Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung hochbelastbarer DLC-Beschichtungen für Umformwerkzeuge

DLC-Beschichtungen (DLC = Diamond-like carbon) verringern Verschleiß und Reibung auf Bauteilen und Werkzeugen. Sie können in sogenannten PVD- oder PACVD-Prozessen hergestellt werden. Für Umformwerkzeuge bieten sie hervorragende adhäsionshemmende Eigenschaften. Aufgrund er eingeschränkten Haftfestigkeit der Beschichtungen ist ihr Anwendungsgebiet zur Zeit noch sehr eingeengt. Grundsätzlich sind metallische Haftschichten und angepasste Zwischenschichtsysteme notwendig, die nur in PVD-Prozessen herstellbar sind. Abschattungseffekte führen zu unzureichenden Schichteigenschaften und vorzeitigem Schichtversagen.

Metallische Haftschichten können durch kombinierte Prozesse aus Plasmanitrieren und Beschichten vermieden werden. Bei der Nitrierung werden auch komplex geformte Teile homogen behandelt. Durch die verbesserte Stützwirkung wird die Haftung der Beschichtungen verbessert. Die hierfür verantwortlichen Mechanismen sind aber noch nicht verstanden. Die Hauptaufgabe zur Lösung dieser Frage ist es, die Abhängigkeiten der Nitrierbehandlung vom Werkstoff und die Abhängigkeiten der Beschichtungsergebnisse von der Geometrie zu erkennen.

Das Hauptziel dieses Projektes ist demgemäß eine bessere Ausnutzung kombinierter Prozesse für die Beschichtung der Konturen von Bauteilen mit möglichst großem Verhältnis von Tiefe zu Breite (Aspekt).

Drei Projektstufen sind geplant. Zunächst werden in einfachen Modellversuchen auf planaren Proben Erkenntnisse über die Haftungsmechanismen des DLC gewonnen. Stufe zwei beinhaltet Kombinationsbehandlungen auf Flachproben. In Stufe drei warden die Anwendungseigenschaften dieser Kombinationsbehandlungen auf Umformwerkzeugen ermittelt, zum Beispiel auf Ziehringen mit hohem Aspektverhältnis.

Bei Erfolg werden schließlich Anwendungsversuche auf Maschinen der am Projekt beteiligten Unternehmen durchgeführt.

Ergebniszusammenfassung:

Eine systematische Untersuchung unterschiedlicher Duplex-Verfahrensprozesse auf verschiedenen Stahlsorten erfolgte, die erzeugten Oberflächen wurden charakterisiert und die besten Parametersätze identifiziert. Sowohl in einfacher als auch in komplexer geometrischer Anordnung ergab sich ein umfassendes Bild der Abhängigkeiten und Bedingungen für erfolgreiche Duplex-Behandlungsergebnisse. Diese wurden durch umfangreiche Qualitätsuntersuchungen bestätigt.

Wirksamkeit und Nutzen von SolGel- und wasserbasierten Festschmierstoffen auf Duplex-behandelten Oberflächen wurden erkannt und bewertet. Unterschiede zwischen den verschiedenen Behandlungsvarianten traten zu Tage.

Die differenzierte Betrachtung der Behandlungsergebnisse auf komplexen Geometrien lieferte entscheidende Erkenntnisse zur erfolgreichen Anwendung der Duplex-Verfahren auf Umformwerkzeugen. Weitreichendes Verständnis wurde erlangt hinsichtlich der zentralen Fragestellungen zu Nitrierergebnis und Schichtabscheidung an markanten geometrischen Merkmalen.

In Feldtests konnte die herausragende Funktionalität Duplex-behandelter Werkzeuge demonstriert werden. Die Übertragbarkeit der grundlegenden Erkenntnisse auf den industriellen Einsatzbereich wurde unmittelbar nachgewiesen.

Den industriellen Anwendern wurden mit den Projektergebnissen wichtige, zielführende Handlungshinweise zur Verbesserung von Werkzeugeinsatzbereichen und – standzeiten gegeben. Für unterschiedliche Stähle konnten passende Parametersätze der Duplex-Behandlung ermittelt werden, mit denen die Verschleißfestigkeit und Einsatzreichweite bedeutend erhöht werden können. Die Untersuchungen zu fluidbasierten Schmierstoffschichten eröffneten das Potenzial für optimierte Werkzeugoberflächen hinsichtlich des Einlaufverhaltens von DLC-beschichteten Umformwerkzeugen.