Herstellung und Applikation von gradierten Schichtgefügestrukturen für den Prozess des Reibdrückens unter Einsatz von PVD- und Thermischen Spritzverfahren

Das Reibdrücken ist ein neuartiges inkrementelles Warmumformverfahren, welches exzellent zur Herstellung komplexer Bauteile aus blech- und rohrförmigen Halbzeugen geeignet ist. Die Integration von thermo-mechanischen Teilprozessen in den Ablauf von Drückverfahren haben vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich Gefüge- sowie Härtebeeinflussung bei verschiedenen Stahl- und Aluminiumlegierungen erzielen können. Das Ziel dieses Projektes ist es, durch spezielle Mehrlagenschichtsysteme definiert Einfluss auf die Werkstückqualitäten, Temperatureinbringung und daraus folglich auf die Werkstückeigenschaften im Reibdrückprozess zu nehmen. Die neu entwickelten Schichtsysteme sollen auf speziell entwickelten Werkzeugsystemen im Reibdrückprozess eingesetzt werden und daraus angepasste Umform-/Prozessführungsstrategien zur Optimierung der Prozessergebnisse entwickelt werden. Hierbei werden die Wechselwirkungen/Korrelationen unterschiedlicher PVD- und thermisch gespritzter Schichtsysteme und der erzeugbaren Oberflächeneigenschaften sowie Materialeigenschaften auf die Werkstückeigenschaften ermittelt und aufgezeigt. Durch die Entwicklung kombinierter Schichtsysteme, bestehend aus einer PVD- und thermisch gespritzten Schicht (vgl. Abbildung) sollen die Werkzeuge gleichzeitig vor den hohen mechanischen als auch thermischen Belastungen während des Umformprozesses geschützt werden. Die Herausforderung dabei ist es, diese beiden Schichtsysteme mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften und Charakterisierungen miteinander zu kombinieren.

Im Einsatztest wird anschließend untersucht, inwiefern durch die kombinierten Schichtsysteme das Ziel der Optimierung von Standzeit/Verschleißschutz der Reibdrückwerkzeuge erreicht und dabei gleichzeitig eine Verbesserung der Oberflächen-/Materialeigenschaften des Werkstücks durchgeführt werden kann. Hierbei soll zudem eine definierte Steuerung des Temperatureintrages, Materialflusses sowie die Verringerung der thermischen Belastung für Werkzeuge/Werkzeug Maschine erreicht werden. Parallel wird ein thermisches Simulationsmodel entwickelt, um im Vorhinein eine Aussage über die Temperatur sowie dessen Niveau und Verteilung im Werkzeug/Werkstück treffen zu können. Das grundlegende Wissen über Reibungszustände und Temperaturverteilungen ist notwendig, um im Vorfeld Auslegungen im experimentellen Bereich für Schichtsysteme oder resultierende Materialeigenschaften im Werkstück machen zu können.

1. W. Tillmann, M. Dildrop: Deposition of PVD thin films on thermal barrier coatings for a wear resistant thermal insulation. In: Proceedings of International Thermal Spray Conference & Exposition 2017, Düsseldorf.
2. M. Dildrop: Entwicklung kombinierter Schichtsysteme für thermomechanisch hochbelastete Werkzeuge. Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2018.
3. W. Tillmann, A. Fehr, D. Stangier, M. Dildrop, W. Homberg, B. Lossen, D. Hijazi: Al₂O₃/ZrO₂‑8Y₂O₃ and (Cr,Ti)AlSiN tool coatings to influence the temperature and surface quality in friction‑spinning processes. Production Engineering, 13 (2019) 449–457. doi: https://doi.org/10.1007/s11740-019-00899-y
4. W. Tillmann, A. Fehr, D. Stangier, M. Dildrop: Influences of substrate pretreatments and Ti/Cr interlayers on the adhesion and hardness of CrAlSiN and TiAlSiN films deposited on Al₂O₃ and ZrO₂-8Y₂O₃ thermal barrier coatings. Results in Physics, 12 (2019) 2206-2012. doi: https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.02.048

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