Reduktion von adhäsivem Verschleiß durch thermostromunterdrückende Werkzeugbeschichtung
Verfasser:
M. Sc. Agnes Schrepfer, Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, Technische Universität München - M. Sc. Anna Schott, Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik Braunschweig
122 Seiten - 80,00 EUR (sw, 99 teils farbige Abb., 14 Tab.)
ISBN 978-3-86776-627-2
Zusammenfassung
Ziel des Forschungsprojektes war die Reduzierung des adhäsiven Werkzeugverschleißes durch Unterdrückung der natürlich im Werkzeug entstehenden Thermoströme. Mit Kenntnis der Potentiale unterschiedlicher Werkzeugbeschichtungen und Dotierungselemente in Bezug auf deren Auswirkung auf den Seebeck-Koeffizienten des Grundwerkstoffs und somit der Höhe des fließenden Thermostroms kann bereits frühzeitig eine Beschichtungsart sowie -zusammensetzung gewählt werden und somit adhäsiver Werkzeugverschleiß verringert werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst der Ist-Zustand ermittelt. Hierfür wurden nach Absprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss verschiedene Aluminium- sowie Edelstahllegierungen thermoelektrisch charakterisiert, um einen Zielwertebereich der Seebeck-Koeffizienten der Werkzeugwerkstoffe zu erhalten.
Ebenso wurden verschiedene Werkzeugwerkstoffe aus dem Bereich der Kaltarbeitsstähle (1.2379), der PM-Stähle (Vanadis 4E) sowie der Hartmetalle (CF-H40s+) thermoelektrisch charakterisiert. Während der Kaltarbeitsstahl und der PM-Stahl höhere positive Seebeck-Koeffizienten als die Blechwerkstoffe aufwiesen, zeigte das Hartmetall in großem Temperaturbereich negative Werte.
Für eine Annäherung der Seebeck-Koeffizienten der Aktivelemente an die der Blechwerkstoffe müssen erstere daher mittels Beschichtung abgesenkt, während letztere mittels Beschichtung angehoben werden müssen. Um dies zu erreichen, wurden zunächst Standardbeschichtungen auf die Grundwerkstoffproben zur Ermittlung der Seebeck-Koeffizienten des kombinierten Systems aus Werkzeuggrundwerkstoff und Beschichtung aufgebracht.
Die resultierenden Seebeck-Koeffizienten der Grundwerkstoffe wichen nach Beschich-tung mit den Standardschichten CrN, TiN und DLC nur geringfügig von jenen der unbe-schichteten Grundwerkstoffproben ab.
Mittels Modifikation der Standardschichten sollte deren Einfluss auf den Seebeck-Koeffizienten erhöht werden. Es wurden Modifikationen mit den Elementen Aluminium, Wolfram, Vanadium sowie Silizium durchgeführt. Ebenso wurde der Einfluss einer SiC-Schicht sowie SiC als Schichtbestandteil untersucht.
Zusätzlich wurde das Potential einer oxidischen Schicht betrachtet. Starken Einfluss auf den Seebeck-Koeffizienten hat hierbei die CrAlN-Schicht gezeigt. Ebenso veränderte eine mit Al und SiC modifizierte TiN sowie eine reine SiC-Schicht den Seebeck-Koeffizienten deutlich. All diese Beschichtungen wirken sich erhöhend auf den Seebeck-Koeffizienten aus.
Eine Verwendung dieser Schichten ist daher besonders geeignet für die Verwendung mit Hartmetallen, da diese hierdurch den Blechwerkstoffen in Bezug auf den Seebeck-Koeffizienten angenähert werden können. Eine deutliche Absenkung der Seebeck-Koeffizienten der Grundwerkstoffe konnte nicht beobachtet werden.
Auf Grundlage der ermittelten Seebeck-Koeffizienten wurden die modifizierten Schichten CrAlN, TiAlSiCN und Si-DLC sowie die zugehörigen Standardschichten CrN, TiN und DLC auf Hartmetallstempeln für die Durchführung von experimentellen Untersuchungen ausgewählt. Für den Einsatz bei Scherschneidversuchen wurden die modifizierten Schichten vor dem Aufbringen auf Schneidstempel weiter optimiert.
Ein Vergleich der Thermoströme von unbeschichtetem, standardbeschichtetem sowie mit modifizierten Schichten beschichtetem Stempel zeigte vor allem eine deutliche Verringe-rung des Thermostroms und der Verschleißmengen am Stempel bei Verwendung der CrAlN-Schicht sowie der TiAlSiCN-Schicht. Das Verschleißsenkungspotential dieser bei-den Schichten auf Hartmetallwerkstoffen konnte hiermit bestätigt werden.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Reduktion von adhäsivem Verschleiß durch thermostromunterdrückende Werkzeugbeschichtung" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20693N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 570 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The aim of the research project was to reduce adhesive tool wear by suppressing the thermocurrents naturally occurring in the tool. Knowing the potential of different tool coatings and doping elements with regard to their effect on the Seebeck coefficient of the base material and thus the level of the flowing thermocurrent, a coating type and composi-tion can be selected at an early stage and thus adhesive tool wear can be reduced.
In order to achieve this goal, the actual condition was first determined. For this purpose, various aluminum and stainless steel alloys were thermoelectrically characterized in con-sultation with the project committee in order to obtain a target range of Seebeck coefficients for the tool materials.
Likewise, various tool materials from the range of cold work steels (1.2379), PM steels (Vanadis 4E) and hard metals (CF-H40s+) were thermoelectrically characterized. While the cold work steel and the PM steel showed higher positive Seebeck coefficients than the sheet materials, the carbide showed negative values over a wide temperature range.
