Vorhersage des temperaturabhängigen Rissverhaltens von CrAlN-beschichteten Schnellarbeitsstählen für Halbwarmumformwerkzeuge

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567806430

Halbwarmumformwerkzeuge sind hohen zyklischen thermomechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die zu mikro- und als Konsequenz makroskaligem Risswachstum auf der Werkzeugoberfläche führen. Dies kann die Werkzeugstandzeit stark reduzieren. Das Rissverhalten mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) beschichteten Halbwarmumformwerkzeuge ist unzureichend erfasst. Aktuelle Untersuchungen konzentrieren sich zu meist auf den Einfluss der elastisch-plastischen Eigenschaften sowie der Architektur und des Eigenspannungszustands der Schicht auf Verformung und Rissneigung des Werkstoffverbunds unter monotoner Belastung bei Raumtemperatur. Hierbei sind die schicht- und substratabhängigen Größen, die Rissbildung in Werkstoffverbunden unter monotoner und zyklischer Belastung bei hohen Temperaturen maßgeblich beeinflussen können, noch nicht tiefgehender unter Berücksichtigung des Gefüges experimentell sowie simulativ untersucht und vollständig identifiziert. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines wissensbasierten Ansatzes zur Steigerung der Rissbeständigkeit von CrAlN-beschichtetem plasmanitriertem Schnellarbeitsstählen für Halbwarmumformwerkzeuge. Hierzu werden mikromechanische Modelle zur Beschreibung des Risswachstums in Werkstoffverbunde unter thermomechanischer Belastung realisiert. Zunächst werden CrAlN-Schichten mit CrAl-Interlayer unter Variation der Schichtdicke auf dem Schnellarbeitsstahl PM HS6-5-3C mit und ohne Plasmanitrierung abgeschieden. Anschließend wird das Gefüge der Randzone charakterisiert und die thermomechanischen Schicht-, Substrat- und Verbundeigenschaften werden bestimmt. Die mesoskalige Modellierung der Werkstoffverbunde erfolgt anhand von repräsentativen Volumenelementen (RVE) u.a. mithilfe der Verbundcharakterisierung. Das Verformungsverhalten der Werkstoffverbunde sowie der unbeschichteten Substrate wird anhand instrumentierter Eindringprüfungen mit monotoner und zyklischer Belastung bei hohen Temperaturen charakterisiert. Das Rissverhalten wird tiefergehend mittels elektronenmikroskopischer Analyse der Indent-Eindrücke durchgeführt. Zur Realisierung der mikromechanischen Simulation auf Basis von RVE-Modellen wird ein vollständig gekoppelter thermomechanischer Modellierungsansatz zusammen mit Messdaten aus Eindringprüfungen verwendet. Die simulativen Prognosen der integralen Schädigung der Werkstoffverbunde infolge thermomechanischer Belastungen werden experimentell validiert. Abschließend werden die mesoskaligen Gefügeparameter der Randzone sowie makroskalige Parameter wie die Schichtdicke im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse in den validierten Simulationsmodellen gezielt variiert und deren Einfluss auf das temperaturabhängige Verformungs- sowie Rissverhalten bestimmt. Mithilfe der Erkenntnisse aus experimentellen Untersuchungen sowie der Simulationsmodelle wird ein wissensbasierter Ansatz zur Erhöhung der temperaturabhängigen Rissbeständigkeit der Werkstoffverbunde ausgearbeitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen