wurden an den CVD TiN-beschichteten Stahlsubstraten 42CrMo4 und X153CrMoV12 geschlossene umlaufende Kanten gehärtet. Mit einem temperaturgeregelten, robotergeführten Nd:YAG-Laser entsteht dabei am Endpunkt der Laserspur je nach Laserführung ein Bereich mit ungehärtetem Substrat zwischen Anfang und Ende der Spur, ein doppelt gehärteter Bereich oder eine Beeinflussung der Laserspur durch die Wärmeeinflusszone. Hinsichtlich der Substrathärte stellen diese Endpunkte eine Schwachstelle dar und sollten in gering beanspruchte Werkzeugbereiche verlegt werden. Alternativ wurde eine weitere Verfahrensvariante mit einem leistungsgeregelten Hochgeschwindigkeits-Scan-Laser durchgeführt, bei der die gesamte geschlossene umlaufende Kante der Stahlsubstrate X153CrMoV12 und 100Cr6 "gleichzeitig" gehärtet wird. Bei der leistungsgeregelten Laserstrahlhärtung bestand die Schwierigkeit eine Werkstoff- und wärmebehandlungsgerechte Temperaturverteilung zu realisieren. Drittens wurde der Einfluss der Substratrauheit auf die Schichtschädigung beim Laserstrahlhärten untersucht. Vor der HT-CVD-TiN-Beschichtung wurden unterschiedliche Substratrauheiten am hochlegierten Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 eingestellt. Dabei lässt sich eine abnehmende Schichtschädigung mit geringerer Substratoberflächenrauheit feststellen. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen In den abgeschlossenen grundlagenorientierten Arbeiten wurden die werkstofrwissenschaftlichen Zusammenhänge zwischen Werkstoff - Kombinationsbehandlung -Gefüge - Eigenschaften ermittelt. Die Ergebnisse der Kombinationsbehandlung CVD-Beschichten + Randschichthärten von Stählen sind erfolgversprechend, so dass in zukünftigen anwendungsorientierten Forschungsarbeiten eine Umsetzung an Werkzeugen und Bauteilen erfolgen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A. Rose, N. Sotirov, O. Kessler, H.-W. Zoch, Dimension and shape changes of CVD-coated and laser beam hardened steels, 2nd International Conference on Distortion Engineering 2008, Sept 17-19, 2008, Bremen, Germany.
- M. Heidkamp, O. Keßler, F. Hoffmann, P. Mayr, H.-W. Zoch, Laserstrahlhärten CVDbeschichteter Stähle, HTM Zeitschrift für Werkstoffe - Wärmebehandlung - Fertigung, 60 (2005)2,71-76
- M. Heidkamp, O. Keßler, F. Hoffmann, P. Mayr, Laser beam surface hardening of CVD TiN coated steels, Surface and Coatings Technology, 188-189 (2004), 294-298
- N. Sotirov, 0. Keßler, F. Hoffmann, H.-W. Zoch, Überlappende Härtespuren beim Laserstrahlhärten CVD-beschichteter Stähle, Europäische Tagung "Wärmebehandlung zur Härtung der Oberfläche", Straßbourg, Frankreich, 22.-23.03.2006
- N. Sotirov, O. Keßler, F. Hoffmann, H.-W. Zoch, Überlappende Härtespuren beim Laserstrahlhärten CVD-beschichteter Stähle, HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung 61 (2006) 3, 160-164
- O. Kessler, Combination of coating and heat treatment processes, Surface & Coatings Technology 201 (2006), 4046-4051
- O. Kessler, M. Heidkamp, F. Hoffmann, P. Mayr, Substrate Strengthening of CVD Coated Steels, Proc. 14th International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering Congress, Vol. II, Shanghai, China, 26.-28.10.2004, Transaction of Materials and Heat Treatment, ISSN 1009-6264, 25 (2004) 5(H), 791-795
