Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) Zusammenfassung Einleitung Stand der Technik... 5

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2 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 1 Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung Einleitung Stand der Technik Ausgangssituation Verschleißmechanismen an Hartstoffschichten Bedarf bei Unternehmen Problemstellung und Arbeitsprogramm Werkstoffe und Prozesstechnik Auswahl repräsentativer Umformprozesse und -werkzeuge Werkzeugwerkstoffe Blechwerkstoffe Ausgewählte Beschichtungen FEM-Simulation von Belastungszuständen Beschichtung / Charakterisierung von Testsubstraten Beschichtung von Testsubstraten für die Ermittlung der Schichtkennwerte Ermittlung von Schichtkennwerten auf Referenzproben mit Standardprüfverfahren Schichtdicke Haftfestigkeitsuntersuchung mit dem Rockwell Test: Haftfestigkeitsuntersuchung mit dem Scratch Test: Mikrohärte Verschleiß Reibung Zusammenfassung der Charakterisierungsergebnisse Geometrieabhängigkeit der Schichteigenschaften Schichtdicke Mikrohärte Haftung Fazit... 33

3 2 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 7. Beschichtung / Charakterisierung von Werkzeugaktivteilen Verwendete Beschichtungen und Werkzeuge Ermittlung von Schichtkennwerten auf Werkzeugaktivteilen Schichtdickenmessung mit IR-Licht Transmission Haftungsprüfung mit dem Scratch Test Anwendungsversuche mit Werkzeugaktivteilen Schichtbelastung in Umformversuchen Streifenziehen Scherschneiden Tiefziehen Verschleißanalyse nach den Anwendungsversuchen Verschleißanalyse an den Streifenziehwerkzeugen Verschleißanalyse an den Scherschneidwerkzeugen Ableitung von Handlungsempfehlungen Erstellung von Lastenheften für die Werkzeugbeschichtung Prüfung von Beschichtungen auf Werkzeugaktivteilen Anwendungsempfehlungen für Werkzeugbeschichtungen Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft Literatur Abkürzungen... 77

4 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 3 1. Zusammenfassung Untersucht wurden Werkzeugbeschichtungen für die Blechumformung. Das Ziel des Projekts war, belastungsbezogene Grundlagen für die Auslegung von Werkzeugbeschichtungen bereitzustellen und Handlungsempfehlungen für ihre Prüfung auf Werkzeugaktivteilen vor der Anwendung zu geben. Dies soll den Unternehmen der Umformtechnik die Möglichkeit geben, das Potenzial von Werkzeugbeschichtungen für die Umformtechnik besser nutzen zu können. Die Bearbeitung der einzelnen Arbeitspakete erfolgte entsprechend der Zuwendung durch den Einsatz von wissenschaftlichen Mitarbeitern, Technikern und wiss. bzw. stud. Hilfskräften. Der wissenschaftliche Mitarbeiter koordinierte die Auswahl der entsprechenden Umformverfahren und Schichtsysteme. Er führte die Belastungsversuche durch und charakterisierte die Testsubstrate. Er übernahm auch die Modellierung und die Modellerstellung für die FE-Simulation der Belastungszustände. Ihm oblagen die Bewertung der Versuchsergebnisse unter den vorgegebenen Gesichtspunkten und die Erstellung der Handlungsempfehlung. Der Techniker und die wissenschaftliche Hilfskraft übernahmen unterstützende Tätigkeiten bei der Versuchsvorbereitung sowie bei der Auswertung und Systematisierung der Ergebnisse. Die durchgeführten Arbeiten waren der zur Verfügung gestellten Förderung angemessen. Der Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles unterteilte sich in folgende Arbeitspakete: Nach der Auswahl relevanter Umformprozesse erfolgte die Konstruktion und Fertigung von Versuchswerkzeugen. Mit Hilfe von FEM Simulation wurden die zu erwartenden Belastungen auf den Versuchswerkzeugen bestimmt. Die Werkzeugkomponenten wurden zusammen mit einfachen Testsubstraten beschichtet. Die Schichteigenschaften wurden auf den Testsubstraten und Werkzeugkomponenten vergleichend charakterisiert. Untersucht wurde ein breites Spektrum von Beschichtungen aus den Gruppen der titan-, chrom-, bor- und kohlenstoffbasierten Beschichtungen. Berücksichtigt wurde die Abhängigkeit der Schichteigenschaften von der Bauteilgeometrie. Nach den experimentelle Untersuchungen mit Werkzeugaktivteilen im Rahmen von umformtechnischen Versuchen wurden Korrelationen zwischen den Schichteigenschaften auf den Testsubstraten und den Anwendungseigenschaften hergestellt. Auf Basis der Ergebnisse werden Anwendungsempfehlungen von Beschichtungen für die Umformung verschiedener Blechwerkstoffe in Abhängigkeit von der Werkzeugbelastung und dem Schmierstoffeinsatz gegeben. Zur Überprüfung der Mindestanforderungen an die Beschichtungen werden Testverfahren auf Basis von Standardprüfverfahren vorgeschlagen. Die Projektergebnisse können für die Werkzeugauslegung von Werkzeugbauern, Beschichtern und Werkzeuganwendern genutzt werden, um die Prozesssicherheit beim Einsatz von beschichteten Werkzeugen zu erhöhen. Abschließend wurde in einem fortgeschriebenen und ergänzten bzw. geänderten Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft dargelegt, welche der geplanten Transfermaßnahmen im bisherigen Verlauf dieses Projektes bereits durchgeführt wurden und im weiteren Verlauf sowie nach Projektende noch durchgeführt werden sollen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Das IGF-Vorhaben 9EBG der Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.v. (EFDS) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

5 4 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 2. Einleitung PVD-Schichten haben eine breite Anwendung in der Umformtechnik gefunden. Eine wirtschaftliche Fertigung mit hochbelasteten Umformwerkzeugen ist häufig nur durch die Verwendung geeigneter Werkzeugbeschichtungen möglich. Ziel dabei ist es, den Verschleiß gering zu halten und gleichzeitig gute tribologische Bedingungen auf der Werkzeugoberfläche einzustellen. In vielen Fällen gelingt das sehr gut, oft entsprechen die Einsatzeigenschaften von PVD-Schichten auf Werkzeugaktivteilen aber nicht den Erwartungen [17,18]. Vorzeitiges Schichtversagen (Bild1 und Bild 2) und unzureichende tribologische Eigenschaften, wie z.b. Materialanhaftungen des Werkstückwerkstoffes, sind die häufigsten Ursachen. Bild 1: Überlastete a-c:h-schicht auf einem Ziehwerkzeug Bild 2: Fehlerhafte TiN-Beschichtung auf einem Ziehstempel Das vorzeitige Versagen einer Werkzeugbeschichtung hat häufig erhebliche Auswirkungen auf die Bauteilqualität (z.b. Riefenbildung bis hin zu Reißern) und die Wirtschaftlichkeit eines Umformprozesses. Maschinenstillstandzeiten sowie die Aufarbeitung oder Neubeschaffung von Werkzeugen können sehr hohe Folgekosten verursachen, insbesondere bei komplex aufgebauten Werkzeugen, die in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess eingebunden sind. Dies führt dazu, dass Werkzeugbeschichtungen in vielen Bereichen noch sehr zurückhaltend eingesetzt werden, und neue, mit verbesserten tribologischen Eigenschaften ausgestattete Schichtsysteme, nur sehr langsam bereits eingeführte Schichtsysteme verdrängen. Das Potenzial von Werkzeugbeschichtungen für eine wirtschaftliche Fertigung wird deshalb nur unvollständig genutzt.

6 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 5 3. Stand der Technik 3.1. Ausgangssituation Die Auswahl von Schichtsystemen für Umformwerkzeuge beruht bisher überwiegend auf Erfahrungswerten der Anwender und Beschichter. Der geplante Einsatzfall wird mit ähnlichen Anwendungen verglichen, bei denen ein Schichteinsatz erfolgreich war. In Form von einfachen Tabellen, wie sie einige Lohnbeschichter herausgeben, stehen allgemeine Anwendungsempfehlungen zur Verfügung. Tabelle 1 zeigt deren prinzipiellen Aufbau. In Abhängigkeit vom Umformverfahren und dem umzuformenden Werkstoff werden darin Schichtsysteme vorgeschlagen. Der Anwender erhält daraus die Information: Schichtsystem X ist wahrscheinlich für meinen Anwendungsfall geeignet. Blechumformung Massivum formung Halbw armumformung Stanzen Stahl < 500 N/mm² Stahl > 500 N/mm² Rostfreier Stahl Schicht A Schicht B Schicht D Schicht B Schicht B Schicht C Schicht B Schicht B Schicht D Schicht B Schicht C Schicht C Schicht D + E Schicht B Schicht D Schicht B Schicht C verzinkte Bleche Schicht D + E Schicht D + E Schicht D + E Aluminium + Schicht E Schicht D + E Schicht D Schicht D + E Al-Knetlegierung Schicht D Kupfer Schicht D Schicht D Schicht D Schicht D Messing Schicht D Schicht D Schicht D Tabelle 1: Prinzipieller Aufbau einer Anwendungsempfehlung für Werkzeugbeschichtungen in der Umformtechnik Das Schichtsystem X wird meistens von mehreren Lohnbeschichtern angeboten, wobei die Schichtbezeichnungen sehr unterschiedlich sein können. Der Anwender muss jetzt zu einer Entscheidung kommen, welche konkrete Werkzeugbeschichtung er von welchem Unternehmen einsetzen will. Als Entscheidungskriterien dienen ihm z.b. die Erfahrung mit dem ausgewählten Partner, dessen Lieferzeit und Preis, positive Anwendungsbeispiele dieses Beschichters, die geforderten Bauteilabmessungen, die Beschichtungstemperatur oder Kennwerte der Beschichtung, wie Härte, Reibungskoeffizienten oder Verschleiß. Für den Anwender ergeben sich bei der beschriebenen Vorgehensweise zur Auswahl von Werkzeugbeschichtungen zwei wesentliche Problembereiche:

