Experimentelle und simulative Erforschung des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffverbunden aus Cr basierten nitridischen Hartstoffschichten auf Stahlsubstrat unter zyklisch stoßenden Belastungen und Biegebeanspruchungen (Ermüdung)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422784687

PVD (Physical Vapour Deposition) beschichtete Werkzeuge unterliegen in tribologischen Anwendungen, wie z.B. dem Vollvorwärtsfließpressen, zyklischen und stoßenden Beanspruchungen sowie überlagerten Biegebelastungen. Impact-Tests und 4 Punkt-Biegeversuche gehören zu den etablierten Methoden zur Analyse des Ermüdungsverhaltens von PVD-beschichteten Werkzeugen. Während in der technischen Anwendung die Werkzeuge üblicherweise beiden Beanspruchungen ausgesetzt sind, beziehen sich die bisherigen Untersuchungen entweder auf zyklische und stoßende Beanspruchungen oder auf Biegebelastungen. Darüber hinaus liefern die bisherigen Arbeiten in der Literatur widersprüchliche Erkenntnisse zum Einfluss von PVD-Schichten auf die Dauerfestigkeit der beschichteten Werkzeuge, da die Versagensmechanismen unter genannten Beanspruchungen noch nicht ausreichend erforscht wurden. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die experimentelle und simulative Erforschung des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffverbunden aus (Cr,Al)N-Hartstoffschichten und dem Stahlsubstrat HS6-5-2C sowohl unter zyklischen und stoßenden Belastungen als auch unter Biegebeanspruchungen. Es wird ein grundlegender Beitrag zur Beschreibung von Versagensmechanismen in Abhängigkeit von den Eigenschaften Schichtdicke, Morphologie, chemischer Zusammensetzung und elastisch-plastischen Eigenschaften sowie den tiefenabhängigen Eigenschaften Eindringhärte, Eindringmodul und Eigenspannungen geleistet. Hierfür werden die Schichtsysteme (Cr1-xAlx)N, mit x = 0,20; 0,40; 0,60, mittels HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering) auf dem Stahlsubstrat hergestellt. Zur Erforschung des Werkstoffverhaltens unter zyklischer und stoßender Belastung werden Impact-Tests durchgeführt. Für zyklische Biegebeanspruchungen werden 4 Punkt-Biegeversuche verwendet. Die beschichteten Stahlproben werden hinsichtlich der Dauerfestigkeit unter zyklischer Belastung mit unbeschichteten Proben verglichen. Das Ermüdungsverhalten aller Varianten unter Berücksichtigung tiefenabhängiger Eigenschaften wird durch experimentelle Untersuchungen am Institut für Oberflächentechnik (IOT), RWTH Aachen University, und durch simulative Arbeiten am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF), Universität Stuttgart, erforscht. Ein großer Teil der Arbeiten dieses Forschungsvorhabens besteht in der Analyse des Ermüdungsverhaltens und der Versagensarten der Prüfkörper nach den zyklischen Belastungen. Hierfür werden fundamentale Analysen mittels Raster (REM)- und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt. So wird geklärt, wie sich die beschichteten und unbeschichteten Prüfkörper im Impact-Test und in den 4 Punkt-Biegeversuchen mechanisch verhalten. Zudem wird der Einfluss der Hartstoffschichten im System (Cr,Al)N auf die Dauerfestigkeit des Werkstoffverbundes erforscht. Eine Verifizierung und Erweiterung der Erkenntnisse für weitere Schichtsysteme ist für ein mögliches drittes Förderjahr vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Tobias Brögelmann