Mehrlagige DLC-Beschichtungen für komplexe Anforderungen in der Holzbearbeitung
Final Report Abstract
Nach einer Bearbeitungszeit von insgesamt zweieinhalb Jahren konnten mittels des Magnetron-Sputter-Verfahrens diamant-ähnliche Kohlenstoffschichten hergestellt werden, die optimierte Reibungs- und Verschleißeigenschaften unter feuchten Bedingungen, wie sie in der Holzbearbeitung herrschen, aufweisen. Dabei wurden sowohl die physikalischen Zusammenhänge zwischen Schichtaufbau und tribologischen Eigenschaften, als auch die Übertragung der schichtcharakteristischen Funktionen auf beispielhafte Anwendungen in der Holzbearbeitung untersucht. In der 6-monatigen zweiten Förderperiode lag der Schwerpunkt der Arbeiten zum einen auf der Erforschung der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Schichtmorphologie und –eigenschaften und zum anderen auf der beispielhaften Anwendungen der Schichten auf Kreissägeblättern. Nach dem in der ersten Förderperiode die Schichtsysteme aus diamant-ähnlichem Kohlenstoff (engl.: diamond-like carbon (DLC)), welche unter höheren Bias-Spannungen hergestellt wurden, die besseren tribologischen Eigenschaften verglichen mit den unter geringen Vorspannungen (25 V) und dotierten diamant-ähnlichen Kohlenstoffschichten zeigten, lag es nahe diese Schichten für die weiteren Untersuchungen zu nutzen. Zur Optimierung der Schichteigenschaften und um ein noch tiefergehendes Verständnis über die Beeinflussung der Bias-Spannung auf die morphologische und tribologische Charakteristik der DLC-Schichten zu erlangen, wurde der Spannungsbereich von 100 – 150 V auf 75 – 200 V erweitert. Dabei zeigten sich deutliche morphologische Unterschiede zwischen den verschiedenen Systemen, die zu unterschiedlichem Verschleiß- und Reibverhalten führten. Neuste Forschungsergebnisse am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie im Bereich der Substratvorbehandlung und deren Einfluss auf Adhäsion und tribologisches Verhalten von PVD-Schichten für Presswerkzeuge in der Pulvermetallurgie haben dazu geführt, dass in diesem Forschungsvorhaben die Wirkung der Substratvorbehandlung auf die DLC-Systeme mit in die Untersuchungen aufgenommen wurden. Durch Plasmanitrieren des Substrats wurde dessen Oberfläche gehärtet, was insbesondere die Adhäsion zur Haftvermittlerschicht des DLC-Systems merklich verbesserte. Abschließend wurde das beste Schichtsystem auf unterschiedlich vorbehandelte Kreissägeblätter appliziert und an Hand von Sägeversuchen auf dessen Potential zur Energieeffizienzsteigerung getestet. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Arbeiten dieses Forschungsprojekts ergeben sich weitere Aufgaben hinsichtlich der Untersuchung von Adhäsion, Tribologie und Applikation der DLC-Schichtsysteme. Durch die Oberflächenhärtung des Substrats wird zwar die Haftkraft zwischen Werkstück und Schicht erhöht, jedoch steigt die Oberflächen-Sprödigkeit simultan. Je nach Anwendung, wie zum Beispiel bei Kreissägeblättern, welche auch Schlagbelastungen ausgesetzt sind, kann das zu frühzeitigem, unerwünschtem Versagen des Bauteils führen. Hier ist eine ortsaufgelöste und auf die spezielle Beanspruchung abgestimmte Substratvorbehandlung sinnvoll. Eine genauere Betrachtungsweise der mechanischen Substratvorbehandlung erscheint ebenfalls sinnvoll, mit dem Ziel die tribologischen Eigenschaften noch weiter zu verbessern. Dabei konnte bereits bei Untersuchungen von Warmarbeitsstahl-Substraten für Werkzeuge in der thermo-mechanischen Umformung erste Erkenntnisse über eine optimierte Vorbehandlung gewonnen werden. Eine Anpassung der Rauheitswerte der Kreissägeblätter auf die der Rundproben erweist sich als schwierig, da eine Vorbehandlung durch Schleifen und Polieren auf Grund der komplexen Geometrie der Blätter den hohen Qualitätsanforderungen nicht genügt. Hier kann die Oberflächenpräparation mittels Elektropolieren als Lösungsansatz dienen. Durch gezielte Abstimmung der Elektrolytzusammensetzung auf den Substratwerkstoff, besteht die Möglichkeit eine vergleichbar gut präparierte Substratoberfläche für die Beschichtung zu erlangen. Bei Umsetzung dieser Ansätze ist zu erwarten, dass DLC-Schichtsysteme, die individuell auf die jeweiligen Anforderungen angepasst wurden, eine ökonomisch sinnvolle Alternative zu herkömmlichen Beschichtungen in der Holzbearbeitung darstellen können.
Publications
- Wear-resistant and low-friction diamond-like-carbon (DLC)-layers for industrial tribological applications under humid conditions, International Conference of Metallurgic Coatings and Thin Films ICMCTF, 27. April – 1. Mai 2009, San Diego, USA
W. Tillmann, E. Vogli, F. Hoffmann
- Low-friction diamond-like carbon (DLC)-layers for humid environment Thin Solid Films, Band 516 (2007) Heft 2-4, Seiten 262-266
W. Tillmann, E. Vogli, F. Hoffmann
- Novel layers for dies used in electromagnetic sheet metal forming processes. Eine neue Schutzschicht für die Anwendung bei elektromagnetische Blech-Formgebung ICHSF, International Conference on High Speed Forming, 3 (2008) Seiten 301-312, Dortmund: Universität Dortmund; ICHSF 2008, 3rd International Conference on High Speed Forming, Proceedings, Dortmund, DE, Mar 11-12, 2008
E. Vogli, F. Hoffmann, J. Nebel, D. Risch, A. Brosius, W. Tillmann, A. E. Tekkaya
- Wear-resistant and low-friction diamond-like-carbon (DLC)-layers for industrial tribological applications under humid conditions, Proceedings ICMCTF 2009, San Diego, USA
W. Tillmann, E. Vogli, F. Hoffmann
- Wear-resistant and low-friction diamond-like-carbon (DLC)-layers for industrial tribological applications under humid conditions, Surface and Coatings Technology, Band 204, Heft 6-7, (2009), p. 1040-1045
W. Tillmann, E. Vogli, F. Hoffmann