7 6 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bisher erfolgt keine belastungsgerechte Auslegung von Werkzeugbeschichtungen. Die lokal auf der Werkzeugoberfläche im konkreten Anwendungsfall auftretenden Belastungen finden keine direkte Berücksichtigung. Die Einsatzeigenschaften von einzelnen Beschichtungen können sehr unterschiedlich sein, obwohl es sich um die gleichen oder sehr ähnliche Schichtsysteme handelt. Herstellungsbedingte Unterschiede in den Schichteigenschaften können gravierende Auswirkungen auf die Einsatzeigenschaften von Beschichtungen haben. Welche Möglichkeiten hat der Anwender, die Einsatzeigenschaften seiner Beschichtung zu prüfen? Die gängigen Prüfverfahren sind Anwendungsversuche unter Produktionsbedingungen, anwendungsnahe Modellversuche oder Laborversuche mit Standardprüfverfahren (z.b. Härte und Verschleißmessungen). Anwendungsversuche unter Produktionsbedingungen erlauben einerseits optimale Prüfbedingungen, andererseits sind sie oft sehr risikoreich - insbesondere bei teuren Großwerkzeugen - und sind im Produktionsprozess oft nicht durchführbar. Modellversuche, z.b. im Streifenziehversuch, können das Risiko für spätere Anwendungen unter Produktionsbedingungen deutlich reduzieren. Um eine gute Übertragbarkeit der Ergebnisse gewährleisten zu können, ist aber häufig ein hoher Aufwand erforderlich. Einfache Laborversuche, vor allem mit Standardprüfverfahren zur Ermittlung von Härte, Verschleiß, Haftungs- und Reibwerten sind sehr einfach und kostengünstig. Als Ergebnis stehen Schichtkennwerte zur Verfügung, die bisher aber nur sehr begrenzte Rückschlüsse auf die Einsatzeigenschaften von Werkzeugbeschichtungen zulassen. Woran liegt die begrenzte Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Standardprüfverfahren auf die Einsatzeigenschaften unter Produktionsbedingungen? Gibt es die Möglichkeit Schichtkennwerte für eine belastungsgerechte Auslegung von Werkzeugbeschichtungen zu nutzen, ähnlich wie Werkstoffkennwerte für die Wahl von Werkzeugwerkstoffen herangezogen werden? Im Wesentlichen sind zwei Gründe für die bisher begrenzte Übertragbarkeit der Ergebnisse verantwortlich: Die realen Belastungsverhältnisse auf der Werkzeugoberfläche finden bisher keine Berücksichtigung. Dies hat verschiedene Ursachen: o Die tatsächlichen Belastungen auf der Werkzeugoberfläche sind häufig unbekannt. o Die Korrelationen zwischen den Schichtkennwerten und den Einsatzeigenschaften einer Beschichtung sind bisher weitgehend unbekannt. Sie müssen erst noch ermittelt werden. Die Schichteigenschaften auf Testsubstraten können erheblich von denen auf einer realen Werkzeugoberfläche abweichen [1,11]. Die Ursachen dafür liegen im Wesentlichen in Besonderheiten der gängigen PVD-Beschichtungsprozesse. In Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie und der Anordnung des Werkzeugs in der Beschichtungskammer können die Abscheidebedingungen für die PVD- Beschichtungen sehr unterschiedlich sein. Lokale Schwankungen in den Schichteigenschaften sind die Folge. Dies betrifft vor allem Kanten, an denen oft auch die höchsten Belastungen auftreten. Abhilfe ist hier nur begrenzt möglich, da die Inhomogenität der Schichteigenschaften im Wesentlichen auf physikalische Effekte bei der Schichtabscheidung zurückzuführen ist. Folgende Voraussetzungen müssen für eine belastungsgerechte Auslegung von Werkzeugbeschichtungen erfüllt sein:

8 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 7 Der Ort und die Größe der maximalen Belastungen auf der Werkzeugoberfläche müssen wenigstens näherungsweise bekannt sein. Geeignete FEM-Simulationen können hier Hilfestellung leisten. Die Korrelationen zwischen den Schichtkennwerten und den Einsatzeigenschaften einer Beschichtung müssen vorliegen. Sie müssen ermittelt und in systematisierter Form zur Verfügung gestellt werden. Ein geeignetes Verfahren zur Prüfung der wesentlichen Schichteigenschaften auf Werkzeugaktivteilen muss zur Verfügung stehen. Lösungsansätze dafür liegen vor, müssen aber noch auf ihre Praxistauglichkeit überprüft werden Verschleißmechanismen an Hartstoffschichten Die Versagens- und der Verschleißmechanismen von Hartstoffschichten sind in der Literatur eingehend beschrieben [17,18, 20]. Grundsätzlich sind an dieser Stelle drei wesentliche Gründe für Schichtversagen zu unterscheiden: Lokale Überlastung als Ursache für adhäsives Versagen (Ablösung vom Substrat), kohäsives Versagen (Verlust des Schichtzusammenhalts) oder unzulässige plastische Verformung, langsam voranschreitender kontinuierlicher Schichtverschleiß, z.b. durch Abrasion, Versagen durch Ermüdungseffekte. Lokale Überlastungen führen meistens vergleichsweise schnell zu einem vollständigen Versagen der Beschichtung und haben oft gravierende Auswirkungen auf die Einsatzfähigkeit eines Werkzeugs. Der Übergang zum langsam voranschreitenden kontinuierlichen Schichtverschleiß und zum Versagen durch Ermüdungseffekte ist allerdings fließend, so dass eine klare Abgrenzung der Versagensursachen nicht immer möglich ist. Die Ursachen für eine lokale Überlastung liegen meistens in der fehlenden Abstimmung zwischen Schicht, Grundwerkstoff, Werkzeuggeometrie und prozessbedingten Spannungsspitzen Bedarf bei Unternehmen Folgender Bedarf wird bei den Unternehmen der Blechumformung gesehen, sowohl bei Anwendern als auch bei Werkzeugbauern und Lohnbeschichtern: Hilfestellung bei der Auswahl geeigneter Schichtsysteme und Schichten für Umformwerkzeuge In Form von allgemeinen Anwendungsempfehlungen Systematisierung Bereitstellung belastungsbezogener Grundlagen für die Schichtauslegung Welche Korrelationen bestehen zwischen Werkzeugbelastung, Schichtkennwerten und Einsatzeignung einer Beschichtung? Welche Größe müssen Kennwerte wie Haftfestigkeit, kritische Last, Härte, usw. mindestens für einen konkreten Einsatzfall aufweisen?

9 8 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bereitstellung einer Vor-Ort-Kontrollmöglichkeit von Werkzeugbeschichtungen in kritischen Bereichen Einfache Überprüfung der Mindestanforderungen an die Beschichtung Aus dem Bedarf bei den Unternehmen lassen sich direkt die Forschungsziele ableiten, die im nächsten Abschnitt erläutert werden.

10 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 9 4. Problemstellung und Arbeitsprogramm Das übergeordnete Forschungsziel war es, die Wirtschaftlichkeit und die Anwendungsgrenzen von Umformprozessen in der Blechumformung durch den gezielten und optimierten Einsatz von Werkzeugbeschichtungen zu verbessern. Die angestrebten Forschungsergebnisse leiteten sich direkt aus dem Bedarf bei den Unternehmen (siehe 3.3) ab. Diese waren im Einzelnen: Die Bereitstellung belastungsbezogener Grundlagen für die Auslegung von Werkzeugbeschichtungen. Diese sollten in Form einer Richtlinie für die Erstellung von Lastenheften zur belastungsbezogenen Auslegung von Werkzeugbeschichtungen allgemein verfügbar gemacht werden. Die Bereitstellung eines geeigneten Prüfverfahrens zur belastungsbezogenen Prüfung von Beschichtungen direkt auf der Werkzeugoberfläche. Nach Projektende sollte dazu eine Prüfrichtlinie zur Verfügung stehen. Mit Hilfe der Forschungsergebnisse sollte den Unternehmen der Blechumformung, den Werkzeugbauern und Beschichtern die Möglichkeit gegeben werden, auf Basis der am Werkzeug zu erwartenden Belastungen, Mindestanforderungen in Form eines Lastenheftes an eine Werkzeugbeschichtung stellen zu können, die mit Standardprüfverfahren verifizierbar sind. Durch Einhaltung der Mindestanforderungen seitens der Beschichter soll mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden, dass es zu einem vorzeitigen Versagen der Beschichtung kommt. Zusätzlich sollte eine Qualitätssicherung an dem beschichteten Werkzeug durch die Bereitstellung eines geeigneten Prüfverfahrens ermöglicht werden. Für den Anwender führt dies zu einem deutlich verminderten technischen und wirtschaftlichen Risiko beim Einsatz von Beschichtungen. Fehlschläge bei der Anwendung von Werkzeugbeschichtungen können reduziert werden. Mit Hilfe des angestrebten Forschungsergebnisses sollte es möglich werden, Beschichtungen in den Konstruktionsprozess eines Werkzeuges in gleicher Weise mit einzubeziehen, wie es bei Werkzeugwerkstoffen bereits Stand der Technik ist. Dort wird ausgehend vom Belastungsprofil eines Werkzeugs ein Lastenheft für den Werkzeugwerkstoff erstellt. Darin sind Grenzen für Materialkennwerte definiert, die für eine sichere Funktion des Werkzeuges eingehalten werden müssen. Nach diesen Vorgaben erfolgt die Auswahl und ggf. Wärmebehandlung des Werkstoffes. Dagegen beruht die Auswahl von Werkzeugbeschichtungen innerhalb des Konstruktionsprozesses bisher fast ausschließlich auf Erfahrungswerten. Damit sind große Unsicherheiten verbunden. Zusätzlich sollte gezeigt werden, dass es möglich ist, vor dem Einsatz eines beschichteten Werkzeugs, dessen Schichteigenschaften belastungsbezogen zu prüfen. Dadurch wird die Grundlage dafür geschaffen, eine Qualitätskontrolle der Beschichtung direkt auf der Werkzeugoberfläche etablieren zu können. Dies bedeutet einen erheblichen Fortschritt für die Prozesssicherheit beim Einsatz von beschichteten Werkzeugen.

