Einfluss von Duplex-Werkzeugbeschichtungen auf das thermo-mechanische und tribologische Eigenschaftsprofil sowie die Entwicklung einer numerischen Abbildung beim Reib-Drücken von AW 6060

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Werner Homberg; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319087932

In diesem Folgeprojekt wird, aufbauend auf der ersten Förderperiode, das Reib-Drückverfahren tiefergehend hinsichtlich der Reibung und den Adhäsionsvorgängen bei der Umformung von AW 6060-Werkstücken analysiert. In diesem Zusammenhang werden Duplex-Schichtsysteme für die Reib-Drück-Werkzeuge entwickelt. Zum einen zielen diese Systeme darauf ab, den Wärmeeintrag im Werkzeug-Werkstücksystem zu optimieren, und zum anderen den Werkzeugverschleiß zu minimieren bzw. die Oberflächenqualität der Werkstücke zu steigern. Dazu wird zunächst ein tiefergehendes Verständnis bezüglich der Haftungsmechanismen von TiBN-PVD-Dünnschichten auf oxidkeramischen Wärmedämmschichten (TBC) durch Applikation haftvermittelnder metallischer Interlayer generiert. Im Anschluss werden die Wechselwirkungen des TiBN-Toplayers auf die Reib- und Adhäsionseigenschaften beim Reib-Drück-Prozess analysiert. Der Aufbau der Duplex-Beschichtung sieht vor Al2O3 oder ZrO2 8Y2O3 TBCs mittels atmosphärischem Plasmaspritzen herzustellen und dessen Oberflächen mittels Kaltgasspritzen von NiCr, Ti oder Cr zu metallisieren. Ziel der Metallisierung ist es, oberflächennahe Poren der TBC vollständig zu schließen und somit die Rauheit zu senken, um eine endkonturnahe Abscheidung von TiBN mittels PVD zu realisieren. Dabei wird die Oberflächenrauheit des Werkzeugs insbesondere mit dem adhäsiven Verschleiß bei der Umformung von AW 6060-Werkstücken korreliert.Weiterhin werden Ansätze für die Optimierung der Werkzeugleistung geprüft, mit denen die am LWT entwickelten Beschichtungen, die Kontaktflächengröße bzw. die Einbringung von Strukturierungen, und der Einsatz von Schmiermitteln analysiert werden, um abgestimmte Prozessführungsstrategien hinsichtlich des Wärmeeintrages und des adhäsiven Verschleißes bzw. der Oberflächenqualität herzuleiten.Die Ergebnisse der ersten Förderperiode bestätigten die Abhängigkeit der Reibung, insbesondere von der Relativgeschwindigkeit und der Temperatur. Da im Reib-Drückprozess hohe Temperaturen und Relativgeschwindigkeiten sowie Normalspannungen entstehen, soll in der zweiten Förderperiode der Reibwert unter realen Verfahrensbedingungen charakterisiert werden. In der Reib-Drück-Anlage wird ein Stauchversuch integriert, wobei eine Werkzeugplatte auf das rotierende AW 6060-Rohr zufährt und die Umformung einleitet. Die Normalkraftmessungen werden direkt aufgenommen, wobei die Scherkräfte über Drehmomentmessungen erfolgen. Aus diesen Kraftmessungen soll ein fundiertes Verständnis zur Reibung in diesem Verfahren ermöglichen und ein geeignetes Reibmodell hergeleitet werden. Die daraus ermittelten Reibwerte werden dann in ein thermo-mechanisches Simulationsmodell einfließen, welches das Reib-Drückverfahren numerisch abbildet. Die Simulation wird dann mit experimentellen Werten in Bezug auf Temperatur, Kraft und geometrische Merkmale validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen