Keramik-Stahl-Werkstoffverbundschichten als Verschleißschutz in der Aluminiummassivumformung
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden erfolgreich verschiedene Varianten von AIN-Keramik-Stahl-Werkstoffverbundschichten hergestellt und auf ihre Einsetzbarkeit als Verschleißschutzschichten für die Aluminiummassivumformung untersucht. Zur Referenzierung wurden zusätzlich unbeschichtete Werkzeuge unter gleichen Versuchsbedingungen auf ihre Verschleißanfälligkeit geprüft. Die Verwendung von AIN-Keramik bei laserstrahldispergierten Werkzeugoberfiächen wurde vorher noch nicht wissenschaftlich auf die Eignung als Verschleiß- bzw. Adhäsionsschutzschicht in Schmiedeversuchen untersucht. Des Weiteren wurden zum Vergleich etablierte, per Gasabscheidung beschichtete Oberflächen auf ihre Adhäsionsaffinität untersucht. Verwendete Oberflächenmodifikationen waren DLC-Schichten (Diamond-Like-Carbon), die mit Wolfram oder Vanadium dotiert waren. Dabei zeigten die Versuche keinen signifikanten Einfluss von Beschichtungen der Werkzeuge auf die Bildung von Kaltaufschweißungen bei geschmierten Gesenkeinsätzen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei ausreichender Schmierung der Schmierfilm nicht abreißt und somit kein direkter Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug entsteht. In den Versuchsreihen, in denen nicht geschmiert wurde oder die Schmierstoffmenge gering war, konnte die Eignung beschichteter Werkzeuge zur Reduzierung von Kaltaufschweißungen gezeigt werden. Dies ist Folge von verminderter Adhäsionsneigung beschichteter Werkzeuge. Sowohl die laserdispergierten als auch die DLC-Schichten sind geeignet, um Adhäsion und somit Kaltaufschweißungen beim Abriss des Schmierfilms zu reduzieren. Weiterhin ergaben die Schmiedeversuche, dass mit steigender Temperatur die Adhäsionsneigung zunimmt. Trotz des Einsatzes von Verschleißschutzschichten wurde nachgewiesen, dass sich die Reibung im Laufe der Versuchsreihen aufgrund von Kaltaufschweißungen erhöhte und somit der Energiebedarf für die Umformung anstieg. Die gesammelten Erkenntnisse dienen im Resultat der Reduktion des Verschleißes und somit der Minimierung der Werkzeugkosten sowie des Aufwandes für Rüstvorgänge und den Prozesseinlauf. Die im Forschungsprojekt erzielten Erkenntnisse erweitern das Anwendungsgebiet von laserstrahldispergierten Keramik-Stahl-Werkstoffverbundschichten auf die Aluminiummassivumformung. Für ein tiefgreifendes Verständnis der Adhäsion an behandelten Werkzeugoberflächen bei Umformprozessen sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig. Hinsichtlich der eingesetzten Prozesstechnik zum Laserstrahldispergieren hat sich gezeigt, dass flexible Handhabungssysteme, die im Bereich der drahtbasierten Reparatur- und Verschleißschutzverfahren bereits genutzt werden, auch für pulverbasierte Prozesse ein hohes Marktpotenzial bieten. Die Umsetzung der Prozesse auf solche Systeme ermöglicht einen signifikanten Beitrag zur Akzeptanzerhöhung laserstrahldispergierter Schichten, insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Vielzahl der Applikationen eine fallspezifische Umsetzung erfordert. Darüber hinaus sind weitere Fragestellungen während der Bearbeitung des Forschungsprojekts entstanden, die nicht innerhalb der Projektlaufzeit beantwortet werden konnten. Allen voran steht der Einfluss der Schmiermittelmenge. Da das Aufbringen von Schmiermittel einerseits mit hohen Kosten (Kosten des Schmiermittels sowie Prozess- und Anlagenkosten) verbunden und andererseits ökologisch bedenklich ist, würde das Einsparen bzw. die Reduzierung von Schmiermitteln durch die Nutzung von Verschleißschutzschichten einen enormen Vorteil bieten. Aufgrund des bestehenden Potenzials einer Minimalmengenschmierung bzw. des Verzichts auf Schmiermittel sollte diese Fragestellung priorisiert beantwortet werden. Nützlich für den industriellen Einsatz wäre ferner die Evaluation weiterer Schichten bzw. Schichtsysteme auf deren Eignung zur Reduzierung der Adhäsion. Die Variierung von Substraten und Zusatzwerkstoffen zur Eruierung von „Benchmark-Kombinationen" für unterschiedliche Belastungskollektive bzw. Anwendungsfälle wäre hilfreich bei der Prozessauslegung. Ein Katalog, der dem Ingenieur für ein breites Spektrum an Anwendungsfällen ein Schichtsystem empfiehlt, würde den Einsatz von Oberflächenbehandlungsverfahren in der Aluminiummassivumformung steigern. Weiterhin wird als Konsequenz dieses Forschungsprojektes die Implementierung eines Adhäsionsmodells in eine kommerzielle FEM-Software empfohlen. Für die Stahlmassivumformung existieren bereits Ansätze zur simulativen Abbildung des abrasiven Werkzeugverschleißes. Analog zu der Simulation existieren auch mathematische Gleichungen zur Berechnung des adhäsiven Verschleißes. Diese gilt es zu validieren, ggf. zu erweitern und in die FEM zu implementieren.