11 10 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 5. Werkstoffe und Prozesstechnik 5.1. Auswahl repräsentativer Umformprozesse und - werkzeuge In zahlreichen Umformoperationen lässt sich durch den Einsatz beschichteter Aktivteile und deren reibungs- und verschleißmindernder Wirkung eine erhebliche Verlängerung der Werkzeug-Standmenge bei gleichzeitiger Minimierung des Schmierstoffeinsatzes erzielen. Während flüssige Schmierstoffe bei der Umformung aus der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Blech herausgedrängt werden, verhindert die Beschichtung bis zu einer kritischen Belastung den direkten Kontakt zwischen den metallischen Partnern und damit Kaltaufschweißungen. Die im Umformprozess vorherrschenden tribologischen Bedingungen sind somit neben dem Schmierstoff vom System Blechwerkstoff Beschichtung Werkzeugwerkstoff abhängig, beeinflussen z.b. das Einlaufverhalten des Bleches bei Tiefzieh- und Streckziehoperationen und damit auch das Umformergebnis. Je nach Umformprozess sind als stark beanspruchte Zonen die Flächen zwischen Matrize, Blechwerkstoff und Niederhalter sowie die Kontaktflächen zwischen Stempelradius, Blech und Matrizenradius bzw. zwischen den Biegekanten und dem Blechwerkstoff zu nennen. Gerade in Konturbereichen mit geringen Krümmungsradien oder mit hohen lokalen Formänderungen, wie beispielsweise beim Streckziehen von Karosserieteilen im Bereich der Türgriffmulde, sind durch die hohe Flächenpressung erhebliche Druckbelastungen auf die im Eingriff befindlichen Aktivteile des Ziehwerkzeuges und damit auf die Beschichtung zu beobachten. Die bei Umformprozessen auftretende Intensität und Größe der Werkzeugbelastungen ist stark teilabhängig. Sollen Belastungen bauteilunabhängig charakterisiert werden, so ist es notwendig auf einfache Modellgeometrien auszuweichen. An diesen können dann die verschiedensten Einflüsse, wie: - Konturelemente innerhalb der Werkstückgeometrie - Blechwerkstoff und -dicke - verwendete Werkzeug-Werkstoffe - Größe der Zieh- bzw. Biegeradien - Umfang der Aktivteilbeschichtung - Art der Beschichtung - Schmierstoffeinsatz, untersucht und analysiert werden. Um bei der Vielfalt der Parameter im geplanten Zeitraum eine verwertbare Aussage erzielen zu können, sollte die Belastungsanalyse an einer einfachen Modellgeometrie erfolgen. Für eine definierte Umformung lässt sich diese Forderung einerseits durch Variieren der Aktivteilgeometrien (Radius am Aktivteil) und andererseits durch Modifizierung der technologischen Verfahrensparameter (Rückhaltekraft, Beschichtung, Schmierstoff) realisieren. Dies erfordert eine Gestaltung eines Prüfstandes mit auswechselbaren Aktivteilen, so dass mit vertretbarem Aufwand die Prüfung von Beschichtungen auf den Werkzeugelementen in unterschiedlichen Belastungssituationen erfolgen kann. Aus der Vielzahl von Umformprozessen wurden für erste Untersuchungen das Tiefziehen und das Scherschneiden ausgewählt. Als einfacher Modellversuch zur Darstellung der beim Tiefziehen an der Ziehkante auftretenden Belastungen wurde der am IWU verfügbare Streifenziehversuch mit 90 Biegung gewählt. Für di e Abbildung des Scherschneidens erfolgte die Auswahl eines einfachen Lochprozesses und für das Tiefziehen wurde die Herstellung eines quadratischen Napfes mit Flansch gewählt.

12 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) Werkzeugwerkstoffe Für die Untersuchungen wird am Fraunhofer IWU als Werkzeugwerkstoff ein hochlegierter Kaltarbeitsstahl X155CrVMo12-1 (1.2379) verwendet, da dieser Werkstoff am häufigsten bei den Anwendern für Einsätze an höchstbelasteten Positionen im Werkzeug zum Einsatz kommt. Die technologischen Eigenschaften des ledeburitischen mit 12% legierten Chrom-Stahls werden im Wesentlichen durch die Legierungselemente Kohlenstoff, Chrom, Vanadium und Molybdän bestimmt, deren Massengehalte in Tabelle 2 ersichtlich sind. Zu den Eigenschaften dieser Legierung zählen eine hohe Verschleißhärte, eine gute Zähigkeit, eine sehr gute Schneidhaltigkeit und Anlassbeständigkeit [21]. Die technologischen Eigenschaften sind in Tabelle 3 aufgeführt. Kurzbezeichnung: Werkzeugstahl X155CrVMo12-1 Werkstoffbezeichnung: Element C Si Mn P S Cr Mo V Wt.-% 1,50-1,60 0,10-0,40 0,15-0,45 0,030 0,030 11,0-12,0 Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung von X155CrVMo12-1 [21] 0,60-0,80 0,90-1,10 Werkstoffkurzname: X155CrVMo12-1 Bezeichnung: Werkstoffsorte: Werkzeugstahl für Kaltarbeit Anwendung: Umformwerkzeuge Härtetemperatur: C in Öl, Luft oder Wa rmbad Härte nach Abschrecken: 63 HRC Tabelle 3: Werkstoffdaten von X155CrVMo12-1 [21] Andere Stähle wurden für die Herstellung der Aktivwerkzeuge von dem Projektpartner DIMEG (Dipartamento di Innovazione Meccanica e Gestionale aus Padua, Italien) benutzt. Die Tabellen 4 und 5 zeigen die Eigenschaften der Stähle. Stahl C Si Mn P S Cr Mo V W Co K340 1,10 0,90 0, ,30 2,10 0, S390 1,64 0,60 0, ,80 2,00 4,80 10,40 8,00 Tabelle 4: Chemische Zusammensetzung der verwendeten Stähle bei DIMEG in wt.-%

13 12 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bezeichnung: K340 S390 Werkstoffsorte: Werkzeugstahl für Kaltarbeit Schnellarbeitsstahl Anwendung: Umformwerkzeuge Schneidestempel, Matrizen Härtetemperatur: C in Öl, Warmbad, Luft, Druckluft oder Vakuum Erzielbare Härte HRC HRC Tabelle 5: Werkstoffdaten der verwendeten Stähle bei DIMEG C in Öl, Warmbad, Luft oder Gas 5.3. Blechwerkstoffe Die Auswahl der Werkstoffe erfolgte unter dem Aspekt, verschiedene Werkstoffgruppen (Edelstahl, verzinkte hochfeste Stähle) zu untersuchen. In Tabelle 6 sind die bereitgestellten Werkstoffe aufgeführt. Werkstoffgruppen: Bezeichnung: Blechdicke: 1. Edelstähle X5CrNi18.9 (1.4301) 1,00mm 2. verzinktes hochfestes Kaltband HCT690T+Z100MB 1,50mm Tabelle 6: Versuchswerkstoffe Der X5CrNi18.9 (1.4301) ist ein austenitischer Edelstahl, der auf Grund seines großen Grenzformänderungsvermögens sehr gute Tiefzieheigenschaften besitzt. Neben einer hohen Duktilität und einer sehr hohen Festigkeit zeichnet sich der Edelstahl besonders durch seine Widerstandsfähigkeit gegenüber korrosiven Medien aus. Anwendung findet er besonders im Anlagenbau, bei Küchen- und Waschgeräten und in der Architektur. Zur Kategorie der hochfesten verzinkten kaltgewalzten Feinbleche gehört der HCT690T +Z100 MB. Dabei handelt es sich um einen Vertreter der TRIP-Stähle (TRIP - Transformation Induced Plasticity) die sich aufgrund ihres Mikrogefüges durch eine sehr vorteilhafte Kombination von Festigkeit und Dehnfähigkeit aus zeichnen. Das Mikrogefüge besteht aus einer duktilen ferritischen Matrix mit inselförmig eingelagerten harten Bainitphasen und Restaustenit. Dadurch eignen sich diese besonders gut für die Fertigung von Strukturbauteilen und Verstärkungen komplexer Form. In Tabelle 7 sind die mechanischen Kenwerte der Werkstoffe, die für die Untersuchungen zur Verfügung standen, aufgeführt. Werkstoff s 0 R p0,2 R m A g A 80 r 0 r 45 r 90 r r m n mm MPa MPa % % , ,89 1,13 0,94-0,21 1,02 0,45 HCT690T 1, ,98 1,04 1,15 0,03 1,05 0,19 Tabelle 7: Übersicht der ermittelten mechanischen Kennwerte der Werkstoffe Die Bestimmung von Werkstoffkennwerten erfolgte im Flachzugversuch mit Querkontraktionsmessung nach /EN 10002/ und /EN 10130/. Die Proben wurden planparallel als Zugproben mit Köpfen dem Versuchsblech entnommen. Die aus drei

14 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 13 Walzrichtungen (0, 45 und 90 zur Walzrichtung) e ntnommenen Proben wurden gefräst, geschliffen und entgratet, um Kerbwirkungen und Kaltverfestigungen im Messbereich zu vermeiden Ausgewählte Beschichtungen Titanbasierte Schichten wie z.b. TiN, TiCN und TiAlN gehören zum Stand der Technik für das Umformen und Schneiden von Blechwerkstoffen aus Stahl. Mit Chrombasierten CrN Schichten konnten in der Vergangenheit gute Ergebnisse bei der Verarbeitung von Nichteisenmetallen wie Kupfer erzielt werden. Sie gelten darüber hinaus als besonders duktil bzw. zäh. Kohlenstoffbasierte Schichten werden überwiegend zur Vermeidung von Werkstoffaufschweißungen bei der Verarbeitung stark adhäsiver Werkstoffe wie Aluminium eingesetzt oder wenn auf Schmierstoffe vollständig oder weitgehend verzichtet werden muss. Darüber hinaus wurde vereinzelt von guten Erfahrungen bei der Anwendung von borbasierten Schichten berichtet. Um ein breites Spektrum von Beschichtungen in die Versuche einzubeziehen, wurden für die ersten Versuche mehrere Vertreter aus allen genannten Schichtgruppen ausgewählt. Für die späteren Anwendungsversuche, wurde die Anzahl der Schichtvarianten stark eingeschränkt. Auf den Einsatz borbasierter Schichten wurde auf Grund ihrer geringen Bedeutung für die Blechumformung ganz verzichtet. Im Einzelnen wurden folgende Beschichtungen betrachtet: Titanbasierte Beschichtungen: - TiN-Schichten lassen sich sowohl mit CVD- als auch mit PVD-Verfahren herstellen. Die Härte liegt in der Regel zwischen 2000 und 2500 HV 0,05. TiN-Schichten besitzen eine gute Zähigkeit, weshalb sie auch für die Kaltmassivumformung von Stahl eine breite Anwendung gefunden haben. Durch ihr duktiles Verhalten ist die Neigung zur Rissbildung und zu Ausbrüchen gering. TiN wird vor allem gegen abrasiven Verschleiß eingesetzt. Bekannt ist auch eine reibungsmindernde Wirkung beim Umformen und Schneiden von Stahlwerkstoffen im Vergleich zu unbeschichteten Werkzeugen. - TiAlN ist eine Weiterentwicklung des TiN, wobei ein Teil des Titans durch Aluminium ersetzt wird. Dies bewirkt eine höhere Härte, Oxidationsbeständigkeit und Warmhärte. Härtewerte bis 3500 HV können erreicht werden. Die Schichteigenschaften hängen stark vom Aluminiuminhalt ab. Angeboten werden sowohl gradierte als auch mehrlagige Schichtaufbauten. Chrombasierte Beschichtungen: - CrN-Schichten gehört zu den zähen Verschleißschutzschichten. Die Härte liegt zwischen 1800 HV und 2200 HV. Sie haben eine gute chemische und thermische Beständigkeit. Aufgrund der geringen Eigenspannungen lassen sie sich auch in größeren Schichtdicken abscheiden, als dies bei den anderen genannten Hartstoffschichten möglich ist. Sie werden zum Schutz vor Verschleiß, Korrosion und Werkstoffanhaftungen angewendet. - Bei CrVN-Schichten ist ein Teil des Chroms durch Vanadium ersetzt. Dadurch kann die Härte gesteigert werden und durch die Bildung reibungsmindernder Vanadiumoxide bei höheren Temperaturen und Belastungen das Reibverhalten verbessert werden. Die Schichteigenschaften sind stark vom Vanadiumgehalt abhängig, weshalb zwei Varianten mit Vanadiumgehalten von 13 und 27 at. % getestet wurden.

15 14 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig - Mit CrWN-Schichten kann eine im Vergleich zu CrN verbesserte thermische Beständigkeit erzielt werden, wie frühere Untersuchungen am Fraunhofer IST gezeigt haben. Ebenso ist eine reibungsmindernde Wirkung von Wolframoxid bekannt, Das sich in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen bilden kann. Borbasierte Beschichtungen: Diese lassen sich sowohl mit CVD- als auch mit PVD-Verfahren herstellen. Sie sind für eine gute Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen bekannt. Eine besonders harte kubische Phase des Bornitrids (cbn) wird als Werkstoff für Wendeschneidplatten genutzt und befindet sich als Beschichtung für Zerspanwerkzeuge in der Entwicklungsphase. Im Projekt wurden mit PVD-Verfahren hergestellte TiB 2 und TiBN Schichten stichprobenartig untersucht, um eine Abschätzung ihres Potenzials für die Umformtechnik vornehmen zu können. Kohlenstoffbasierte Beschichtungen (DLC): Amorphe Kohlenstoffschichten, auch unter der Bezeichnung DLC bekannt. Von besonderer Bedeutung für tribologische Anwendungen sind wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-c:h). Sie sind für ihre hohe Härte, gute Verschleißbeständigkeit und sehr guten Reibeigenschaften bekannt. Im Trockenlauf werden gegen Stahl und Aluminium Reibwerte unter 0,2 erreicht. Durch Modifikation mit Metallen wie Titan, Wolfram oder Chrom und Nichtmetallen wie z.b. Silizium oder Sauerstoff können die Eigenschaften in weiten Grenzen variiert werden. Die metallhaltigen Schichten weisen in der Regel eine geringere Härte als die metallfreien a-c:h Varianten auf. Trotz der Kombination von herausragenden Eigenschaften beschränkt sich die Anwendung kohlenstoffbasierter Beschichtungen in der Umformtechnik bisher weitgehend auf die Verarbeitung stark adhäsiver Werkstoffe geringer Festigkeit wie Aluminium. Nachteilig wirkt sich die oft unzureichende Schichthaftung und geringe Überlastsicherheit aus, weshalb in den letzten Jahren intensive Anstrengungen unternommen worden sind, um ihre Belastbarkeit zu erhöhen. Auf diesen Gründen wurden Kombinationen von a-c:h Schichten mit verschiedenen Zwischenschichten und Plasmadiffusionsbehandlungen entwickelt. Die Zwischenschichten sollen die Spannungen zwischen den Substrat und die äußeren a-c:h Schicht verringern und die Entstehung und Ausbreitung von Rissen erschweren. Eine vorherige Plasmanitrierung hat die Aufgabe, eine verbesserte Stützwirkung für die a-c:h Schicht zu erzielen. Im Rahmen des Projektes wurden folgende Varianten untersucht. In Klammern ist das verwendete Beschichtungsverfahren angegeben. - a-c:h mit Titan Haftschicht (PACVD + PVD) - a-c:h (PACVD) mit vorheriger Plasmanitrierung, nachfolgend Plasmanitrierung + a-c:h bezeichnet. Durch die Nitrierung kommt es zu einer leichten Aufrauhung der Oberfläche, die durch eine Zwischenpolitur vor der Beschichtung beseitigt werden kann. - a-c:h:ti mit Titan Haftschicht (PVD) - a-c:h:w mit Chrom Haftschicht (PVD) - a-c:h mit CrN Zwischenschicht und Chrom Haftschicht (PVD), nachfolgend CrN + a-c:h bezeichnet - a-c:h:w mit CrN Zwischenschicht und Chrom Haftschicht (PVD), nachfolgend CrN + a-c:h:w bezeichnet

16 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) FEM-Simulation von Belastungszuständen Für die Beschreibung der Belastungszustände durch die FEM wurde der Streifenziehversuch ausgewählt. In diesem können auf relativ einfache Art und Weise verschiedene Werkzeugbelastungen nachgestellt und später durch Experimente validiert werden. Neben der Lasteinleitung ist auch die Geometrie der Aktivteile des Streifenziehversuches sehr einfach gehalten. Die Geometrie der Aktivteile und definierte Prozessparameter (Ziehgeschwindigkeit, Haltekraft, Reibungskoeffizienten) bilden die Eingangsinformationen für die FEM-Simulation. Nach den vorgegebenen Geometriedaten wurden die Werkzeuge aus starren Schalenelementen und der umzuformenden Blechzuschnitt aus Volumenelementen, mit 5 Elementen über der Blechdicke, modelliert. Als Software wurde das FEM-System ABAQUS verwendet. Im folgenden Bild 3 ist der Aufbau des Simulationsmodells dargestellt. Strip Drawing Test Holding Force Drawing Force Bild 3: Simulationsmodell Streifenziehversuch (symmetrisch geteilt) Zu erkennen ist das Werkzeug, das als Rolle abgebildet ist, und der belastete Blechstreifen. Beide sind in der Symmetrieachse getrennt dargestellt. Deutlich sichtbar sind die Verteilung der Dehnung über dem Querschnitt des Blechstreifens und der Ort der maximalen Dehnung. Dieser befindet sich in Zugrichtung nach dem der Blechstreifen das Werkzeug nicht mehr berührt. Über die Breite des Streifens ist eine annähernd homogene Verteilung der Dehnung zu erkennen. Deutlich sind auch die auftretenden Randeffekte zu erkennen. Die FEM-Simulation des Streifenziehprozesses liefert als Ergebnis neben der Dehnungsverteilung im Werkstück auch die Spannungsverteilung auf der Werkzeugoberfläche. Jede Veränderung des Umformprozesses hinsichtlich der Werkzeuggeometrie, der Werkstoffparameter für Blechwerkstück und Werkzeug sowie der Prozessparameter erfordert eine neue Simulationsrechnung. Durch die FEM-Simulation können Belastungsspitzen auf der Werkzeugoberfläche lokalisiert werden. Das ermöglicht es, deren Größe vorab abzuschätzen. Die Aussagen der FEM-Simulation werden später durch Streifenziehversuche verifiziert. In den folgenden Bildern (Bild 4 bis Bild 6) sind die Ergebnisse so einer Variantenrechnung unter Veränderung der Zieh- und Rückhaltekraft am Beispiel des Blechwerkstoffs zusammengestellt. Konstant gehalten wurden die Werkstoffeigenschaften (Blech- und Werkzeugwerkstoff), die Geometrie der Werkzeuge, die Werkzeug- und die Blechtemperatur, die Ziehgeschwindigkeit und der Reibungskoeffizienten.

17 16 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Strip Drawing Test drawing / holding force: 5,35 kn / 3,89 kn sheet material: / 1.0 mm friction coefficient : 0,05 bending radii : 8mm tool material: velocity: 50mm/s tool temperature: Rt sheet temperature: Rt Bild 4: Simulation Streifenziehversuch , Gegenhalterkraft 3,89 kn Deutlich zu erkennen ist, dass es keine homogene Spannungsverteilung über dem Ziehkantenradius auf der Werkzeugoberfläche gibt. Über die Breite der Probe treten im inneren Bereich homogene Spannungsverteilungen in einem streifenförmigen Bereich auf, die zum äußeren Rand zu nach einer Lokalisierung abnehmen. Diese Spannungsverteilungen führen zu einem Abheben des Streifens im Bereich des äußeren Randes, so dass dort keine Spannungen mehr auf das Werkzeug übertragen werden. Strip Drawing Test drawing / holding force: 7,88 kn / 5,69 kn sheet material: / 1.0 mm friction coefficient : 0,05 bending radii : 8mm tool material: velocity: 50mm/s tool temperature: Rt sheet temperature: Rt Bild 5: Simulation Streifenziehversuch , Gegenhalterkraft 5,69 kn Wie schon bei den kleinen Gegenhaltekräften treten auch bei mittleren Gegenhaltekräften keine homogenen Spannungsverteilungen über den Ziehkantenradius des Werkzeuges auf. Der streifenförmige Bereich der Spannungen über die Probenkontaktzone ist bei dieser

18 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 17 Belastungsgröße etwas ausgeprägter und führt hier zu höheren Spannungsspitzen, die sich wieder im äußeren Randbereich lokalisieren. Strip Drawing Test drawing / holding force: 19,99 kn / 16,20 kn sheet material: / 1.0 mm friction coefficient : 0,05 bending radii : 8mm tool material: velocity: 50mm/s tool temperature: Rt sheet temperature: Rt Bild 6: Simulation Streifenziehversuch , Gegenhalterkraft 16,20 kn Bei den größten Gegenkräften ändert sich das Erscheinungsbild der Spannungsverteilung nur durch eine erhöhte Anzahl der sich als streifenförmigen Bereiche ausbildenden Spannungen über den Ziehkantenradius des Werkzeuges. Nichts desto trotz kommt es wieder zu einer Lokalisierung im äußeren Randbereich. Was zu einem Kontaktverlust zwischen Blech- und Werkzeugoberfläche führt. Die größte streifenförmig ausgeprägte Spannung befindet sich am Auslauf des Bleches aus dem Werkzeug und würde bei weiterer Steigerung der Belastung der Gegenkraft zu einem Abreißen des Blechstreifens führen.

19 18 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 6. Beschichtung / Charakterisierung von Testsubstraten 6.1. Beschichtung von Testsubstraten für die Ermittlung der Schichtkennwerte Die Versuchswerkzeuge für die Umformversuche werden zusammen mit baugleichen Werkzeugen, die zur Ermittlung von Schichtkennwerten mit zerstörenden Prüfverfahren dienen, entsprechend dem Versuchsprogramm beschichtet. Dazu werden Beschichtungsanlagen, Beschichtungsprozesse und Vorbehandlungsverfahren angewendet, die auch bei Lohnbeschichtern Stand der Technik sind. Dadurch wird eine gute Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Verhältnisse bei Lohnbeschichtern gewährleistet. Referenzproben aus den gleichen Werkstoffen und mit der gleichen Oberflächengüte wie die Versuchswerkzeuge werden mitbeschichtet. Zusätzlich kommen auch polierte Proben zum Einsatz. Dadurch sind Aussagen zum Einfluss der Oberflächenqualität eines Werkzeugs auf die Schichteigenschaften möglich. Mehrere gleichartige Referenzproben werden über die Beschichtungskammer verteilt angebracht, um die Gleichmäßigkeit der Schichtabscheidung überwachen zu können Ermittlung von Schichtkennwerten auf Referenzproben mit Standardprüfverfahren Um Korrelationen zwischen Schichtkennwerten und Einsatzeigenschaften von PVD- und PACVD-Schichten herstellen zu können, ist eine präzise, reproduzierbare Kennwertermittlung erforderlich. Deshalb werden, soweit möglich, standardisierte Prüfverfahren eingesetzt, die in Richtlinien und Normen festgelegt sind. Die Schichtcharakterisierung erfolgt zunächst auf Referenzproben aus (Ø 35 x 5 mm), die eine gute Zugänglichkeit für die Schichtcharakterisierung erlauben und zusammen mit den Versuchswerkzeugen beschichtet worden sind Schichtdicke Für die Messung der Schichtdicke wurde eine Farbmarkierung auf die Fläche des Substrats vor dem Beschichtungsprozess gesetzt. Nach dem Prozess wurde die Markierung mit Ethanol abgelöst und mit einem Taster die Schichtdicke gemessen. Für diesen Test wurde ein Tastschnittmeßgerät Dektak3 der Firma Sloan benutzt Haftfestigkeitsuntersuchung mit dem Rockwell Test: Die Haftfestigkeitsuntersuchungen wurden mit dem Rockwell Test nach VDI-Richtlinie 3198 ausgeführt. Dazu wird ein konventioneller Härtetest mit einem Rockwell C Indentor, wie in der Norm DIN Teil 1 oder EN beschrieben, ausgeführt. Die Tests wurden mit einem Gerät Amsler Testor HT2001 RB durchgeführt. Ein Bild von dem Eindruck wird mit dem Lichtmikroskop aufgenommen. Folgend werden die Risse oder die Abplatzung der Beschichtung an dem Rand des Rockwell Eindrucks beurteilt. Für die Bewertung des Tests wird das Bild 6 benutzt und das Ergebnis den Haftfestigkeitsklassen 1 bis 6 zugeordnet:

20 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 19 - HF1 bis HF4: zulässig. - HF5 und HF6: nicht zulässig. Bild 7: Bewertung der Schichthaftung mit dem Rockwell Test Haftfestigkeitsuntersuchung mit dem Scratch Test: Ein besonderer Schwerpunkt wird auf den Scratch Test (Ritztest) und Scratch Tests in modifizierter Form gelegt. Sie erlauben eine belastungsabhängige Simulation der Schichthaftung und des Verschleißverhaltens von Hartstoffschichten [12]. Vorversuche hatten die gute Korrelation zwischen den Ergebnissen von Multipass Scratch Tests und dem Verschleißverhalten von Hartstoffschichten bestätigt. Eine Diamantspitze dringt beim Scratch Test mit steigender Kraft in die Beschichtung ein, wie auf dem Bild 8 gezeigt wird. Während des Tests werden die akustischen Emissionen gemessen. Mit den akustischen Emissionen kann man das Auftreten von Rissen und Abplatzungen bestimmen. Nach dem Test wird die Scratch Spur mit einem Lichtmikroskop analysiert. Die wichtigsten Punkte sind das Auftauchen von ersten Rissen (Lc1) und der ersten Abplatzung an der Beschichtung (Lc2).

21 20 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bild 8: Scratch Test. Links: Prinzipskizze. Rechts: ein Beispiel der akustischen Emissionen Das Bild 9 zeigt das Aussehen der Spur unter dem Mikroskop nach dem Test. Das Bild 10 zeigt zwei mögliche Arten von Schichtversagen. Bild 9: Typische Defekte beim Scratch Test

22 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 21 Bild 10: Schema zweier möglicher Arten von Schichtversagen Standard Scratch Test Bei dem in der DIN EN 1071 Teil 3 beschriebenen Ritztest (hier auch Singlepass Scratch Test genannt) steigt die aufgebrachte Last linear mit der Bewegung der Probe an. Alle im Rahmen des Projektes untersuchten Beschichtungen wurden zunächst mit diesem Verfahren getestet. Die Bilder 11 und 12 zeigen Standard Scratch Spuren am Beispiel einer TiN und einer a-c:h Schicht. Bild 11: Scratch Test Spur einer TiN Beschichtung Bild 12: Scratch Test Spur einer a-c:h Beschichtung Multipass Scratch Test Im Multipass Scratch Test wird die Spitze mehrmals über die gleiche Strecke geführt. Mit dieser Variante können Ermüdungseffekte nachgebildet werden. Während des Projekts wurden 10- und 30-fach Wiederholungen angewendet. In Bild 13 kann man einen einfachen Scratch Test mit einem Multipass Scratch Test auf der gleichen Beschichtung vergleichen. Bei dem Multipass Scratch Test versagt die Beschichtung früher als im Standard Test.

23 22 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bild 13: Spur nach dem Standard Scratch Test (links) und nach 5 Wiederholungen (rechts) Scratch Test mit konstanter Last Im Scratch Test mit konstanter Last wird die Druckkraft vor dem Test festgelegt und über die ganze Strecke konstant gehalten. In diesem Fall wird geprüft, ob die Beschichtung die Haftungsanforderungen auf der ganzen Fläche besteht. Das Bild 14 zeigt drei Beispiele von Scratch Tests mit konstanter Last auf einer TiN Beschichtung. Im Test bei 30 N gibt es keine Defekte auf der Fläche. Bei 40 N gibt es einzelne Defekte in manchen Punkten. Bei 50 N sind die Defekte auf der ganzen Spur verteilt. Bild 14: Scratch Tests mit konstanter Last Mikrohärte Die Härte der Beschichtung wurde nach der VDI Richtlinie 3824 Blatt 4 gemessen. Mit diesem Test wurden die Universalhärte und die Härte nach Vickers bestimmt. Für die Tests wurde das Gerät Fischerscope H100VP benutzt.

24 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 23 Die Prüflast ist abhängig von der Schichtdicke. Unter Standardbedingungen wurden 50 mn eingesetzt. Falls die Eindringtiefe 10 % der Schichtdicke überstieg, wurden 30 mn verwendet Verschleiß Die Verschleißbeständigkeit wurde mit dem Kalottenschliffverfahren (Calo Test) geprüft. Die Tests wurden nach DIN und DIN durchgeführt. Das Bild 15 zeigt das Verfahren. Eine Kugel mit einer bestimmten Masse liegt zwischen der Schicht und der Antriebswelle. Die Kugel ist mit einem definierten Schleifmittel (Al 2O 3- Suspension) benetzt. Die Kugel wird durch die Antriebswelle in Rotation versetzt. Nach einem bestimmten Reibweg wird der Durchmesser der Verschleißkalotte gemessen und daraus das Verschleißvolumen ermittelt (Bild 16). Bild 15: Schema des Calo Tests Bild 16: Verschleißkalotte in der Beschichtung nach dem Test Reibung Die Reibung der Beschichtungen wurde mit dem Pin-on-disk Test geprüft. Die Reibung gegen Stahl, Edelstahl und Aluminium wurde getestet, wie in DIN beschrieben. Die Last für den Test war 100 g. Nur auf den a-c:h Beschichtungen wurden 300 g benutzt, um auswertbare Verschleißspuren zu erzeugen. Es wurde kein Schmierstoff verwendet. Der Test dauerte 60 Minuten mit 30 Umdrehungen/Minute und einem Spurkreisdurchmesser von 27 mm. Damit wurde der Reibwert jeder Beschichtung gegen Stahl, Edelstahl und Aluminium bestimmt. In diesem Fall wurde eine Kugel als fester Gegenkörper mit der vorgegebenen Last beaufschlagt. Die beschichtete Scheibe rotiert unter dem Gegenkörper. Das Bild 17 zeigt das Prinzip des Tests.

25 24 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bild 17: Schema des Pin-on-Disk Tests Zusammenfassung der Charakterisierungsergebnisse Die Tabelle 8 zeigt die Ergebnisse der Schichtdickenmessungen und der Haftungstests. Bei den Scratch Tests ist die Anzahl der Wiederholungen in Klammern dargestellt. Beim Einfach Scratch Test wurde der Test mindestens dreimal ausgeführt, in dem Fall des Multipass Tests wurde er einmal ausgeführt. Die Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse der Härte-, Verschleiß- und Reibungsmessungen. Schicht Schichtdicke (µm) Chrombasierte Beschichtungen Haftungstestergebnisse Rockwell Test Scratch Test Lc1 (N) CrN 3,1..3, >60 Scratch Test Lc2 (N) 21,5 (10x) >60 (10x) 19,5 (30x) >60 (30x) CrVN 13% 5,2..5, (10x) 47 (10x) 33 (30x) 45 (30x) CrVN 27% 5,9..6, ,5 (10x) (10x) (30x) (30x) CrWN 4,6..4, ,5

26 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 25 Schicht Schichtdicke (µm) Titanbasierte Beschichtungen Haftungstestergebnisse Rockwell Test Scratch Test Lc1 (N) TiN 3, ,5 >60 Scratch Test Lc2 (N) 20 (10x) >60 (10x) 18,5 (30x) 34,5 (30x) TiAlN 3,4..3, ,5 14 (10x) 29 (10x) Borbasierte Beschichtungen TiB 2 3,7..3, (10x) 13 (10x) 7,5 (30x) 15 (30x) TiBN 3,9..4 6, ,5 (10x) 32,5 (10x) 10 (30x) 30,5 (30x)

27 26 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Schicht Schichtdicke (µm) Kohlenstoffbasierte Beschichtungen a-c:h mit Ti Zwischenschicht Haftungstestergebnisse Rockwell Test Scratch Test Lc1 (N) Scratch Test Lc2 (N) 2,4..2, ,5 (10x) 24,5 (10x) 12,5 (30x) 22,5 (30x) a-c:h mit Plasmanitrierung 3,7..3, (10x) 44 (10x) 26,5 (30x) 38,5 (30x) a-c:h:ti 3,9..4, (10x) 30 (10x) 24 (30x) 26 (30x) a-c:h:w 3,6..3,9 7,5..9, (10x) 40 (10x) 1 (30x) 40 (30x) CrN + a-c:h 5,3..5,7 17, ,5 (10x) 48 (10x) 18 (30x) 47,5 (30x) CrN + a-c:h:w 6,2..6, >60 10 (10x) >60 (10x) 8,5 (30x) >60 (30x) Tabelle 8: Schichtdicke und Haftungstestergebnisse

28 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 27 Schicht Härte Calo Reibwert (µ) Universal (N/mm 2 ) Vickers test Stahl Edelstahl* Aluminium Titanbasierte Beschichtungen TiN ,3 0,95 0,65 0,90 TiAlN ,1 1,10 0,75 0,90 Chrombasierte Beschichtungens CrN ,3 0,70 0,85 0,85 CrVN 13% ,3 0,90 0,85 0,90 CrVN 27% ,5 0,90 0,85 CrWN ,7 0,70 0,65 Borbasierte Beschichtungen TiB ,8 0,85 0,85 TiBN ,6 0,85 0,90 Kohlenstoffbasierte Beschichtungen a-c:h mit Ti Zwischenschicht a-c:h mit Plasmanitrierung ,9 0,20 0,20 0, ,9 0,20 0,25 a-c:h:ti ,7 0,25 0,15 a-c:h:w ,5 0,30 0,25 CrN + a-c:h ,9 0,25 0,15 0,15 CrN + a-c:h:w ,0 0,25 0,20 Tabelle 9: Ergebnisse der Härte-, Verschleiß- und Reibungsmessungen. *Nur die Beschichtungen, die für die Anwendungsversuche genutzt wurden, wurden gegen Edelstahl getestet Die nitridischen Schichten mit der geringsten Neigung zur Rissbildung und zu Abplatzungen sind TiN, CrN, CrVN 13%. Die kohlenstoffbasierte Schicht mit dem höchsten Lc1 Wert, das heißt der höchsten Last bei der erste Risse auftreten, ist a-c:h mit vorausgehender Plasmanitrierung. Eine CrN Zwischenschicht wirkt sich ebenfalls positiv auf die Belastbarkeit der Schichten aus (höherer Lc2 Wert). Die härtesten Beschichtungen sind die titanbasierten, die Variationen von CrN und die metallfreien a-c:h Beschichtungen. Die Beschichtungen mit der besten Verschleißbeständigkeit sind die metallfreien a-c:h Schichten. Generell weisen die kohlenstoffbasierten Schichten deutlich geringere Reibwerte gegenüber den untersuchten Werkstoffen auf, als die anderen Beschichtungen. Besondere Stärken der borbasierten Schichten waren weder bei den Haftungstests, noch bei den Härte-, Verschleiß- und Reibwertmessungen erkennbar, weshalb diese Schichten nicht weiter untersucht worden sind.

29 28 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 6.3. Geometrieabhängigkeit der Schichteigenschaften Die im PVD- und PACVD-Verfahren hergestellten Beschichtungen zeigen in manche Fällen eine inhomogene Verteilung der Beschichtung über die Fläche des Substrats. An manchen Stellen, wie Vertiefungen, Löchern oder Kanten, hat die Beschichtung andere Eigenschaften als auf den Referenzproben. Um den Einfluss der Orientierung der Proben auf die Beschichtungseigenschaften und die Gleichmäßigkeit der Beschichtung auf großen Flächen und Teilen mit komplizierter Geometrie zu prüfen, wurden mehrere Standardproben an verschiedenen Positionen angesetzt, wie in Bild 18 dargestellt ist. Die verschiedenen Lagen der Proben simulieren die typischen geometrischen Besonderheiten eines Werkzeuges (z.b. Löcher, Vertiefungen oder verschiedene Winkel bezüglich der Elektrode oder dem Target). Bild 18: Verteilung der Proben bei dem Geometrieabhängigkeit Test Es wurden jeweils fünf Proben (in Bild 18 mit A bis E bezeichnet) beschichtet. An jeder Probe wurden die folgenden Tests durchgeführt: - Schichtdickenbestimmung - Mikrohärtemessung - Scratch Test. Die Proben A und B wurden in drei Bereichen bezüglich der Entfernung zum Rand geteilt, und jeder Bereich wurde getrennt getestet. Der Bereich 1 ist der innere Bereich, und liegt nah am Halter. Der Bereich 2 ist der mittlere Bereich. Der Bereich 3 liegt am äußeren Rand der Probe. Die Probe A simuliert die inneren Wände eines Lochs. Die Probe B simuliert eine Vertiefung. Die Proben C, D und E dienen zur Erfassung des Einflusses des Winkels gegen das Target auf die Beschichtung. Wegen des relativ großen Aufwands wurde der Test nur auf CrN + a-c:h, CrVN und TiN durchgeführt. Die drei Beschichtungen wurden im PVD-Verfahren ausgeführt. Das Bild 19 zeigt eine PVD Beschichtungsanlage. Der Substrathalter lag auf der blauen Fläche.

30 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 29 Bild 19: Schema von einer PVD Beschichtungsanlage Schichtdicke Hinsichtlich der Schichtdicke spielt die Position der Proben im Falle der CrVN-Beschichtung keine große Rolle. Generell sind Löcher und Vertiefungen kritisch, besonders für TiN- Beschichtungen. Bild 20 zeigt die Ergebnisse der Schichtdickenmessungen. Bild 20: Schichtdicke. Geometrieabhängigkeit Test.

31 30 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Mikrohärte Die flächenmäßige Verteilung der Vickers-Mikrohärte der A- und B-Proben wurde anhand von 100 Messpunkten auf jeder Probe bestimmt. Die Punkte wurden auf eine Matrix 10 x 10 verteilt, und ihre Härte wurde gemessen. In den Bilden 21 bis 26 ist die Verteilung der Mikrohärte der verschiedenen Beschichtungen über die Probenoberfläche dargestellt. Bei den A-Proben ist die Schichthärte deutlich geringerer als unter Standardbedingungen, nur am äußeren Bereich kommen die Werte den Standardwerten nahe. Generell sind die Beschichtungen immer weicher. Es bestätigt sich die bekannte Tatsache, dass Vertiefungen beschichtungstechnisch kritisch sind. Bei den B Proben ist die Härte der Beschichtung an einigen Stellen gleich denen an Standardpositionen. Die Diagramme zeigen jedoch, dass die Härte inhomogen ist, und es große Variationen zwischen den maximalen und minimalen Werten gibt. Diese Variationen haben keine Tendenz. Schlussfolgernd kann man sagen, dass die Vertiefungen und komplizierte Geometrien Härteschwankungen verursachen. Bild 21 und Bild 22: Mikrohärte von A Probe (links) und B Probe (rechts) mit TiN Beschichtung. Bild 23 und Bild 24: Mikrohärte von A Probe (links) und B Probe (rechts) mit CrVN Beschichtung.

32 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 31 Bild 25 und Bild 26: Mikrohärte von A Probe (links) und B Probe (rechts) mit CrN + a-c:h Beschichtung. Anhand der Proben C, D und E, wurde der Einfluss des Winkels der Proben relativ zum Target geprüft. In diesem Fall wurde das übliche Verfahren benutzt, nämlich Zehn willkürliche Punkte gemessen, und der nominale Wert bestimmt. Die Tabelle 10 zeigt das Ergebnis. Probe C Probe D Probe E TiN 2200 HV 2300 HV 2100 HV CrVN 1600 HV 1700 HV 1400 HV CrN + a-c:h 1800 HV 1800 HV 1200 HV Tabelle 10: Mikrohärte Werte von den Proben C, D und E Haftung Die A-Proben der drei Beschichtungen erreichen sehr gute Ergebnisse in den Haftungstests. Die Abwesenheit von Rissen und Abplatzungen ist allerdings auf die geringeren Schichtdicken und Härtewerte als bei Standardbedingungen zurück zu führen. Die mit TiN beschichtete B-Probe zeigt ein ähnliches Verhalten wie die A-Probe. Die Proben, die mit CrVN und CrN + a-c:h beschichtet wurden, zeigen ein ähnliches Verhalten wie die Proben C, D und E, aber mit geringeren kritischen Lasten. Die Haftung der C-, D- und E-Proben im Scratch Test ist innerhalb der Toleranzen der normalen Werte. Die Tabelle 11 zeigt die positionsabhängigen Ergebnisse der Scratch Tests.

33 32 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Beschichtung Position LC1 Lc2 TiN A-1 Keine Risse Keine Abplatzung A-2 Keine Risse Keine Abplatzung A-3 Keine Risse Keine Abplatzung B-1 Keine Risse Keine Abplatzung B-2 Keine Risse Keine Abplatzung B-3 Keine Risse C , D 12,5..14 >60 E 12, CrVN A-1 Keine Risse Keine Abplatzung A-2 Keine Risse A-3 Keine Risse B-1 Keine Risse Keine Abplatzung B Keine Abplatzung B Keine Abplatzung C Keine Abplatzung D Keine Abplatzung E 26,5..29,5 Keine Abplatzung CrN + a-c:h A-1 6,5..11, ,5 A-2 Keine Risse A-3 Keine Risse B , B-2 6, ,5 B-3 6, C D 8,5..9,5 40,5..44 E 9..9, Tabelle 11: Kritische Lasten bei den Scratch Tests

34 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) Fazit Nach den Tests kann man sagen, dass die kritischsten Bereiche für die Beschichtung eines Werkzeugaktivteiles mit PVD Verfahren schlecht erreichbare Bereiche wie Vertiefungen und Flächen mit einem großen Winkel zum Target sind. In diesen Bereichen ist die Beschichtung dünner. In Vertiefungen ist mit der Tiefe mit einem stark zunehmendem Härteabfall zu rechnen. Nur im direkten Kantenbereich konnte eine vergleichbare Härte wie an den parallel zum Target ausgerichteten Flächen gemessen werden. Bei einer Schrägstellung der Proben bis zu Winkeln von 60 gegenüber dem Target liegen die Schichteigenschaften innerhalb der Toleranz. Erst bei größeren Winkeln werden die Schichteigenschaften stark inhomogen.

