Funktionalisierung von a-C:H-Werkzeugbeschichtungen und Homogenisierung der Aluminiumpassivschicht für die schmiermittelfreie Aluminiumumformung;
Trockenumformen von Aluminium
Antragsteller: Bräuer (Braunschweig), Groche (Darmstadt)
Werkstoffe: Aluminium
Methoden: Beschichten, Homogenisieren
Die Forschung in der Produktionstechnik fokussiert sich aktuell auf eine Erhöhung der Ressourceneffizienz und folgt damit dem Grundgedanken einer gesteigerten Nachhaltigkeit von Produkten und Prozessen. Hochinnovative Ansätze für nachhaltige Leichtbaukonstruktionen konnten sich hierbei gerade im Mobilitätssektor in den letzten Jahrzehnten bedeutend etablieren. Während ultrahochfeste Stahlwerkstoffe und faserverstärkte Kunststoffe bei aktuellen Produktionsstrategien an ihre Grenzen stoßen, bleibt Aluminium als Konstruktionswerkstoff für lasttragende Leichtbaustrukturen nach wie vor der Werkstoff erster Wahl für Komponenten der Fahrzeug-, Maschinenbau- und Metallindustrie.
Die starke Adhäsionsneigung von Aluminiumwerkstoffen gegenüber gängigen Werkzeugwerkstoffen beeinträchtigt jedoch die Bauteiloberflächengüte, Prozessstabilität und angestrebte Toleranzen. Aus diesem Grund bedarf es bei der Herstellung von gewichtsoptimierten Aluminiumbauteilen eines hohen Einsatzes von Schmiermedien und Ziehfolien. Wie bereits durch das Schwerpunktprogramm SPP1676 „Trockenumformen – Nachhaltige Produktion durch Trockenbearbeitung in der Umformtechnik“ zum Ausdruck gebracht, fordern ökonomische und geoökologische Gesichtspunkte einen Verzicht auf die verwendeten Schmiermedien zur Steigerung der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit bei Umformprozessen.
Schichtentwicklung
Amorphe hydrogenisierte Kohlenstoffschichten (a-C:H, DLC) sind bekannt für ihre besonderen tribologischen Eigenschaften und als Werkzeugbeschichtung für zahlreiche Umformanwendungen etabliert. Zur Realisierung der Trockenumformung von Aluminiumlegierungen sollen im Rahmen des Forschungsprojekts a-C:H-Werkzeugbeschichtungen weiterentwickelt werden. Ein Forschungsinhalt besteht in der Modifikation der a-C:H-Schicht mit Fluor (a-C:H:F), wodurch die Inertheit der Schicht weiter angehoben werden kann. Ferner bewirken die durch abrasiven Verschleiß freigesetzten Fluoratome eine Passivierung des adhäsiv wirkenden Aluminiums. Die bisherigen Arbeiten brachten bereits harte a-C:H:F-Schichten hervor, welche den Anforderungen als Werkzeugbeschichtung genügen. Tribologische Untersuchungen zeigen, dass durch die Fluor-Modifikation von a-C:H-Schichten die Reibung bei gleichbleibend geringer Adhäsivität weiter gesenkt werden kann.
Trotz des hohen Eignungspotentials von a-C:H-Werkzeugbeschichtungen für die Trockenumformung von Aluminiumlegierungen bedingt die hohe Adhäsionsneigung des Aluminiums einen rapiden Werkzeugverschleiß. In Laborversuchen konnte das Einlaufverhalten von a-C:H-Schichten, welches durch eine hohe Adhäsivität und Reibung geprägt ist, als Ursache für den rapiden Werkzeugverschleiß identifiziert werden. Ein weiterer Forschungsinhalt besteht in der Auffindung von Lösungsansätzen zur Optimierung des Einlaufverhaltens von a-C:H- bzw. a-C:H:F-Werkzeugbeschichtungen. Hierzu werden aktuell Einlaufschichten auf Basis von weichen Metallen und Festschmierstoffen entwickelt und getestet.
Bruchbilder der entwickelten DLC-Werkzeugbeschichtungen – a-C:H:F-Schicht (a) in Kombination mit einer Einlaufschicht (b), Quelle: Fraunhofer IST
Titel: Mikrostrukturierung zur gezielten Einstellung von Traganteilen, Quelle: PtU
