Schwerpunktprogramm Trockenumformen - Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik 2013-2019

Polierte Diamantbeschichtungen zum trockenen Verjüngen
von Aluminium

Antragsteller: Vollertsen (Bremen) 

Werkstoffe: Aluminium

Methoden: Diamantbeschichten

Publikationen
Stand 1. Juni 2020
SPP1676_Publications_Vollertsen_Bremen.p[...]
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Final Report
Abschlussbericht (in englischer Sprache)
DMFOAJ_6_2020_334-353_Prieske.pdf
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Foto: BIAS

Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen ist die Trockenumformung aufgrund der Verkürzung der Prozessketten, der Kosteneinsparungen und der Reduzierung der Umweltbelastung von zunehmendem Interesse. Ziel dieser Untersuchungen ist es, zu erforschen, inwieweit CVD-Diamantschichten für die Trockenumformung von Aluminium geeignet sind und die Anforderungen der Oberflächentopologie zu ermitteln, um einen niedrigen Reibungskoeffizienten und geringen Verschleiß zu erzielen. Durch eine Unterbrechung des Beschichtungsprozesses und ein Umdrehen der Umformmatrize, so dass die Plasmaflamme durch die andere Öffnung des Werkzeugs eintritt, konnte die Innenkontur eines 5 mm hohen Umformwerkzeugs inklusive Hinterschnitte mit einer CVD-Diamant­beschichtung einer homogenen Schichtdicke beschichtet werden. Auf Basis von oszillierenden Kugel‑Platte Tribometertests und Verjüngungsuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass für die Realisierung von trockenen Stückgutprozessen mit Aluminiumwerkstoff, Diamantbeschichtungen ein großes Potential bieten. Es konnte ein Rauheitsparameter bestimmt werden, welcher gleichermaßen in der Lage ist, für unpolierte und mechanisch polierte CVD-Diamantschichten den Reibungskoeffizienten sowie die Verschleißrate des Aluminiumgegenkörpers im trockenen oszillierenden Kugel‑Platte Tribometertests vorherzusagen. Dieser Parameter ist das Spitzenmaterialvolumen (Vmp) und ist ein Maß für das Volumen der obersten 10 % der Oberfläche. Für trockene Stückgutprozesse von Aluminiumwerkstücken wird die Abscheidung von mikrokristallinen CVD-Diamantschichten mit anschließender Nachbehandlung der Oberfläche empfohlen, um ein Spitzenmaterialvolumen von weniger als 0,04 ml/m² zu erreichen, um den Verschleiß des Aluminiumgegenkörpers zu minimieren. Je niedriger der Vmp Wert, desto niedriger ist der Reibungskoeffizient für den trockenen Kontakt von Diamant mit Aluminium. Nanokristalline CVD-Diamantschichten bieten ein Potential für die trockene Umformung von Aluminium ohne die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung, eignen sich jedoch eher für Prozesse wie das Drahtziehen, da sie einer wiederholten Haftreibung nicht standhalten. Für die Nachbehandlung von CVD-Diamantschichten wurde das Laserpolieren mit einem Pikosekundenlaser untersucht. Die Oberflächenrauheit konnte um 72,5% reduziert werden. Sobald eine Zugänglichkeit der CVD-Diamantbeschichtung gegeben ist, weist der Laserpolierprozess aufgrund der geringeren mechanischen Belastung, ein geringeres Risiko für ein Abplatzen der CVD-Diamantschicht auf, als beim mechanischen Polieren.

English:

Polished diamond coatings for dry tapering of aluminum

For economic and environmental reasons, dry forming is of increasing interest due to the shortening of process chains, cost savings and reduction of environmental pollution. The aim of these investigations is to examine to what extent CVD diamond coatings are suitable for dry forming of aluminum and to identify the surface topology requirements for a low friction coefficient and low wear. It was discovered that the inner contour of a 5 mm high forming die including undercuts could be coated with a CVD diamond coating of a homogeneous layer thickness by turning the forming die upside down after half the coating time, so that the plasma flame enters through the other opening of the die. Based on oscillating ball plate tribometer tests and tapering tests it could be shown that for the realization of dry piece goods processes with aluminum material, diamond coatings offer a great potential. It was possible to determine a roughness parameter which is equally capable of predicting the coefficient of friction and the wear rate of the aluminum counter body in the dry oscillating ball on plate tribometer tests for unpolished and mechanically polished CVD diamond coatings. This parameter is the peak material volume (Vmp) and is a measure of the volume of the top 10% of the surface. For dry piece goods processes of aluminum workpieces, the deposition of microcrystalline CVD diamond layers with subsequent post-treatment of the surface is recommended in order to achieve a peak material volume of less than 0.04 ml/m² in order to minimize wear of the aluminum counter body. The lower the Vmp value, the lower the coefficient of friction for the dry contact of diamond with aluminum. Nanocrystalline CVD diamond coatings offer a potential for dry forming of aluminum without post-treatment, but they are more suitable for processes such as wire drawing as they do not withstand repeated static friction. For post-treatment of CVD diamond coatings laser polishing with a picosecond-laser was investigated. It could be shown, that the surface roughness could be significantly reduced by 72.5%. As soon as the CVD diamond coating is accessible by laser irradiation, the laser polishing process has a lower risk of delamination of the CVD diamond layer due to lower mechanical stress than applied by mechanical polishing.

Photo: BIAS

BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik

Name: Prof. Dr.-Ing. Frank Vollertsen

Position: Projektleitung / project management

E-Mail-Adresse: info@bias.de