Erzeugung hierarchisch gegliederter Oberflächenfeingestalten durch spanende Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen in CVD-Diamantschichten auf Stahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Rosiwal; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407169265

Die Applikation von CVD-Diamantschichten auf Stahlwerkstoffen ermöglicht verschiedene Steigerungen der Leistungsfähigkeit technischer Systeme, wie beispielsweise die Reduzierung von Reibung und Verschleiß an tribomechanisch hoch belasteten Kontaktflächen oder die Verringerung der Adhäsionsneigung von Funktionsflächen bei thermomechanischen Anwendungen. Die Beschichtung von Stahl mit Diamant war aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe, was infolge der Abkühlung von der Beschichtungs- auf Raumtemperatur in starken Druckeigenspannungen in der Diamantschicht resultiert, bislang nur sehr eingeschränkt realisierbar, da insbesondere dickere Schichten zum Abplatzen neigen. Mithilfe durchgeführter FE-Simulationen zur Abkühlcharakteristik des Diamantschicht-Stahlsubstrat-Verbundes und Eigenspannungsmessungen mittels RAMAN-Spektroskopie in den abgeschiedenen CVD-Diamantschichten auf dem Stahl X46Cr13 konnte bisher im Projekt festgestellt werden, dass eine durch ultraschallschwingungsüberlagertes Stirnplanfräsen definiert mikrostrukturierte Substratoberfläche die Verteilung der schichtinhärenten Eigenspannungen wesentlich beeinflusst. In Verbindung mit der TiNB-Zwischenschicht wurde ein Interface generiert, welches auf die Eigenschaften des Substratwerkstoffs zugeschnitten ist und eine geschlossene sowie homogene, haftfeste CVD-Diamantschicht in einer Dicke von bis zu 16 µm ermöglicht hat. Die verhältnismäßig gute Haftfestigkeit der Diamantschichten wird dabei hauptsächlich auf den Abbau der Abkühleigenspannungen durch die große Volumenzunahme des Stahls bei der Austenit-Bainit-Umwandlung bei Temperaturen unterhalb von 400 °C zurückgeführt. Zusammenfassend wurden in der ersten Förderphase die wissenschaftlichen Grundlagen als Voraussetzung für eine Erhöhung der Schichthaftung von CVD-Diamant auf einem „günstig“ umwandelnden Stahlsubstrat erfolgreich erarbeitet, um darauf aufbauend die Funktionseigenschaften CVD-diamantbeschichteter Proben mit höherer thermischer Masse sowie aus einem „ungünstiger“ (höhere Bainit-Starttemperatur) umwandelnden Stahl (X40CrMoV5-1) mit daraus folgenden stärkeren Abkühleigenspannungen zu untersuchen. Durch das für den Spannungsabbau in der Diamantschicht ungünstigere Umwandungsverhalten ist dieser Stahl besser geeignet, um den Einfluss der Oberflächenmikrostrukturierung auf die Haftfestigkeit der Diamantschicht darzustellen und dementsprechend evaluieren zu können. Dies erweitert sowohl das grundlegende Verständnis für die Haftungsmechanismen als auch die potentiellen Anwendungsmöglichkeiten, da der Stahl X40CrMoV5-1 ebenfalls eine hohe technische Relevanz besitzt. Aufgrund seiner besonderen Schwingungseigenschaften wird er beispielsweise als Sonotrodenwerkstoff beim Ultraschallschweißen von Aluminiumbauteilen eingesetzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen