Das tribologische Einsatzverhalten von laserimplantierten Werkzeugoberflächen für den Presshärteprozess


Masterarbeit, 2020

78 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe


Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der verwendeten Variablen, Symbole und Abkürzungen

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 Gegen ü berstellung 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

9 Literaturverzeichnis

10 Abbildungsverzeichnis

Allgemeine verwendete Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abkürzungen von verwendeten Einheiten und Kenngrößen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abkürzungen der Verwendeten chemischen Elemente und Werkstoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Seit Erfindung des Automobils durch Carl Benz im Jahre 1886 wird diese Innovation kontinuierlich weiterentwickelt 1. Eine der größten Veränderungen betrifft die Motorentechnik und Nachhaltigkeit der Kraftfahrzeuge, wodurch alternative Antriebe und Treibstoffe immer mehr eingesetzt werden 2. 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 gasbe-triebene 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 Verkehrsemsission gegenüber den Emissionswerten aus dem Jahr 1990 einzusparen 3. 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 4. Neben der verwendeten Antriebstechnik ist auch das Fahrzeuggewicht ein entscheidender Faktor zur Reduktion der entstehen-den CO2-Werte 5.

Diese Gewichteinsparungen können durch Verwendung von Leichtbau umgesetzt werden, wobei sich dieser in verschiedene Arten unterteilen lässt. Nach Ellenrieder 6 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 6.

Dieser Ansatz des Leichtbaus spiegelt sich ebenfalls in den von der Industrie verwendeten Herstellungsverfahren wieder. 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 verzeich-nen 7. Ein Beispiel für den durch die Verwendung von pressgehärteten Bauteilen erzielten Nutzen ist der VW Passat, bei welchem eine Reduktion des Fahrzeugge-wichts von ca. 25 kg erreicht wurde 8. Das Presshärteverfahren macht zum einen von der Erweiterung der Formgebungsgrenzen der Warmumformung gegenüber der Kaltumformung gebrauch und zum anderen wird das abgeformte Bauteil direkt im gekühlten Werkzeug gehärtet. Beim Presshärten findet eine Kombination von Umformen und Vergüten in einem Prozessschritt statt. Dadurch kommt es durch eine Kontrollierte Temperatur führung während der Umformung zu einer martensitischen Gefügeumwandlung, welche sich in hohen Festigkeiten von bis 1650 MPa 9. der abgepressten Bauteile zeigt. Dadurch lassen sich Bauteile mit einer sehr guten Maßhaltigkeit bei zeitglei-cher hoher Härte erreichen. Aufgrund der dabei hohen thermischen Belastung des Werkzeuges, bedarf es, um einen wirtschaftlichen Vorteil zu erzielen, einer Senkung der Kosten für Werkzeugwartung und eine Erhöhung der Werkzeugstandzeit 10. In diesem Zusammenhang wird im Rahmen dieser Arbeit ein neues Verfahren zur Werkzeugmodifikation untersucht, anhand dessen das tribologische Einsatzverhalten während des Presshärten nachhaltig verbessert werden soll. Für die Untersuchun-gen werden verschiedene Hartstoffpartikel mittels Laserimplantationsverfahren in die Werkzeugoberfläche eingebracht. Die so modifizierten Oberflächen werden an-schließend einem abgewandelten Pin on Disc Test unterzogen wodurch sich unterschiedliche Einflussgrößen wie Oberflächenkennwerte, Reibzahlen oder Verschleiß ermitteln lassen. Abschließend werden die Ergebnisse der laserimplan-tierten Proben, mit denen von konventionell hergestellten und beschichteten Ver-suchsproben verglichen und eruiert.

2 Stand der Technik

Im folgenden Kapitel werden die für das Verständnis der Arbeit benötigten Grundla-gen vermittelt. Begonnen wird mit einem Überblick zu Verfahrensvarianten der Fertigung durch Presshärten, wobei zwischen direkten und indirekte Presshärten differenziert. Nachfolgend wird auf die bei dem Umformprozess eintretenden tribologischen Bedingungen und Verschleißmechanismen eingegangen und in Verbindung mit verschiedenen Wärmeübertragungsarten gebracht. Abschließend wird ein Überblick über Werkzeugmodifikationen und Beschichtungen für Halbzeuge gegeben und ebenfalls auf Beschichtungsmechanismen eingegangen. Um eine Eingliederung des Presshärtens in die unterschiedlichen Umformverfahren zu ermöglichen, wird in Abbildung 1 eine Einteilung der Umformverfahren nach DIN 8582 nach Beanspruchungsart beim Umformprozess für einen Napfziehversuch vorgenommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einteilung der Umformverfahren nach DIN 8582 11

2.1 Pressh ä rten

Das Presshärten ist in der Automobilindustrie ein etabliertes und weitverbreitetes Verfahren, um hochbelastete Karosseriebauteile herzustellen. Da bei diesem Prozess eine Umformoperation simultan in einem Schritt mit einer Vergütung stattfindet, handelt es sich bei diesem um ein hoch komplexes Fertigungsverfahren.

Die wesentlichen Vor- und Nachteile des Presshärtens werden von Doege et al. 12 wie folgt dargestellt.

Vorteile des Pressh ä rtens:

- Realisierung komplexer Bauteilgeometrien, die in der Kaltumformung nur auf-wendig realisierbar sind
- Reduzierung der benötigten Umformstufen und -kräfte
- Hohe Formgenauigkeit

Nachteile des Pressh ä rtens:

- Aufwendige Anlagen und Werkzeuge
- Hoher Verschleiß an Werkzeugen
- Korrosionsschutz muss ggf. nachträglich gewährleistet werden
- Höherer Zeitaufwand (Austenitisierungszeit)

2.1.1 Verfahrensvarianten des Pressh ä rteprozesses

Beim Presshärten lassen sich zwei Verfahrensvarianten unterscheiden, welche durch eine unterschiedliche Reihenfolge der Prozessschritte eingeteilt werde. Zunächst wird wie in Abbildung 2 das direkte Presshärten beschrieben 7.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Prozessschritte beim direkten Presshärten 13

Die Abfolge der Prozessschritte beim direkten Presshärten stellt sich wie folgt dar:

1. Platinenbeschnitt (nicht abgebildet)
2. Austenitisierung
3. Umformen und Abschrecken
4. Endbeschnitt

Hierbei werden zugeschnittene Stahlplatinen in einem Durchlaufofen über die werkstoffspezifische Ac3-Temperatur erwärmt. Für die verwendete Legierung 22MnB5 liegt die Ac3-Temperatur zwischen 840°C und 850°C 10. Die Stahlhalbzeu-ge verweilen für 6 Minuten bei einer Temperatur von 950°C im Ofen. Anschließend werden diese in ein gekühltes Werkzeug eingelegt. Während dem Transfer der Platine zum Werkzeug ist auf eine kurze Transferzeit zu achten, um ein Auskühlen des Blechs zu verhindern. Im Werkzeug wird das Blech dann mit Stößelgeschwindig-keiten von bis zu 350 mm/s innerhalb von wenigen Sekunden (ein bis zwei Sekun-den) umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt, wobei die Endgeometrie beibehalten wird 13. Das Abschrecken erfolgt dabei mit Abkühlgeschwindigkeiten von über 50 K/s, wodurch sich martensitisches Gefüge im Werkstoff einstellt. Abschließend findet ein Endbeschnitt statt, um die finale Form festzulegen. Wesentliche Vorteile dieses Verfahren verglichen mit konventionellen Umformungs- und Härteverfahren, ist eine Verkürzung der Prozesskette und somit Kosteneinsparungen. Durch Verwendung eines solchen Prozesses ist es möglich Festigkeiten von über 1500 MPa zu errei-chen, welches verglichen mit der Festigkeit des Ausgangsmaterials von ca. 310 MPa eine Steigerung 384 % entspricht 13.

Neben dem direkten Presshärten findet das indirekte Presshärten als zweite Verfah-rensvariante, Anwendung in der Industrie. Wie in Abbildung 3 dargestellt unterschei-det sich dabei die Abfolge der Prozessschritte verglichen mit dem direkten Presshär­ten, da dieser Verfahrensvariante eine Umformung vor der Austenitisierung stattfin-det.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Prozessschritte beim indirektes Presshärten 13

Die Abfolge der Prozessschritte beim indirekten Presshärten stellt sich wie folgt dar:

1. Platinenbeschnitt (nicht abgebildet)
2. Umformen
3. Austenitisierung
4. Abschrecken
5. Endbeschnitt und Oberflächenbehandlung
6. Reinigung

Bei dieser Verfahrensvariation durchlaufen die beschnittenen Platinen zunächst einen vorgelagerten konventionellen Kaltumformprozess, wodurch die Endgeometrie des Bauteils bereits auf 90 – 95 % vorgeformt wird 14. Im nächsten Schritt wird das im Ofen erwärmte (austenitisierte) Bauteil, wie beim direkten Presshärten in der Presse umgeformt und abgeschreckt. Abschließend erfolgten der Endbeschnitt und eine Oberflächenbehandlung des Bauteils 10. Durch das Presshärten der letzten 5 – 10% der Geometrie kann ein möglicher durch die Austenitisierung entstandener thermischer Verzug kompensiert werden, dieser Prozessschritt wird auch als Kalibrierung bezeichnet. Der Vorteil dieser Verfahrensvariation besteht darin, dass durch den vorgelagerten Kaltumformprozess komplexere Bauteilgeometrien als beim direkten, einstufigen Verfahren erreicht werden können 14. Ein Nachteil gegenüber dem direkten Presshärtens besteht durch eine Steigerung der Komplexität der Prozessführung. So entstehen bedingt durch den Prozessschritt der vorgelagerten Kaltumformung zusätzliche Kosten und die Prozessdauer verlängert sich 15.

Eine Weiterentwicklung der beiden standardisierten Presshärtevarianten bildet das Partielle Presshärten. Durch diese Verfahrensvariante lassen sich Bauteile mit lokal angepassten mechanischen Eigenschaften herstellen. Bei diesem Sonderverfahren, wird entweder das Blech nur partiell austenitisiert, um anschließend Bereiche mit einer guten Restduktilität zu erhalten oder es wird ein sogenannte „Tailored Tempe­ring Prozess“ eingesetzt, bei welchem das Werkzeug lokal beheizt ist, wodurch die martensitbildende Gefügeumwandlung im Stahl unterbunden werden kann 16. Durch den Einsatz von partiell Pressgehärteten Bauteilen lässt sich die hohe Festigkeit von konventionell pressgehärteten Bauteilen mit duktilen Bereichen kombinieren. Diese Kombination kann die Crashperformance einer Karosserie deutlich verbessern 17.

2.1.2 Werkzeuge und Halbzeuge

Für pressgehärtete Bauteile werden im Wesentlichen zwei verschiedene Werkstoffe verwendet. Vorwiegend werden Halbzeuge aus dem mikrolegierten Vergütungsstahl 22MnB5, welcher als Platine vorliegt, verwendet 8. Wenn kein Bor-Mangan-Stahl verwendet wird, wird in der Regel der mikrolegierte Stahl H340LA benutzt 15. Die Auswahl des jeweiligen Werkstoffs, erfolgt durch den Anwendungsbereich des hergestellten Bauteils und durch die geforderten mechanischen Eigenschaften. Während 22MnB5 nach dem Herstellungsprozess eine hohe Härte bei geringer Duktilität aufweist, zeichnet sich H340LA durch hohe Duktilität bei geringerer Härte aus 19. Durch diese Materialeigenschaften lässt sich 22MnB5 hervorragend für sicherheitsrelevante Strukturbauteile im Automobilbau verwenden, welche beim Crashfall den Fahrgästen ausreichend Schutz bieten. H340LA wird hingegen für Strukturen verwendet, welche sich im Crashfall definiert verformen und damit die auf die Karosserie wirkende Energie aufnehmen können 15. Neben den beiden genannten Werkstoffen, sind jedoch auch Stähle mit anderen Legierungsanteilen von Bor und Mangan beim Presshärten im Einsatz. Ein Beispiel hierfür wäre der Werk-stoff MBW-K 1500, welcher eine Zugfestigkeit von bis zu 2000 MPa erreicht 18. Neben dem Werkstoff der Platine ist auch die Wahl einer geeigneten Beschichtung dieser für den Prozesserfolg entscheidend 7. Während der Austenitisierung werden die Blechhalbzeuge hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch es zu Oberflächen-veränderungen kommt und ein ausreichender Korrosions- und Verzunderungsschutz gewährleistet werden muss. Ist dies nicht der Fall, so ist es vor der Weiterverarbei-tung notwendig, die Oberfläche zu nächst zu reinigen oder gar durch Schweißen oder Lackieren aufwendig aufzubereiten 19. Die aufgebrachte Beschichtung bringt jedoch neben der Konservierung des Werkstoffs auch Probleme in den Prozess ein, so muss der Abrieb des Beschichtungssystems möglichst klein ausfallen und die Liquidustemperatur niedriger als die Austenitisierungstemperatur des verwendeten Trägerwerkstoffs sein 13.

Als Beschichtungen für den direkten Presshärteprozess haben sich Werkstoffsyste-me aus Aluminium-Silizium etabliert, welche sich im Verhältnis von 9 Teilen Alumini­um zu 1 Teil Silizium zusammensetzen. Die Beschichtung erfolgt dabei durch Feueralumieren wodurch sich eine Schichtdicke von ca. 20 μm ergibt. Die Schmelz-temperatur dieser Legierung beträgt ungefähr 620°C und liegt damit deutlich unter der Ac3-Temperatur von 820°C des mikrolegierten Bor-Mangan-Stahls 22MnB5 7. Durch Diffusionsvorgänge von Eisenatomen in die Beschichtung 20 welche während der Erwärmung im Durchlaufofen stattfinden, steigt die Schmelztemperatur auf etwa 1100°C an was zur Ausbildung einer ternären Fe-Al-Si-Schicht führt 7. Da es sich bei dieser Art der Beschichtung um einen passiven Korrosionsschutz handelt, ist dieser nur dann vollständig wirksam, solange es während der Umformung nicht zur Bildung von Rissen kommt. Weiter sind auf Grund des Zuschnitts der Platinen die Schnittkanten nicht geschützt, weswegen diese zusätzlich lackiert werden müssen 13.

Beim indirekten Presshärten lässt sich jedoch aufgrund von Rissanfälligkeiten während der Kaltumformung nicht auf eine Aluminium-Silizium Beschichtung zurückgreifen. Dies ist der Grund weshalb beim indirekten Presshärteprozess auf Beschichtungen mit Zink als Basislegierungselement als kathodischer Korrosions-schutz zurückgegriffen wird. Da der Schmelzpunkt von Zink jedoch bei 420°C liegt, werden der Legierung Elemente wie Aluminium beigefügt, um eine Verdampfung und Oxidation der Schicht zu vermeiden, da durch das Beimengen der Schmelzpunkt erhöht wird. Gängige Zinkbasierte Beschichtungssysteme sind beispielsweide Usibor Gl (Zn-Al) und Usibor GA (Zn-Fe) 19.

Da die Werkzeuge um die minimale Abkühlgeschwindigkeit des Halbzeugwerkstoffes zu erreichen durch Wasser gekühlt werden, sind diese starken thermischen Belas-tungen ausgesetzt. Hierfür werden Kühlkanäle unter die Bauteiloberfläche einge-bracht, welche eine schnelle Abfuhr der Wärme gewährleisten und so die Werkzeuge thermisch entlasten. Die minimale Abkühlrate ist die Geschwindigkeit, unter welcher das Halbzeug abkühlen muss, um eine Umwandlung von der kubisch flächen-zentrierten (kfz) Hochtemperaturphase Austenit in die tetragonal raumzentrierte metasabile Martensitphase zu bewirken 19.

Da beim Presshärten zum Teil große Relativbewegungen zwischen Werkzeug/ Werkstück auftreten und aufgrund der hohen Temperaturen, ist ein Einsatz von Schmiermitteln nicht möglich 19. Dies ist der Grund, weshalb die Werkzeuge beschichtet werden. Die Beschichtung von Werkzeugen ist bereits seit etwa den 1970er Jahren gängige Praxis in der Zerspanung 21. Hier werden vor Allem Hartmetallbeschichtungen wie beispielsweiße Titannitrid (TiN) oder Titanaluminium-nitrid (TiAlN) verwendet 22. Neben TiAlN basierten Beschichtungen werden auch Systeme mit Aluminium-Chrom-Nitrid (AlCrN) als Legierungselemente untersucht, diese Beschichtungssysteme zeigen eine höhere Temperaturbeständigkeit bei zeitgleich geringerem Verschleiße 13.

2.1.3 Umwandlungshärtung

Stahlwerkstoffe besitzen bedingt durch ihre Gefügestrukturen unterschiedliche Eigenschaften. Diese Phasenausbildungen treten unter verschiedenen Temperatu-ren und Kohlenstoffanteilen auf. Neben der Temperatur sind jedoch auch noch die Legierungselemente für beispielsweise die Härte des produzierten Werkstoffs entscheidend 23. Aufgrund dieser Besonderheit, welche im Fe-Fe3C-Diagramm dargestellt ist, lassen sich Stahlwerkstoffe durch verschiedene Mechanismen Härten 24.

Für das Presshärten ist insbesondere der Umwandlungsvorgang von Austenit zu Martensit wichtig, weswegen im Folgenden nur dieses Umwandlungshärtemecha-nismus beschrieben wird 19. Martensitisches Gefüge wird beim Presshärten angestrebt, da es die Stahlphase mit der höchsten Härteausbildung ist. Der Här-teprozess beginnt zunächst mit der Erwärmung des Ausgangswerkstoffs über die Austenitisierungstemperatur Ac3, hierbei wird die Gitterstruktur des Stahls in Austenit umgewandelt, welcher ein kubisch-flächenzentrierten Gitteraufbau besitzt. Anschlie-ßend wird der Werkstoff schnell abgekühlt, wobei die notwenige Abkühlgeschwindigkeit von den enthaltenen Legierungselementen abhängt. Ist die Abkühlung zu langsam findet durch Diffusionsvorgänge des enthaltenen Kohlenstoffs eine Um-wandlung zu einer kubisch-raumzentrierten Phase beispielsweise Perlit statt 23. Ist jedoch die Abkühlrate des Werkstoffs groß genug, so kann der im Austenit gelöst vorliegende Kohlenstoff nicht mehr durch das Gitter diffundieren, wodurch sich kubisch-raumzentrierte ferritische Bereiche ausbilden. Der dadurch zwangsgelöste Martensit, liegt anschließend in sogenannten Martensitnadeln vor, welche ein tetragonal verzerrtes kubisch raumzentriertes Gitter besitzen, welches in Abbildung 4 dargestellt ist 8.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Fließkure von 22MnB5 und Gefügezusammensetzung (Grundzustand und gehärtet) 7

2.2 Tribologie

Der Begriff Tribologie besitzt seinen Ursprung im griechischen und setzt sich aus den Wörtern „tribos“ und „-logia“ zusammen, was frei als die Lehre der Reibung übersetzt werden kann 25. Teilgebiete der Tribologie sind beispielsweise Reibung und Verschleiß. Da es beim Presshärten durch die Relativbewegung zwischen Werk- und Halbzeug Reibung auftritt, kommt es in Folge dieser auch zu Verschleiß 25. Diese beiden Faktoren beeinflussen maßgeblich die Standzeit eins Werkzeugs, die Prozessstabilität und haben somit auch Einfluss auf die Qualität der produzierten Formteile 8. In Folgenden wird auf die für diese Arbeit notwendigen Arten von Reibung und Verschleiß eingegangen.

2.2.1 Tribologisches System

Ein wichtiger Teil der Tribologie, ist das „Tribologische System“, welches aus fünf Komponenten aufgebaut ist. Abbildung 5 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Systems. Die Stoffe, aus denen diese Komponenten bestehen, sind maß-geblich für die auftretenden tribologischen Eigenschaften im System verantwortlich. Welche Auswirkungen unterschiedliche Körpereigenschaften verursachen, wird in den nachfolgenden Kapiteln näher eingegangen 27.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Schematischer Aufbau eines tribologischen Systems 27

Zusätzlich lassen sich tribologische Systeme noch in zweierlei Typen unterscheiden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Geschlossenes– und offenes Tribosystem 27

So handelt es sich um ein geschlossenes System (Abbildung 6a), wenn die Flächen der beiden Kontaktpartner gleichbleiben und um ein offenes System (Abbildung 6b), wenn sich eine der beiden Flächen ändert.

2.2.2 Reibung

Wie bereits erwähnt, tritt in einem tribologischen System zwischen dem Grund- und dem Gegenkörper eine Wechselwirkung auf, welche als Reibung bezeichnet wird. Es handelt sich also folglich um einen Bewegungswiderstand, welcher sich als Wider-standskraft zweier sich berührender Körper darstellt, welche gegen die Einleitung oder Aufrechterhaltung einer Relativbewegung wirkt. Diese Art der Reibung wird als „äußere Reibung“ genannt, wobei es neben dieser auch die „innere Reibung“ von Stoffen gibt, welche als Viskosität bezeichnet wird und von der Rheologie beschrie-ben wird 26.

Die Höhe der Reibung, oder Reibkraft, ist von einigen Parametern wie der Oberflä-chenbeschaffenheit, Werkstoffpaarungen, Zwischenschichten, Anpressdrücken oder der Relativgeschwindigkeit abhängig. Von besonderer Bedeutung für den Presshär-teprozess ist dabei die Oberflächengüte und die Werkstofftemperatur des beschich-teten Halbzeugs nach der Austenitisierung 8.

Die verschiedenen Reibungszustände können durch eine Stribeckkurve eingeteilt werden, von welcher in Abbildung 7 ein schematischer Aufbau dargestellt ist 26. Da aufgrund der beim Presshärten auftretenden hohen Temperaturen keine Schmiermittel verwendet werden können, sind sowohl der Bereich der Festkörperrei-bung (0) also auch der der Grenzreibung (1) von Bedeutung 8. Als Festkörperrei-bung wird die Reibung beim unmittelbaren Kontakt von Grund- und Gegenkörper, welcher zu hohen Reibzahlen führt und wodurch hoher Verschleiß auftritt, weshalb es diesen Zustand zu vermeiden gilt. Aus diesem Grund werden beim Presshärten verschiedene Beschichtungen verwendet, auf welche in Kapitel 2.4 näher eingegan-gen wird 13.

Es ist also durch den Einsatz von speziellen Oberflächenbehandlungen möglich von der Festkörperreibung in einen Grenzreibungszustand zu kommen, bei welchem die Wirkpartner durch eine Trennschicht miteinander im Kontakt stehen. Sollte jedoch eine Rauheitsspitze die Beschichtung durchbrechen, oder ist diese schadhaft, so liegt weiterhin Festkörperreibung vor 13.

Mischreibung liegt vor, wenn zusätzlich eine geringe Schmierstoffmenge eingesetzt wird, wodurch ein Schmierstofffilm entsteht. Dieser trennt jedoch die Wirkpartner nicht vollständig, weswegen es weiterhin lokal zu Berührungen kommen kann 13. Sind die beiden Kontaktpartner gänzlich voneinander getrennt, es findet also kein direkter Kontakt mehr statt, so wird dieser Zustand als hydrodynamische Reibung bezeichnet 13.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Stribeckkurve zur Abbildung der Reibkraft in Abhängigkeit der Reibge-schwindigkeit 26

2.2.3 Verschleiß

Czichos et al. 26 beschreibt in seinem Tribologie-Handbuch Verschleiß folgender-maßen: „ Verschlei ß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfl ä che eines festen K ö rpers (Grundk ö rper), hervorgerufen durch tribologische Beanspruchungen, d. h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, fl ü ssigen oder gasf ö rmigen Gegenk ö rpers. “ (Czichos 2015, S345).

Ausgehend von der Ursache wodurch die Oberflächenveränderung ausgelöst wird, ist es möglich den Verschleiß in unterschiedliche Verschleißmechanismen einzutei-len. Meistens treten diese Mechanismen gemeinsam auf, wobei sich durch eine anteilige Verteilung dieser, der Gesamtverschleiß zusammensetzt 28.

Meistens wird Verschleiß als negative Begleiterscheinung im laufenden Prozess angesehen, er kann aber auch die Grundlage für verschiedene technologische Prozesse wie Schleifen, Polieren oder Sandstrahlen sein. Üblicherweise werden die verschiedenen Verschleißarten aufgrund des zugrundeliegenden physikalischen Mechanismus eingeteilt, welche in Abbildung 8 dargestellt werden 29.

Abrasiver Verschleiß passiert, wenn Kontaktpartner unterschiedlicher Härte aufei-nandertreffen oder sich harte Teilchen in der Zwischenschicht befinden. Der härtere Werkstoff reißt oder schneidet dabei durch Rauheitsspitzen den weicheren Werk-stoff, wodurch es zu Mikroverformungs- und Mikrozerspanungprozessen kommt 28. Ein Merkmal dieses Verschleißmechanismuses sind die in Gleitrichtung verlaufenden Furchen, welche durch den härteren in den weicheren Werkstoff eingebracht werden 29.

Als Oberflächenzerrüttung bezeichnet man die Ermüdung von Festkörperoberflächen als Folge einer zyklischen Beanspruchung bis hin zur Delamination. Durch eine wiederkehrende Wechselbelastung kommt es zur Schädigung durch oberflächenna-he Rissbildung was ein Abfallen von kleinsten Werkstoffteilchen als Folge hat 29. Dabei lässt sich der Prozess der Oberflächenzerrüttung in verschieden Phasen einteilen. Zunächst beginnt die Schädigung mit der Inkubationsphase, während der sich die ersten Risse auf oder unter der Oberfläche bilden und ausbreiten. Bleibt die Oberfläche nun weiter der Belastung ausgesetzt so kommt es zum Ausbrechen von Partikeln aus dieser, was als Delamination bezeichnet wird 28.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Übersicht der Verschleißmechanismen 26

Tribochemische Reaktionen sind chemische Veränderungen von Grund- und oder Gegenkörper eines Tribologischen System, wobei die Bestandteile des Systems mit dem Umgebungsmedium oder dem Schmierstoff reagieren. Dabei kommt es zur Entstehung spröder Reaktionsprodukte beispielsweise infolge einer Veränderung mit dem Luftsauerstoff (Tribooxidation), welche sich in durch eine mechanische Bean-spruchung von der Werkstoffoberfläche lösen 30. Die chemischen Prozesse werden durch die mechanische und thermische Energie aktiviert und beschleunigt, was einen Anstieg der Grenzflächenenergieniveaus zur Folge hat 28.

Adhäsiver Verschleiß ist durch einen Materialübertrag gekennzeichnet, welcher auftritt, wenn die Kontaktpartner eine gleiche oder ähnliche Härte aufweisen. Die dadurch entstehenden Materialanhaftungen (Mikro-/Kaltverschweißungen) auf der Oberfläche entstehen dadurch, dass eine Oberfläche nie vollkommen eben ist, was durch viele kleine Kontaktflächen gekennzeichnet ist. Diese Rauheitsspitzen werden bei der Bewegung elastisch oder plastisch verformt, wodurch vorhandene Adsorpti­ons- oder Oxidationsschichten zerstört werden und somit chemische Bindungen zwischen den Reibpartnern ermöglicht werden 30. Typische Schadbilder von adhäsivem Verschleiß sind, Riefen, plastische Verformung, Werkstoffübertrag und Gefügeumwandlungen. Dieser Schädigung der Oberfläche kann durch die Wahl eines geeigneten Schmierstoffes oder durch die Verwendung geeigneter Werkstoff-paarungen vorgebeugt werden 28.

Adhäsion ist beim Presshärten zusammen mit der Abrasion der am stärksten beeinflussende Verschleißmechanismus 8. Diese wird zum einen durch die hohen Prozesstemperaturen, als auch durch die zyklische Belastung und Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Halbzeug begünstigt. All diese Faktoren stellen eine enorme Herausforderung an die Werkzeug-Werkstückpaarung, es kommt auf Folge dessen zum Herauslösen von Partikeln aus der Werkzeugoberfläche, welche sich mit Elementen der Halbzeugbeschichtungen verbinden und anschließend zu Aufschwei-ßungen auf dem Werkzeug führen. Das Vorkommen dieser Kaltverschweißungen wird vornehmlich auf gekrümmten Werkzeugbereichen, wie zum Beispiel dem Radius eines Ziehringes beobachtet und führt zu Beschädigungen dieses, was letztendlich Fehlerhafte Teile mit sich führt 31.

Ein entscheidender Faktor für das Auftreten von Kaltverschweißungen stellt die Temperatur da. Es konnte nachgewiesen werden, dass im Temperaturbereich von 600 bis 750°C ein deutlicher Unterschied der Adhäsionsneigung vorherrscht. So wurde bei 600°C eine deutlich geringere Neigung zu Kaltverschweißungen im Vergleich zu einer Temperaturerhöhung auf 750°C verzeichnet, es besteht also eine signifikante Zunahme von Oberflächenanhaftungen 31.

2.3 Oberflächen- und Rauheitsmessung

Jeder Körper besitzt eine Oberfläche mit bestimmten Eigenschaften. Die Aufgabe einer Oberfläche ist es bestimmte Funktionen zu erfüllen, welche dabei entscheidend für die Standzeit eines Bauteils sein können 32. Aus diesem Grund ist es notwendig, dass die Oberfläche das an sie gestellte Eigenschaftenprofil möglichst genau erfüllt, weswegen der Eigenschaftsbereich eine enge Toleranz besitzt 32. Eine genaue Überwachung (Monitoring) des Prozesses ist dabei obligatorisch, da jede Änderung im Fertigungsprozess eine Änderung der Oberflächenbeschaffenheit und damit der Eigenschaften mit sich bringt. Eine Endkontrolle der Erzeugnisse muss deswegen final durchgeführt werden 32.

Abweichungen von einer Idealen Oberfläche werden als Oberflächenunregelmäßigkeiten beschrieben. Diese Gestaltabweichungen lassen sich in verschiedene Ordnungen unterteilen, wobei sich durch deren Überlagerung die eigentliche Oberfläche zusammensetzt. In Tabelle 1 werden die verschiedenen Gestaltabweichungen in 6 Ordnungen untergliedert 32.

Tabelle 1: Gestaltabweichungen von Oberflächen 32

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese, aus der Summe der einzelnen Rauheitsordnungen bestehende Oberfläche, lässt sich über die Rauheitskenngröße beschreiben und vereinfachern. Diese Kenngröße ist mit einer Toleranz vergleichbar, wodurch sich die Einhaltung gefordertet Oberflächeneigenschaften überprüfen lassen 32.

Der industrielle Standard bei Rauheitsanlysen von technischen Oberflächen repräsentiert das Tastschnittverfahren (bspw. Perthometer). Mit diesem Verfahren ist eine Oberflächenmessung von 2D-Profilschnitten nach DIN ISO EN 4287 möglich 32. Um nun aus diesen Profilschnitten das entsprechende Linienprofil abzuleiten, wird der Messtaster über die zu messende Stelle der Oberfläche geführt. Durch Anwenden von vorgegebenen Filtern wird aus dem Primär- das Rauheitsprofil ermittelt 33. Diese Linienkenngrößen werden mit einem R als Präfix gekennzeichnet und sind dadurch zu erkennen. Die gebräuchlichste der Linienkenngrößen ist die gemittelte Rautiefe Rz 32.

Neben Linienkenngrößen gibt es ebenfalls Flächenkenngrößen, welche in der ISO-25178 beschrieben werden, diese Kennwerte werden mit einem S als Präfix beschrieben. Um diese zu erhalten, werden Oberflächen in flächigen Bereichen betrachtet und gemessen. Dabei beschreibt die mittlere arithmetische Höhe (Sa) den Unterschied eines jeden einzelnen Punktes der Oberfläche abgeglichen mit dem arithmetischen Mittelwert der Oberfläche. Durch diese Kenngröße lässt sich die Oberflächenrauheit bestimmen 35.

Die Differenz zwischen der minimalen Höhe und der maximalen Höhe der Kernoberfläche wird als die Kernhöhe Sk bezeichnet. Dieser Parameter berechnet sich durch die Differenz der der Höhen der flächenhaften Materialanteilwerte 0% und 100% auf der Äquivalenzgeraden. Eine Darstellung dieser Bestimmungsmethode wird in Abbildung 9 gezeigt 36.

Ein weiterer wichtiger Kennwert für die Beschreibung von Oberflächen ist die Reduzierte Spitzenhöhe Spk. Dieser Parameter beschreibt die durchschnittliche Höhe der Spitzen über der der Kernoberfläche 37. In Abblidung 8 ist die Bestimmung des Kennwertes durch den Parameter Smr1 dargestellt. Dieser beschreibt den flächenhaften Materialanteil, welcher die reduzierten Spritzen von der Kernhöhe abtrennt 36.

Weiter wird in Abbildung 9 die reduzierte Talhöhe Svk durch den Parameter Smr2 bestimmt. Dieser Rauheitskennwert drückt das arithmetische Mittel der reduzierten Riefentiefe der Fläche-Material-Verhältnis-Kurve aus, wodurch sich eine Aussage darüber treffen lässt, wie tief ein bestimmter Bereich auf der Oberfläche ist, vergli-chen mit der Kernoberfläche. Somit kann beispielsweise eine Aussage darüber getroffen werden, wieviel Flüssigkeit sich an einer bestimmten Stelle sammelt und welche Schmiereigenschaften vorherrschen 38.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Materialanteilkurve mit Bennenung der Rauhheitskenngrößen 36

2.4 Werkzeugoberfl ä chenmodifizierung

Bei der Herstellung von Werkstücken durch Presshärten kommt es durch die vorherrschenden Einsatzbedingungen der Werkzeuge zu Verschleiß auf deren Oberfläche. Um diesen zu reduzieren werden verschiedene Modifikationen vorge-nommen. Zum einen werden die Werkzeuge mit dünnen Beschichtungen versehen, welche bereits in der Zerspanungstechnik zum Standard gehören 13. In Kapitel 2.1.2 wurden bereits auf die verwendeten Beschichtungen eingegangen, weswegen im Folgenden auf die zur Herstellung dieser Oberflächenmodifizierung verwendeten Verfahren eingegangen wird. Die Herstellung der Dünnschichtmodifizierung erfolgt durch die Dünnschichttechnologie der Gasabscheidung, welche sich in zwei Verfah-rensvariationen unterscheiden lässt. Zum einen können Oberflächenbeschichtungen durch Chemical Vapour Deposition (kurz CVD) hergestellt werden, oder aber durch Verwendung des Physical Vapour Deposition (kurz PVD) Verfahrens, wobei letzteres das für diese Arbeit verwendete Verfahren ist 8.

2.4.1 Beschichtung durch Gasabscheidung

Durch Deposition atomarer Teilchen lassen sich aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand dünne Schichten auf Oberflächen auftragen 39. Im Folgenden werden die beiden am weitesten verbreiteten Verfahren beschrieben.

[...]

Ende der Leseprobe aus 78 Seiten

Details

Titel
Das tribologische Einsatzverhalten von laserimplantierten Werkzeugoberflächen für den Presshärteprozess
Hochschule
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Note
1,7
Autor
Jahr
2020
Seiten
78
Katalognummer
V541378
ISBN (eBook)
9783346198372
ISBN (Buch)
9783346198389
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Presshärten, Oberflächenbeschichtung, Laserprozess, Umformtechnik, Tribologie
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

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