Seit Erfindung des Automobils durch Carl Benz im Jahre 1886 wird diese Innovation kontinuierlich weiterentwickelt. Eine der größten Veränderungen betrifft die Motorentechnik und Nachhaltigkeit der Kraftfahrzeuge, wodurch alternative Antriebe und Treibstoffe immer mehr eingesetzt werden. Im Jahr 2017 wurden in Deutsch-land insgesamt 3 441 118 PKWs neu zugelassen, wobei der Benzinmotor mit 57,7 % und der Dieselmotor mit 38,8 % die am häufigsten verwendeten Antriebsarten bei Neuzulassungen von PKWs in Deutschland sind. Weitere Motorenarten wie gasbetriebene Aggregate mit 0,1 % und Elektro- / Hybridmotoren mit zusammengefasst 3,2 % fallen durch deren geringe Anzahl nicht ins Gewicht.
Aus diesem Grund hat das Deutsche Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit beschlossen bis 2030 40 bis 42 % (bis 2040 sogar 70%) der Verkehrsemission gegenüber den Emissionswerten aus dem Jahr 1990 einzusparen. Um dieses Ziel zu erreichen gibt es nun verschiedene Ansätze, zum einen kann der Anteil der alternativen Antriebsarten weiter ausgebaut werden, was langfristig ebenfalls zu einer Einsparung von CO2 führt oder aber die Nutzung der bisher verwendeten Verbrennungsmotoren wird reduziert. Neben der verwendeten Antriebstechnik ist auch das Fahrzeuggewicht ein entscheidender Faktor zur Reduktion der entstehenden CO2-Werte.
Diese Gewichteinsparungen können durch Verwendung von Leichtbau umgesetzt werden, wobei sich dieser in verschiedene Arten unterteilen lässt. Nach Ellenrieder unterscheidet man dabei in Form-, Bedingungs-, Konzept-, Fertigungs- und Stoffleichtbau. Beim Leichtbau können vorhanden Werkstoffe substituiert werden, oder aber es werden konstruktive Veränderungen eines vorhandenen Bauteils durchgeführt und behält den Werkstoff bei.
Dieser Ansatz des Leichtbaus spiegelt sich ebenfalls in den von der Industrie verwendeten Herstellungsverfahren wider. Das Verfahren des Presshärtens ist in der Automobilindustrie heute ein etablierter Fertigungsprozess und nimmt dort eine entscheidende Schlüsselrolle ein, wenn es darum geht sowohl leichte als auch hochbelastbare Strukturbauteile herzustellen. Durch den Einsatz von Presshärten ist es möglich hochfeste Strukturbauteile aus dünnen- und leichteren Stahlblechen zu fertigen, ohne dabei Einbußen in der Dauerfestigkeit oder der Sicherheit zu verzeichnen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Presshärten
2.1.1 Verfahrensvarianten des Presshärteprozesses
2.1.2 Werkzeuge und Halbzeuge
2.1.3 Umwandlungshärtung
2.2 Tribologie
2.2.1 Tribologisches System
2.2.2 Reibung
2.2.3 Verschleiß
2.3 Oberflächen- und Rauheitsmessung
2.4 Werkzeugoberflächenmodifizierung
2.4.1 Beschichtung durch Gasabscheidung
2.4.2 Laserimplantationsverfahren
3 Aufgabenstellung
4 Eingesetzte Anlagen, Werkstoffe, Beschichtungssysteme und Hartstoffe
4.1 Werkzeugwerkstoff
4.2 Blechhalbzeug
4.3 Eingesetzte Hartstoffe
4.3.1 Niobdiborid (NbB2):
4.3.2 Nibobcarbid (NbC):
4.3.3 Titandiborid (TiB2):
4.3.4 Titancarbid (TiC):
4.3.5 Titannitrid (TiN):
4.4 Eingesetzte Werkzeugmodifikationen
4.4.1 PVD- Beschichtung
4.4.2 Laserimplantation
4.5 Versuchsanlagen und Analysegeräte
4.5.1 Tribotester
4.5.2 Keyence Laserscanning Mikroskop
4.5.3 Perthometer
4.5.4 Mikroerodiermaschine
4.5.5 Metallographische Probenpräparation
5 Versuchsdurchführung
5.1 Tribotester
5.2 Ermittlung der Oberflächeneigenschaften
5.2.1 Reibzahlauswertung
5.2.2 Verschleißmessungen
5.2.3 Verschleißspurmessung – taktil
5.2.4 Verschleißspurmessung – optisch
5.2.5 Querschliffbilder
6 Auswertung
6.1 Implantathöhen
6.2 Querschliffbilder
6.3 Verschleißspurmessung - Perthometer
6.4 Verschleißspurmessung – LSM
6.5 Verschleißmessung
6.6 Reibzahlen
7 Diskussion und Gegenüberstellung der Ergebnisse
7.1 Interpretation der Ergebnisse
7.1.1 Implantathöhe
7.1.2 Querschliffbilder
7.1.3 Verschleißspurmesswerte – Oberflächenkennwerte
7.1.4 Verschleißmessung
7.1.5 Reibzahlen
7.2 Gegenüberstellung der Oberflächenmodifikationen
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung des tribologischen Einsatzverhaltens von mittels Laserimplantation modifizierten Werkzeugoberflächen im Kontext des industriellen Presshärteprozesses, um die Werkzeugstandzeit durch die Reduzierung von adhäsivem Verschleiß nachhaltig zu erhöhen.
- Untersuchung verschiedener Hartstoffpartikel (TiB2, TiC, TiN, NbC, NbB2) zur Oberflächenmodifikation.
- Vergleich der laserimplantierten Proben mit konventionell gefertigten Referenzwerkzeugen und PVD-beschichteten Oberflächen.
- Anwendung eines abgewandelten Pin-on-Disc-Tests zur Simulation der thermischen und mechanischen Prozessbelastungen.
- Analyse der tribologischen Kenngrößen wie Reibzahlen, Verschleißvolumina und Oberflächenrauigkeitswerte.
- Ableitung von Wirkzusammenhängen zwischen den Implantationsparametern und dem Verschleißverhalten.
Auszug aus dem Buch
2.4.2 Laserimplantationsverfahren
Als Laserimplantierung oder Laserimplantation wird das Verfahren bezeichnet, bei dem mittels eines gepulsten Laserstrahls, lokal keramische Hartstoffpartikel in die Oberfläche einer metallischen Grundmatrix eingebracht werden und wodurch eine Metall-Hartstoff-Matrix entsteht, was eine Weiterentwicklung eines Metall-Matrix Komposite (engl. MMC) darstellt [42].
Bei der Herstellung von MMCs werden hauptsächlich kontinuierliche Lasersysteme verwendet und dabei versucht eine homogene Beschichtung auf der gesamten Oberfläche oder den stark beanspruchten Bereichen des Werkstücks/Werkzeug zu erreichen. Diese Technik wird angewendet, um die Eigenschaften des Substratwerkstoffs mit den Eigenschaften der eingebrachten Keramikpartikel zu kombinieren, wodurch es möglich ist, in einen duktilen Werkstoff Hartstoffpartikel einzubetten [42]. Durch die Verwendung von MMCs konnte bereits eine signifikante Verbesserung der Verschleißeigenschaften von Aluminium [43], Kalt-, und Warmarbeitsstähle erzielt und nachgewiesen werden [44].
Beim Laserimplantationsverfahren wird im Gegensatz zum Herstellungsverfahren eines MMCs eine diskontinuierliche und nur lokal stattfindende Laserstrahleinwirkung verwendet, wodurch sich sowohl ein vor Verschleiß schützender Materialmix als auch eine geometrische Form erzielen lässt. In Abbildung 11 ist der schematische Ablauf des Laserimplantationsverfahrens darstellt. Während des Prozesses wird in einem ersten Schritt zunächst der Grundwerkstoff, dessen mechanische Eigenschaften verändert werden sollen, durch eine 40 bis 180 μm dicke mit Keramikpartikeln angereicherte Schicht benetzt. Anschließend wird die präparierte Oberfläche dann ca. 6 h an der Luft getrocknet, wodurch die Schichtdicke um ±5 % schrumpf. In einem zweiten Schritt wird nun die Oberfläche mit einem beispielsweise gepulsten Nd:YAG Laser belichtet, wodurch die Oberfläche des Substrats lokal aufgeschmolzen wird [42]. Durch das Aufschmelzen des Werkstoffes ist es möglich, dass die in der Beschichtung enthaltenen Karbide sich mit dem Trägerwerkstoff verbinden und diese in der erstarrten Schmelze gebunden werden [45].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung motiviert die Untersuchung durch den wachsenden Bedarf an Leichtbaulösungen in der Automobilindustrie und die damit verbundenen Herausforderungen an die Standzeit von Presshärtewerkzeugen.
2 Stand der Technik: Hier werden die Grundlagen des Presshärteprozesses, der Tribologie, relevanter Messverfahren sowie bestehender Oberflächenmodifikations- und Beschichtungstechnologien erörtert.
3 Aufgabenstellung: Dieser Abschnitt definiert das Ziel der Arbeit: die Untersuchung des tribologischen Einsatzverhaltens laserimplantierter Werkzeuge mittels einer systematischen Methodik.
4 Eingesetzte Anlagen, Werkstoffe, Beschichtungssysteme und Hartstoffe: Dieses Kapitel spezifiziert die verwendeten Materialien, wie den Werkzeugstahl 1.2367 und diverse Hartstoffe, sowie die für die Versuche und Analysen genutzten Anlagen und Geräte.
5 Versuchsdurchführung: Das Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau des Tribotesters, die Parameter der Versuchsdurchführung sowie die angewandten optischen und taktilen Analyse- und Messverfahren.
6 Auswertung: Hier werden die experimentellen Ergebnisse, insbesondere Implantathöhen, Querschliffbilder, Rauheitswerte, Verschleißvolumina und Reibzahlen, detailliert vorgestellt und gegenübergestellt.
7 Diskussion und Gegenüberstellung der Ergebnisse: Dieser Teil analysiert die gewonnenen Daten kritisch, interpretiert die Wirkzusammenhänge und bewertet die Eignung der verschiedenen Oberflächenmodifikationen für den Presshärteprozess.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen zur Prozessoptimierung.
Schlüsselwörter
Presshärten, Tribologie, Laserimplantation, Hartstoffe, Werkzeugverschleiß, Adhäsion, Oberflächenmodifikation, 22MnB5, Werkzeugstandzeit, PVD-Beschichtung, Verschleißvolumen, Reibzahl, Verschleißmechanismen, Metall-Matrix-Verbundwerkstoff.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Werkzeugstandzeit beim Presshärten durch den gezielten Einsatz eines innovativen Laserimplantationsverfahrens zur Oberflächenmodifikation.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die industrielle Blechumformung (speziell Presshärten), tribologische Verschleißmechanismen, moderne Beschichtungs- und Implantationsverfahren sowie die experimentelle Werkstoffanalyse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erforschung des tribologischen Einsatzverhaltens von laserimplantierten Werkzeugoberflächen, um das Verständnis für Verschleißvorgänge zu vertiefen und geeignete Hartstoff-Kombinationen für die industrielle Praxis zu identifizieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine experimentelle Methodik angewandt, die einen modifizierten Pin-on-Disc-Versuch auf einem Knickarmroboter nutzt, um industrielle Prozessbedingungen zu simulieren, gefolgt von einer tiefgehenden optischen und taktilen Analyse der Verschleißspuren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der Versuchsparameter, die detaillierte Beschreibung der Messmethoden (u.a. Laserscanningmikroskopie und Perthometer) und die umfassende quantitative sowie qualitative Auswertung der verschiedenen Hartstoff-Implantate.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Forschung?
Wichtige Begriffe sind Presshärten, Laserimplantation, adhäsiver Verschleiß, Werkzeugstandzeit, Oberflächenrauheit und Hartstoffpartikel wie TiB2, TiC oder TiN.
Welcher Hartstoff zeigte das beste Gesamtergebnis?
Die Untersuchungen ergaben, dass insbesondere Hartstoffe auf Titanbasis (wie TiB2, TiC und TiN) ein sehr gutes Einsatzverhalten zeigen, da sie gleichmäßige Geometrien bilden und das Adhäsionsvolumen im Vergleich zur Referenz signifikant reduzieren.
Warum spielt die Schmelztemperatur des Hartstoffes eine Rolle?
Es konnte eine Abhängigkeit zwischen der Schmelztemperatur des verwendeten Hartstoffes und der ausgebildeten Strukturhöhe festgestellt werden: Je niedriger die Schmelztemperatur, desto kleiner fielen die Geometrien bei gleichbleibenden Fertigungsparametern aus.
- Arbeit zitieren
- Florian Tost (Autor:in), 2020, Das tribologische Einsatzverhalten von laserimplantierten Werkzeugoberflächen für den Presshärteprozess, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/541378