Therefore, for the Seebeck coefficients of the active elements to approach those of the sheet materials, the former must be lowered by means of coating, while the latter must be raised by means of coating. To achieve this, standard coatings were first applied to the base material samples to determine the Seebeck coefficients of the combined system.
The resulting Seebeck coefficients of the base materials after coating with the standard coatings CrN, TiN and DLC differed only slightly from those of the uncoated base material samples.
By modifying the standard coatings, their influence on the Seebeck coefficient was to be increased. Modifications were carried out with the elements aluminum, tungsten, vanadium and silicon. The influence of a SiC layer and SiC as a layer component was also investigated. In addition, the potential of an oxide layer was considered.
The CrAlN layer had a strong influence on the Seebeck coefficient. Likewise, a TiN modified with Al and SiC as well as a pure SiC layer changed the Seebeck coefficient significantly. All these coatings have an increasing effect on the Seebeck coefficient.
The use of these coatings is therefore particularly suitable for use with hard metals, as they can be brought closer to sheet materials in terms of the Seebeck coefficient. A significant decrease in the Seebeck coefficients of the base materials could not be observed.
Based on the determined Seebeck coefficients, the modified coatings CrAlN, TiAlSiCN and Si-DLC as well as the corresponding standard coatings CrN, TiN and DLC on carbide dies were selected for experimental investigations. For use in shear cutting tests, the mod-ified coatings were further optimized before being applied to cutting punches.
A comparison of the thermocurrents of uncoated, standard-coated and modified-layer coated punches showed above all a significant reduction in the thermocurrent and the amount of wear on the punch when using the CrAlN layer and the TiAlSiCN layer. The wear reduction potential of these two coatings on carbide materials was thus confirmed.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Thermoelektrizität beim Scherschneiden
2.1.1 Verfahrenseinteilung
2.1.2 Verfahrensprinzip
2.1.3 Adhäsiver Verschleiß
2.1.4 Seebeck-Koeffizienten und thermoelektrische Ströme
2.1.5 Einfluss des Thermostroms auf adhäsiven Verschleiß
2.2 Beschichtungstechnik
2.2.1 Überblick zu Beschichtungsverfahren
2.2.2 Werkzeugbeschichtungen beim Scherschneiden
3 Forschungsziel und Vorgehensweise
3.1 Forschungsziel
3.2 Vorgehensweise
4 Versuchs- und Messeinrichtungen
4.1 Prüfstand zur Ermittlung des Seebeck-Koeffizienten
4.2 Mechanische Schnellläuferpresse
4.3 Vierspuriges Versuchswerkzeug
4.4 Laserkonfokalmikroskop
4.5 Beschichtungsanlagen
4.6 Verfahren zur Schichtcharakterisierung
5 Werkstoffe
6 Ermittlung der Seebeck-Koeffizienten
6.1 Werkzeug- und Blechwerkstoffe
6.2 Einfluss von Standardbeschichtungen
6.3 Einfluss modifizierter Beschichtungen
7 Schichtentwicklung
7.1 Herstellungsverfahren und Parametervariation
7.2 Schichtcharakterisierungen aktueller Werkzeugbeschichtungen
7.3 Entwicklung modifizierter Beschichtungen
7.4 Aufbau und Optimierung modifizierter Werkzeugbeschichtungen
7.4.1 Charakterisierung unbeschichteter Stempel
7.4.2 CrAlN – Modifikation von CrN
7.4.3 TiAlSiCN – Modifikation von TiN
7.4.4 Si-DLC – Modifikation von DLC
8 Einzelhubuntersuchungen
8.1 Versuchsdurchführung
8.2 Unbeschichteter Stempel
8.2.1 Thermostrommessungen
8.2.2 Verschleißermittlung
8.3 CrN-beschichteter Stempel
8.3.1 Thermostrommessungen
8.3.2 Verschleißermittlung
8.4 CrAlN-beschichteter Stempel
8.4.1 Thermostrommessungen
8.4.2 Verschleißermittlung
8.5 Vergleich unbeschichteter, CrN-beschichteter und CrAlN-beschichteter Stempel
8.5.1 Thermostrommessungen
8.5.2 Verschleißermittlung
8.6 TiN-beschichteter Stempel
8.6.1 Thermostrommessungen
8.6.2 Verschleißermittlung
8.7 TiAlSiCN-beschichteter Stempel
8.7.1 Thermostrommessungen
8.7.2 Verschleißermittlung
8.8 Vergleich unbeschichteter, TiN-beschichteter und TiAlSiCN-beschichteter Stempel
8.8.1 Thermostrommessungen
8.8.2 Verschleißermittlung
8.9 DLC-beschichteter Stempel
8.9.1 Thermostrommessungen
8.9.2 Verschleißermittlung
8.10 Si-DLC-beschichteter Stempel
8.10.1 Thermostrommessungen
8.10.2 Verschleißermittlung
8.11 Vergleich unbeschichteter, DLC-beschichteter und Si-DLC-beschichteter Stempel
8.11.1 Thermostrommessungen
8.11.2 Verschleißermittlung
8.12 Temperaturmessung
9 Betrachtung von industriellen Schichten
9.1 CrAlN-basierte Schicht
9.1.1 Seebeck-Koeffizienten
9.1.2 Ergebnisse aus Einzelhubversuchen
9.2 TiAlN-basierte Schicht
9.2.1 Seebeck-Koeffizienten
9.2.2 Ergebnisse aus Einzelhubversuchen
9.3 AlCrN-basierte Schicht
9.3.1 Seebeck-Koeffizienten
9.3.2 Ergebnisse aus Einzelhubversuchen
10 Ergebnisse und Ausblick
10.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literaturverzeichnis
11.1 Normenverzeichnis
