Erhöhung der Werkzeugstandzeit bei der Formgebung durch neuartige PVD-Beschichtungen (T01)

• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2007 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5476319

Die Beschichtung von Werkzeugen für die Zerspanung mittels Dünnschichttechnologie realisiertewesentliche Standzeitverbesserungen (Faktor 2 und mehr) im Vergleich mit nicht beschichtetenWerkzeugen. Die ersten im Großserienbereich kommerziell erhältlichen Werkzeugdünnfilmbeschichtungen waren die Chemical Vapour Deposition (CVD)-Schichten. Die Prozesstemperaturen von 700°C bis über 1000°C schränkten die Wahl der möglichen Substratwerkstoffe sehr stark ein. Zu Beginn der 80er Jahre setzte sich vermehrt das Physical Vapour Deposition (PVD)-Verfahren durch. Vorteil gegenüber dem CVD-Verfahren waren deutlich niedrigere Prozesstemperaturen. Durch diese prozessbedingten niedrigeren Beschichtungstemperaturen konnten nun auch Werkzeugstähle beschichtet werden. Somit stehen Prozesse zur Verfügung, die es ermöglichen, auch gehärtete Werkzeugwerkstoffe zu beschichten.Die Warmformgebung metallischer Werkstoffe hingegen wird nach wie vor weitestgehend mitunbeschichteten Werkzeugen durchgeführt, da bisher geeignete Schichtsysteme und diegrundlegenden Wechselwirkungen zwischen Formgebungswerkstoff und Werkzeugoberflächebislang unzureichend verstanden wurden. Im Sonderforschungsbereich (SFB) 289 konnten dieseMechanismen für die Formgebung im teilerstarrten Zustand (Thixoforming) von Aluminium undStahl in grundlegenden wissenschaftlichen Versuchen analysiert und erforscht werden. DieseErkenntnisse dienten als Grundlage für die Entwicklung leistungssteigernder Werkstoffverbundkonzepte mit dem Ziel, die Standzeit signifikant zu erhöhen. Aus den im SFB 289 erfolgreich entwickelten Werkzeugkonzepten und der Gutacherachterempfehlung bei der letzen Begehung folgt die Zielsetzung des Transferprojektantrages in einer Übertragung dieser Konzepte in ein industrielles Umfeld.Der Einsatz und damit Erfolg des Thixoformingsverfahrens steht und fällt mit derWirtschaftlichkeit des Formgebungsprozesses, sowie der neuartigen Möglichkeit zur Erzeugungvon Verbundteilen (T3). Die Investitionskosten für beschichtete Formwerkzeuge lassen sich somitnur dann rechtfertigen, wenn eine deutlich höhere Standzeit erreicht wird. Eine PVD-Formenbeschichtung kann genau dies leisten.Für die Aluminiumformgebung hat sich das PVD-Schichtsystem Chrom-Aluminium-Nitrid(CrAlN) als wegweisend herausgestellt. Gemeinsam mit den industriellen Partnern (CemeCon AG,Moneva GmbH + Co., Oskar Frech GmbH + Co. KG und SAG Thixalloy Components GmbH &Co. KG), welche die Fertigungsrouten Thixoforming und Druckgießen vertreten, soll eineindustrielle Umsetzung dieses Schichtsystems realisiert werden.Die Verarbeitung von hochschmelzenden Legierungen auf Stahl-Basis wie X210CrW12 oder100Cr6 stellt eine besondere Herausforderung für die Werkzeugkonzepte in Bezug auf thermischeund mechanische Belastungen dar. Für diese Anforderungen konnten am Institut fürOberflächentechnik zwei erfolgreiche PVD-Beschichtungskonzepte entwickelt werden, kristallinesγ-Al2O3 und tetragonales ZrO2 (t-ZrO2). Die Abscheidungen von kristallinen oxidkeramischenSystemen stellt eine wesentliche Neuerung im Vergleich zu den bisher kommerziell erhältlichennitridischen Schichtsystemen dar. Dabei zeigt diese neue Werkstoffgruppe eine sehr guteBeständigkeit gegenüber dem heißen Formwerkstoff, sowie eine hohe thermische- und chemischeStabilität, welche in Stauch- und Formgebungsversuchen nachgewiesen wurde. BeideSchichtsysteme werden nun in Zusammenarbeit mit Partnern (CemeCon AG, Buderus EdelstahlGmbH, Hammerwerk Fridingen und ThyssenKrupp Automotive AG) aus der Industrie in dieProzessroute des Gesenkschmiedens integriert und getestet. Die gewonnenen Erkenntnisse aus demindustriellen Umfeld dienen dann für eine Bereitstellung von Serienbeschichtungsprozessen undindustriegetesteten Beschichtungen für das Thixoschmieden.

• DFG Programme: Collaborative Research Centres (Transfer Project)
• Subproject of: SFB 289: Forming of Metals in the Semi-solid State and their Properties
• International Connection: Austria
• Applicant Institution: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
• Business and Industry: Buderus Edelstahl GmbH; CemeCon AG; Hammerwerk Fridingen GmbH; Umform- und Bearbeitungstechnik; Moneva GmbH + Co.; Oskar Frech GmbH + Co. KG; SAG Thixalloy Components GmbH + Co. KG; ThyssenKrupp Automotiva AG
• Project Head: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin