Systematische Entwicklung amorpher Kohlenstoffschichten unter Berücksichtigung der Anforderungen der Blechmassivumformung

Doctoral thesis German OPEN
Hetzner, Harald (2014)
  • Subject: Tribologie | Kohlenstoffwerkstoff | Reaktives Sputtern | Sonderforschungsbereich Transregio 73 | Department Maschinenbau
    • ddc: ddc:620 | ddc:670

Bei der Blechmassivumformung handelt es sich um eine neue Klasse von Umformverfahren, für die im Sonderforschungsbereich/Transregio 73 die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen geschaffen werden. Das Ziel ist es, durch eine Kombination von Verfahren der Blech- und Massivumformung funktionsintegrierte Bauteile ausgehend von flächigen Halbzeugen, vorzugsweise Stahlblechen, kosten- und ressourceneffizient fertigen zu können. Um komplexe Nebenformelemente in der Größe der Blechdicke, z. B. Verzahnungen, in wenigen Umformstufen ausformen zu können, müssen in den Blechwerkstoffen gezielt dreiachsige Spannungs- und Formänderungszustände eingestellt werden. Aufgrund der teils hohen Kontaktspannungen sowie der Oberflächenvergrößerung des Werkstücks, sind gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Verschleißschutzmaßnahmen erforderlich. Darüber hinaus sind neue Lösungen gefordert, die eine (lokale) Anpassung der Reibung in der Wirkfuge zwischen Werkzeug und Werkstück gestatten, und damit einen Beitrag zur Steuerung des Werkstoffflusses leisten. Eine mögliche Antwort auf diese Herausforderungen auf dem Gebiet der Werkzeugtribologie stellen amorphe Kohlenstoffschichten dar. Gegenüber den Werkzeugwerkstoffen sowie keramischen Hartstoffschichten zeichnen sich diese insbesondere durch einen besseren Adhäsivverschleißschutz und niedrigere Reibzahlen im Gleitkontakt gegen Stahl aus. Während sich amorphe Kohlenstoffschichten in anderen Anwendungsfeldern etabliert haben, gilt ihre Beanspruchbarkeit für einen Einsatz auf Werkzeugen zur Kaltumformung von Stählen bisher als zu gering. Eine nähere Betrachtung des Stands der Forschung zeigt jedoch, dass die zugrunde liegenden Erkenntnisse bruchstückhaft, teils widersprüchlich und in Summe nicht hinreichend fundiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher eine systematische Technologieentwicklung betrieben, die darauf abzielt, amorphe Kohlenstoffschichten für eine Anwendung auf Werkzeugen der Blechmassivumformung zu qualifizieren und ihre Etablierung durch begleitende Maßnahmen zu erleichtern. Es wird eine Methode für die tribologieorientierte Systemanalyse von Blechmassivumformprozessen vorgeschlagen, die sich bereits während der simulationsbasierten Fertigungsprozessauslegung anwenden lässt. Diese erleichtert eine frühzeitige Erfassung der Anforderungen, die für die Auswahl und/oder Entwicklung von Oberflächenmodifikationen benötigt werden. Durch Anwendung der Methodik auf einen kombinierten Tiefzieh-/Fließpressprozess werden typische tribologische Randbedingungen der Blechmassivumformung aufgezeigt. Anschließend werden die Ergebnisse einer umfangreichen vergleichenden Studie zur tribologisch-mechanischen Leistungsfähigkeit von wasserstoffhaltigen (a-C:H) und wolframhaltigen wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten (a-C:H:W) im hoch belasteten trockenen Gleitkontakt gegen Stahl dargestellt und diskutiert. Auf Basis von Load-Scanner-Versuchen und rasterelektronenmikroskopischen Analysen werden das Reibungsverhalten sowie der Verschleiß- und Schädigungsfortschritt in Abhängigkeit der Pressung und der Anzahl an Gleitzyklen eingehend betrachtet. Als wesentliche Erkenntnis können wenige Mikrometer große Stahlanhaftungen, die eine lokale Erhöhung der Reibschubspannungen nach sich ziehen, als Initiator des mechanischen Schichtversagens identifiziert werden. Anhand des tribologisch-mechanischen Verhaltens wird aufgezeigt, dass a-C:H:W für die Blechmassivumformung deutlich besser geeignet ist als a-C:H. Schließlich wird ein systematischer Schichtentwicklungsprozess zur Auffindung von a-C:H:W-Varianten mit einer gesteigerten Leistungsfähigkeit im hoch belasteten Gleitkontakt gegen Stahl umfassend beschrieben. In diesem Teil der Arbeit, für den eine PVD-/PACVD-Beschichtungsanlage zur Verfügung stand, wurden bei der a-C:H:W-Abscheidung durch reaktives Magentron-Kathodenzerstäuben eines Wolframcarbidtargets in Argon-Ethin-Atmosphäre die vier wichtigsten Prozessparameter, Sputterleistung, Biasspannung, Argon- und Ethinfluss, anhand eines zentral zusammengesetzten Versuchsplans variiert. Die Schichtcharakterisierung wurde mit üblichen Verfahren sowie im Rahmen von Stift-Scheibe- und Load-Scanner-Versuchen, im Gleitkontakt gegen Stahl unter trockenen Bedingungen und unter Schmierung mit Umformöl, durchgeführt. Es wird aufgezeigt, dass sich die Schichteigenschaften und das tribologische Verhalten meist über mehr als einen Prozessparameter weitläufig anpassen lassen. Durch statistische Evaluierung werden zudem Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Prozessbedingungen, Schichteigenschaften und tribologischem Verhalten der Schichten herausgearbeitet. Bemerkenswerter Weise kann gefolgert werden, dass a-C:H:W-Schichten, die im hoch belasteten Gleitkontakt gegen Stahl eine deutlich gesteigerte Leistungsfähigkeit besitzen, unter eher ungewöhnlichen Prozessbedingungen abgeschieden wurden. A new class of forming operations, called sheet-bulk metal forming, is being developed within the scope of the Transregional Collaborative Research Centre 73. The objective is the cost- and resource-efficient production of function integrated components based on sheet metals, preferably steel sheets, by a combination of sheet and bulk forming. In order to enable the forming of complex secondary design features in the size of the sheet thickness, e. g. gearing teeth, in few forming stations, triaxial stress and strain states have to be applied purposefully to the sheet material. Due to partially high contact stresses and surface enlargement of the workpiece, improved wear protection measures compared to the present state of the art are required. Furthermore, there is a demand for new solutions allowing the targeted adaptation of the (local) friction conditions in the contact tool/workpiece in order to contribute to the control of the material flow. In view of these challenges in the field of tribology, amorphous carbon coatings are a promising response. As compared to tool materials and hard ceramic coatings, their key advantages are an enhanced adhesion protection and low coefficients of friction in dry sliding against steels. Even though amorphous carbon coatings are well-established in other fields of application, their capacity to withstand stresses is considered insufficient to be used as tool coatings for the cold forming of steels. However, a closer look at the current relevant state of research reveals that the underlying knowledge is fragmentary, at times contradictory, and in total not sufficiently well-founded. Therefore, the present thesis focuses on a systematic technology development with the objective of qualifying amorphous carbon coatings for the application on sheet-bulk metal forming tools and supporting their establishment by accompanying measures. A methodology for the tribology-oriented system analysis of sheet-bulk metal forming processes, which is already applicable during the simulation-based process design, is proposed. It facilitates the early survey of the requirements, which are needed for the selection and/or development of surface modifications. By applying the methodology on a combined deep drawing and extrusion process, typical tribological boundary conditions of sheet-bulk metal forming are depicted. Subsequently, the results of a profound comparative study on the tribological-mechanical performance of a hydrogenated (a-C:H) and a tungsten-modified hydrogenated amorphous carbon coating (a-C:H:W) in highly loaded dry sliding against steel are presented and discussed. On the basis of load-scanning tests and scanning electron microscope analyses, the friction behaviour as well as the progression of wear and mechanical failure are assessed in dependence of the contact pressure and the number of load cycles. As a major finding, adhesive transfer of micrometre-scale steel flakes, resulting in locally increased frictional stresses, is identified as the first cause of mechanical coating failure. Based on the tribological-mechanical behaviour, it is established that a-C:H:W should be much better suited for sheet-bulk metal forming than a-C:H. Finally, a systematic coating development process, dedicated to the research on a-C:H:W variants with an enhanced performance in highly loaded sliding against steel, is described in a comprehensive manner. For this part of the work, a PVD/PACVD coating machine was employed. During a-C:H:W deposition by reactive magnetron sputtering of tungsten-carbide in argon-ethine atmosphere, the four most relevant process parameters, namely sputtering power, bias voltage, argon and ethine flows, were varied according to a central composite design. Coating characterisation was performed using common techniques as well as pin-on-disk and load-scanning tests in sliding against steel under dry conditions and lubrication with forming oil. Coating properties and tribological behaviour are shown to be greatly adaptable, usually via more than one parameter. Based on statistical evaluation, relationships between process parameters, process conditions, coating properties and tribological behaviour are elaborated. Remarkably, it can be concluded that a-C:H:W coatings with a much enhanced performance in highly loaded sliding against steel were deposited under rather uncommon process conditions.
Share - Bookmark