Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Reduktion von adhäsivem Verschleiß durch thermostromunterdrückende Werkzeugbeschichtung

Beim Scherschneiden von Aluminiumblechen ist innerhalb kürzester Zeit starker adhäsiver Verschleiß an den Aktivelementen zu beobachten. Diese Kaltaufschweißungen beschädigen die Schnittfläche und tragen durch partielle Ablösung entscheidend zur Flitterbildung bei. Kurzschlüsse in elektronischen Bauteilen, Werkzeugschäden sowie eine reduzierte Bauteilqualität durch eingeprägte Flitterpartikel sind die Folge. Um dem Verschleiß entgegenzuwirken, werden aktuell Aktivelemente beschichtet und Schmierstoffe eingesetzt. Bedingt durch unzureichende Kenntnis über alle zum Verschleiß führenden Wechselwirkungen, erfolgt deren Wahl jedoch erfahrungsbasiert bzw. nach dem Prinzip Trial-and-Error. Ein bislang kaum beachteter Einflussfaktor in diesem Zusammenhang stellt thermoelektrischer Strom dar. Er entsteht grundsätzlich bei jeder Bearbeitung von Metall durch die Temperaturerhöhung in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück. Seine Stärke hängt neben der Temperatur von den thermoelektrischen Eigenschaften der in Kontakt stehenden Werkstoffe ab, welche durch den jeweiligen Seebeck-Koeffizienten repräsentiert werden. Nur wenn Werkzeug und Werkstück den gleichen Koeffizienten aufweisen, entsteht kein Thermostrom und der adhäsive Verschleiß nimmt dramatisch ab. Neben einem sich daraus ergebenden quantitativen Auswahlkriterium für Standardbeschichtungen, besteht das Forschungsziel in der Angleichung des Seebeck-Koeffizienten der Werkzeugbeschichtung an verschiedene Blechwerkstoffe durch Modifikation und Dotierung mit geeigneten chemischen Elementen. In der Folge wird der Thermostrom durch die Beschichtung unabhängig von der Temperatur unterdrückt und adhäsiver Verschleiß sowie Flitter einfach und kostengünstig gesenkt. Neben der sich dadurch ergebenden Profitabilitätssteigerung der Prozesse ermöglichen die Erkenntnisse zukünftig eine wissensbasierte Wahl von Standardwerkzeugbeschichtungen, wodurch vor allem KMU ihren Kosten- und Zeitaufwand reduzieren können.

Ergebniszusammenfassung:

Mit dem im Projekt durchgeführten Entwicklungen und Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass mittels modifizierter Beschichtung der Werkzeugwerkstoffe der fließende Thermostrom verringert und somit der adhäsive Verschleiß minimiert werden kann. Besonders mittels Modifikation von CrN-Schichten mit Aluminium sowie TiAlN-Schichten mit SiC kann der Seebeck-Koeffizient von Hartmetallen angehoben werden. Die Theorie der Zusammenhänge zwischen Seebeck-Koeffizienten, Höhe des Thermostroms und Verschleißmenge konnte bestätigt werden.

Die im Rahmen des Forschungsprojekts gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss verschiedener Beschichtungen auf den Seebeck-Koeffizienten des Gesamtsystems aus Beschichtung und Grundwerkstoff und den daraus resultierenden Thermostrom kann zukünftig genutzt werden, den adhäsiven Werkzeugverschleiß zu verringern. Schon bei der Prozessplanung kann durch die Kenntnis geeigneter Schichtzusammensetzungen ein System besonders beim Einsatz von Hartmetallen ausgewählt werden, um frühzeitig der Entstehung von adhäsivem Verschleiß entgegen zu wirken. Eine Abschätzung welche Schichtzusammensetzungen positiven Einfluss auf den entstehenden Thermostrom haben, ist anhand der im Schlussbericht vorgestellten Ergebnisse möglich.