35 34 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 7. Beschichtung / Charakterisierung von Werkzeugaktivteilen 7.1. Verwendete Beschichtungen und Werkzeuge Nach den vorausgehenden Tests wurden verschiedene Werkzeugaktivteile beschichtet. Die Werkzeuge wurden hinterher am Fraunhofer IWU und bei DIMEG (Dipartamento di Innovazione Meccanica e Gestionale aus Padua, Italien) getestet. Die Tabelle 12 gibt eine Übersicht über die verwendeten Werkzeuge, Werkzeugwerkstoffe und Beschichtungen. Bezeichnung Werkstoff Beschichtung Pin für Pin-on- Disk Test S390 TiAlN, CrN Ziehbacke S390 TiAlN, CrN Pin für Pin-on- Disk Test K340 CrN, TiAlN, CrN+a-C:H, a-c:h:ti, CrVN 13%, Plasmanitrierung + a-c:h Ziehbacke K340 CrN, TiAlN, CrN+a-C:H, a- C:H:Ti, CrVN 13%, Plasmanitrierung + a-c:h Schneidstempel TiN, CrN+a-C:H Ziehbacke TiN, CrN+a-C:H

36 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 35 Tiefziehen Matrize 23 mm K340 CrN+a-C:H, Plasmanitrierung + a-c:h Tiefziehen Matrize 28 mm K340 CrN+a-C:H, Plasmanitrierung + a-c:h Tabelle 12: Beschichtete Werkzeugaktivteile 7.2. Ermittlung von Schichtkennwerten auf Werkzeugaktivteilen Die Schichteigenschaften auf Werkzeugaktivteilen können geometriebedingt erheblich von denen auf flachen Referenzproben abweichen und außerdem sehr inhomogen sein [1,11] (vergleiche Abschnitt 6.3). Deshalb ist es erforderlich eine Schichtcharakterisierung an verschiedenen Stellen auf den Werkzeugaktivteilen vor dem Einsatz vorzunehmen. Die Orte für die Schichtcharakterisierung werden nach beschichtungstechnischen Aspekten (Kanteneffekte, bzw. schlechte Zugänglichkeit für die Beschichtung) und nach der Größe der lokal auftretenden Belastungen ausgewählt. Zur Anwendung kommen wieder die genannten Prüfverfahren. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auch hier bei den verschiedenen Ritztests Schichtdickenmessung mit IR-Licht Transmission. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Schichtdicken zerstörungsfrei am Bauteil zu vermessen. Der Nachteil ist, dass es nur für Beschichtungen mit hinreichender Transmission im IR-Bereich anwendbar ist. Bild 27: Ziehbacke mit a-c:h Beschichtung Bild 28: Ziehbacke mit a-c:h Beschichtung Die Bilder 27 und 28 zeigen zwei a-c:h beschichtete Ziehbacken, die durch zwei verschiedene PACVD Prozesse beschichtet wurden. Der erste Fall zeigt Abplatzung an den Kanten wegen zu hoher Schichtdicke (> 5 µm). Mit dem IR-Transmission Verfahren konnte die Ursache des Problems erkannt werden.

37 36 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Haftungsprüfung mit dem Scratch Test Das Bild 29 zeigt die Ergebnisse des Tests auf einer TiN beschichteten Ziehbacke. Erste Abplatzungen traten bei ca. 50 N auf. Die Beschichtung zeigte hierbei keine Richtungsabhängigkeit des Testergebnisses. Bild 29: Adhäsionstest auf einer TiN beschichtete Ziehbacke. Die erforderte Last ist/sind 50 N. Der Scratch Test auf Aktivwerkzeugen hat einige Einschränkungen. Es ist nicht möglich den Test auf gekrümmten Flächen mit sehr kleinem Radius auszuführen. Ein Beispiel hierfür ist auf dem Bild 30 anhand einer der Ziehbacken des IWU sichtbar. Auf einem 5 mm Radius ist der Test nicht ausführbar, da die Spitze am Radius abrutscht. An einem 8 mm Radius ist es möglich den Test auszuführen, und die kritischen Lasten zu messen.

38 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 37 Bild 30: Adhäsionstest auf einer TiN beschichtete Ziehbacke.

39 38 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 8. Anwendungsversuche mit Werkzeugaktivteilen 8.1. Schichtbelastung in Umformversuchen Die Umformversuche erfolgten mit den beschichteten Aktivteilen auf geeigneten Umformanlagen des Fraunhofer IWU. Sie haben die Aufgabe, die Werkzeugbeschichtung verschiedenen Belastungszuständen auszusetzen. Dadurch kann das belastungsabhängige Verschleißverhalten der Beschichtung unter anwendungsnahen Bedingungen untersucht werden Streifenziehen Zur Realisierung der Aufgabenstellung wurde die im folgenden Bild 31 dargestellte Streifenziehanlage eingesetzt. Streifenziehversuch mit 90 Umlenkung Niederhalter Zugkraft Zie hgeschwind igkeit Ziehweg Streifenbreite max. 100 kn max mm/s max. 500 mm max mm Ofen Spannzylinder Erm i tt lu ng Bie g ekra ft F S ZB St rei f en b bre it Erm it tlung Re ib k ra f t F SZ St re ife n b b re it Gegenhalter r Z Re i bung sfrei g e lag erte Wa lze Ziehk a nte r Z F SGB µ= 2 ln π F SZ. F SGB F SG. F SZB F SG Bild 31: Streifenziehanlage Die Streifenziehversuche werden mit modularem Formkopf mit Umlenkung und plastifizierendem Werkstoff unter realitätsnahen Bedingungen durchgeführt. Verwendet wurden Ziehkantenradien von 5 mm und 8 mm. Durch die Vorgabe des Druckverlaufes können Grenzwerte für Aufschweißung, Schmierfilmabriss und die Wirkung von Additiven festgestellt werden. Die eingestellte Gleitgeschwindigkeit des Blechwerkstoffs betrug 50 mm/s. Es wurden Reibungskoeffizienten für drei verschiedene Lasthorizonte (mittlere Flächenpressungen) ermittelt. Als Schmierstoff wurde der CLF 400 E von Raziol eingesetzt. Der Schmierstoff wurde durch eine Streifenbeölungsanlage mittels Sprühen aufgetragen. Durch eine spezielle Steuerung der Sprühdüse ist es möglich definierte Mengen Schmierstoff reproduzierbar zu applizieren. Es wurden 1.5 g/m² Schmierstoff auf die Blechoberflächen aufgetragen. Der Blechwerkstoff wurde über die Werkzeuge bei Raumtemperatur gezogen. Die Ziehwerkzeuge wurden aus angefertigt. Bei allen Werkzeugen wurden die Oberflächen poliert. Zur Untersuchung des Einfluss des Ziehkantenradius auf den

40 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 39 Reibungskoeffizienten wurden Werkzeuge mit verschiedenen Radien (5 mm und 8 mm) eingesetzt. Jedem aufgetragenen Punkt in den Reibungskoeffizient über mittlerer Flächenpressung Diagrammen liegt ein Mittelwerte aus 2 Versuchen zu Grunde. Die Versuche wurden nach dem in der folgenden Tabelle 13 zusammengestelltem Versuchsplan durchgeführt. Werkzeug Backe Rolle Schmierstoff geschmiert CLF400 E Ungeschmiert Werkzeugoberfläche Unbeschichtet TiN DLC Unbeschichtet Ziehkantenradius HCT690T +Z X X X X X X X X X X X X X X X X Tabelle 13: Versuchsplan der Streifenziehversuche In einem ersten Untersuchungsabschnitt wurden die beiden Blechwerkstoffe mit 1,5 g/m² des Schmierstoffs CLF 400 E versehen und über unbeschichtete Ziehkanten aus mit verschiedenen Radien gezogen. Im folgenden Bild 32 und Bild 33 sind die Reibungskoeffizienten über der mittleren Flächenpressung aufgetragen. friction coefficient 0,30 0,25 0,20 0,15 radii 8mm radii 5mm 0,10 0, contact pressure pm [N/mm²] Bild 32: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, unbeschichtete Ziehbacken, geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien

41 40 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,25 0,20 0,15 radii 8mm radii 5mm 0,10 0, contact pressure pm [N/mm²] Bild 33: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , unbeschichtete Ziehbacken, geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien Bei beiden Blechwerkstoffen ist zu erkennen, dass mit abnehmendem Ziehkantenradius die Flächenpressung zunimmt. Beim HCT670T und dem Ziehkantenradius von 5 mm ergibt sich ein starker Abfall des Reibungskoeffizienten von 0,29 auf 0,08, beim Ziehkantenradius von 8 mm ist der Abfall nicht ganz so steil von 0,13 auf ebenfalls 0,08. Zu beachten ist, dass die mittleren Flächenpressungen beim kleineren Radius dabei bei 70 MPa und beim größeren Radius bei 47 MPa liegen. Beim dagegen bleibt der Reibungskoeffizient bei beiden Ziehkantenradien annähernd konstant. Bei den folgenden Versuchen wurden alle Randbedingungen (Blechwerkstoff, Werkzeuggeometrie, Schmierung, Prozessparameter) gleich gelassen, es wurden nur beschichtete Ziehkanten eingesetzt. Beide verwendeten Ziehbacken mit der DLC-Schicht sind im Bild 34 dargestellt.

42 41 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) radii 5 mm radii 8 mm Bild 34: DLC beschichtete Ziehbacken, verschiedene Ziehkantenradien Beide verwendeten Ziehbacken mit der TiN-Schicht sind in Bild 35 dargestellt. radii 5 mm radii 8 mm Bild 35: TiN beschichtete Ziehbacken, verschiedene Ziehkantenradien Im folgenden Bild 36 und Bild 37 sind die Reibungskoeffizienten über der mittleren Flächenpressung für die mit DLC beschichteten Ziehbacken aufgetragen.

43 42 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,35 0,30 0,25 0,20 radii 5 mm radii 8 mm 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 36: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, beschichtete Ziehbacken DLC, geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien friction coefficient 0,25 0,20 0,15 radii 8 mm radii 5 mm 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 37: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , beschichtete Ziehbacken DLC, geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien

44 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 43 Das Verhalten des Reibungskoeffizienten über verschiedenen Flächenpressungen ist tendenziell für den HCT690T bei den DLC beschichteten Ziehbacken wie bei den unbeschichteten Ziehbacken. Beim verschlechtert sich der Reibkoeffizient mit steigender mittlerer Flächenpressung. Das Verhalten der beiden Ziehkantenradien zueinander dreht sich beim um, so dass jetzt der kleinere Radius (5 mm) bei vergleichbaren mittleren Flächenpressungen die geringeren Reibungskoeffizienten aufweist. Im folgenden Bild 38 und Bild 39 sind die Reibungskoeffizienten über der mittleren Flächenpressung für die mit TiN beschichteten Ziehbacken aufgetragen. friction coefficient 0,25 0,20 0,15 radii 8 mm radii 5 mm 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 38: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, beschichtete Ziehbacken TiN, geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien

45 44 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,25 0,20 0,15 radii 8 mm radii 5 mm 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 39: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , beschichtete Ziehbacken TiN, geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien Wie schon bei den unbeschichteten und den mit DLC beschichteten Ziehbacken ist auch bei den mit TiN beschichteten Ziehbacken die gleiche Tendenz zu erkennen, mit steigender mittlerer Flächenpressung verringert sich der Reibkoeffizient deutlich. Die mit TiN beschichteten Ziehbacken verhalten sich beim wie die mit DLC beschichteten Ziehbacken, mit steigender mittlerer Flächenpressung verschlechtert sich der Reibkoeffizient. Das Verhalten der beiden Ziehkantenradien zueinander dreht sich beim um, so dass jetzt der kleinere Radius (5 mm) bei vergleichbaren mittleren Flächenpressungen die geringeren Reibungskoeffizienten aufweist. In den folgenden Bildern (Bild 40 bis Bild 43) sind für verschiedene Werkzeugoberflächen die Reibungskoeffizienten über den mittleren Flächenpressungen zusammengestellt.

46 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 45 friction coefficient 0,35 0,30 0,25 0,20 uncoated DLC TiN 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 40: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, geschmiert, Ziehkantenradius R=5 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen Vergleicht man die Reibungskoeffizienten für Streifen aus HCT690T, geschmiert über einen Ziehkantenradius von 5 mm gezogen, so ist keine eindeutige Tendenz die der Beschichtung zugeordnet werden kann, zu erkennen. Auch im Bild 41, bei Vergrößerung des Ziehkantenradius auf 8 mm, ist der Einfluss der Beschichtung auf den Reibungskoeffizienten eher verschlechternd als verbessernd. Die Werkzeugoberfläche die die geringsten Reibwerte liefert ist die unbeschichtete.

47 46 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,35 0,30 0,25 0,20 uncoated DLC TiN 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 41: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, geschmiert, Ziehkantenradius R=8 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen friction coefficient 0,25 0,20 0,15 uncoated DLC TiN 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 42: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , geschmiert, Ziehkantenradius R=5 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen

48 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 47 Vergleicht man die Reibungskoeffizienten für Streifen aus , geschmiert über einen Ziehkantenradius von 5 mm gezogen, so ist keine eindeutige Tendenz die einer bestimmten Beschichtung zugeordnet werden kann, zu erkennen. Es kann nur gesagt werden, dass die unbeschichtete Werkzeugoberfläche die schlechteren Reibungskoeffizienten liefert. Auch im folgenden Bild 43, bei Vergrößerung des Ziehkantenradius auf 8 mm, ist ein Einfluss der Beschichtung auf den Reibungskoeffizienten nicht zu erkennen. friction coefficient 0,25 0,20 0,15 uncoated DLC TiN 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 43: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , geschmiert, Ziehkantenradius R=8 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen Die ersten Untersuchungsergebnisse führten zu dem Schluss, dass der Einfluss des während der Umformung eingesetzten Schmierstoffs die Wirkung der Beschichtung überstrahlt. In einem weiteren Schritt wurden dann die Versuche mit den beiden Werkzeugbeschichtungsvarianten DLC und TiN ohne Schmierstoff wiederholt. Der Versuchsplan ist in Tabelle 14 zusammengestellt. Werkzeug Backe Rolle Schmierstoff ungeschmiert Werkzeugoberfläche TiN DLC Unbeschichtet Ziehkantenradius HCT690T +Z X X X X X X X X X X X X Tabelle 14: Versuchsplan der Streifenziehversuche ungeschmiert

49 48 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig In den folgenden Bildern (Bild 44 bis Bild 47) sind die Ergebnisse dieser Versuche zusammengestellt. friction coefficient 0,30 0,25 0,20 B5TXD_Rt radii 5 mm B8TXD_Rt radii 8 mm 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 44: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, beschichtete Ziehbacken DLC, nicht geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien Der Reibungskoeffizienten für den HCT690T bei den DLC beschichteten Ziehbacken ungeschmiert gezogen sinkt mit steigender mittlerer Flächenpressung.

50 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 49 friction coefficient 0,25 0,20 0,15 B8XXD_Rt radii 8 mm B5XXD_Rt radii 5 mm 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 45: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , beschichtete Ziehbacken DLC, nicht geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien Beim verschlechtert sich der Reibkoeffizient mit steigender mittlerer Flächenpressung beim Ziehkantenradius von 8mm. Während er beim Ziehkantenradius von 5mm bei allen mittleren Flächenpressungen konstant bleibt. Im folgenden Bild 46 und Bild 47 sind die Reibungskoeffizienten über der mittleren Flächenpressung für die mit TiN beschichteten Ziehbacken aufgetragen.

51 50 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,30 0,25 0,20 B5TXT_Rt radii 5 mm B8TXT_Rt radii 8 mm 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 46: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, beschichtete Ziehbacken TiN, nicht geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien Der Reibungskoeffizient für den HCT690T nicht geschmiert über die mit TiN beschichteten Ziehbacken gezogen ähnelt in seinem Verlauf den bei den DLC beschichteten Ziehbacken. Mit steigenden mittleren Flächenpressungen sinkt der Reibungskoeffizient ab. Beim ungeschmiert über die TiN beschichteten Ziehbacken gezogen sind die größeren Flächenpressungen nicht mehr abbildbar.

52 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 51 friction coefficient 0,25 0,20 0,15 B8XXT_Rt radii 8 mm B5XXT_Rt radii 5 mm 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 47: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , beschichtete Ziehbacken TiN, nicht geschmiert, verschiedene Ziehkantenradien Deutlich wird das, wenn man sich die Kraft-Weg-Verläufe (vgl. Bild 48 bis Bild 50) anschaut Kraft [kn] Zugweg [mm] 1 Z ug rsu ch1 h2 Geg Vers uch Ve Geg en Vers uch2 Zu g Ver suc en Bild 48: Kraft über Ziehweg , Stufe 1, beschichtete Ziehbacken TiN, nicht geschmiert, Ziehkantenradius R= 8mm In der ersten Stufe sind die Kräfte (Zug- und Gegenkraft) nach einer anfänglichen

53 52 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Überhöhung ab 100 mm annähernd konstant. Auch zwischen den beiden versuchen gibt es kein Unterschiede in der Gegenkraft und in einem weiten teil der Zugkraft. Zu beobachten ist, dass es schon beim 2. Versuch gegen Ende des Zugweges zu einem deutlichen Anstieg der Zugkraft kommt Kraft [kn] Ver suc h1 Zug Ver suc h1 Geg en Vers uch 2 Z ug Vers uch 2 G ege n Bild 49: Kraft über Ziehweg , Stufe 2, beschichtete Ziehbacken TiN, nicht geschmiert, Ziehkantenradius R= 8mm Zugweg [mm] In der zweiten Stufe ist die Überdeckung der Gegenkräfte auch noch vorhanden und der Verlauf annähernd linear. Bei den Zugkräften kommt es schon zu sehr deutlichen Schwankungen in der Amplitude was auf einen Stick-Slip-Effekt, ein Wechsel zwischen haften und gleiten des Blechwerkstoffs auf dem Werkzeug, schließen lässt. Die Versuche sind bzgl. Reibungskoeffizientenermittlung nicht mehr auswertbar Kraft [kn] Versuch1 Zug Versuch1 Gegen Versuc h2 Zug Versuch2 Gegen Bild 50: Kraft über Ziehweg , Stufe 3, beschichtete Ziehbacken TiN, nicht geschmiert, Ziehkantenradius R= 8mm Zugweg [mm]

54 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 53 In der dritten Stufe ist dann ein kontinuierlicher Anstieg der Kräfte bis zum Versagen des Blechwerkstoffs zwischen 250 mm und 300 mm zu beobachten. Auch aus diesen Versuchen lassen sich keine Reibungskoeffizienten bestimmen. In den folgenden Bildern (Bild 51 bis Bild 54) sind für verschiedene Werkzeugoberflächen die Reibungskoeffizienten über den mittleren Flächenpressungen für die ungeschmierten Versuche vergleichend zusammengestellt. friction coefficient 0,30 0,25 0,20 B5TXD_Rt DLC B5TXT_Rt TiN 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 51: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, nicht geschmiert, Ziehkantenradius R=5 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen

55 54 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,30 0,25 0,20 B8TXD_Rt DLC B8TXT_Rt TiN 0,15 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 52: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung HCT690T, nicht geschmiert, Ziehkantenradius R=8 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen Beim HCT690T ungeschmiert über beide Ziehkantenradien (5 mm und 8 mm ) gezogen sind deutliche Unterschiede in den Reibungskoeffizienten zwischen den beiden Beschichtungen zu erkennen. In beiden Fällen sinkt der Reibungskoeffizient mit steigender mittlerer Flächenpressung deutlich ab. Die Reibungskoeffizienten bei vergleichbarer mittlerer Flächenpressung sind bei den mit TiN beschichteten Ziehbacken wesentlich geringer als bei den DLC beschichteten.

56 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 55 friction coefficient 0,25 0,20 0,15 B5XXT_Rt TiN B5XXD_Rt DLC 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 53: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , nicht geschmiert, Ziehkantenradius R=5 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen Beim ungeschmiert über den Ziehkantenradius von 5 mm gezogen sind die Reibungskoeffizienten für die mit DLC beschichtete Ziehbacke bei allen untersuchten mittleren Flächenpressungen annähernd konstant. Im Verglich zu den mit TiN beschichteten Ziehbacken sind die Reibungskoeffizienten wesentlich geringer und auch bei höheren mittleren Flächenpressungen noch darstellbar.

57 56 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig friction coefficient 0,25 0,20 0,15 B8XXT_Rt TiN B8XXD_Rt DLC 0,10 0, contact pressure p m [N/mm²] Bild 54: Reibungskoeffizient über der Flächenpressung , nicht geschmiert, Ziehkantenradius R=8 mm verschiedene Ziehbackenoberflächen Beim ungeschmiert und über den Ziehkantenradius von 8 mm gezogen, ergibt ein ähnliches Bild wie bei dem Ziehkantenradius von 5 mm. Die Reibungskoeffizienten der DLC Beschichtung liegen unter denen der TiN Schicht. Mit wachsender mittlerer Flächenpressung steigen die Reibungskoeffizienten allerdings leicht an. Das Verhalten der Reibungskoeffizienten bei ungeschmiert gezogenen Versuchen über die beiden Beschichtungen lässt die Aussage zu, dass für den HCT690T mit der verzinkten Oberfläche die TiN- Beschichtung die bessere Wahl (geringere Reibungskoeffizienten) ist. Auf Grund des Versagens des Blechstreifens bei höheren mittleren Flächenpressungen der Kombination und TiN-Beschichtung ungeschmiert gezogen kann bei diesem tribologischem System festgestellt werden, dass hier DLC-Beschichtungen zum Einsatz kommen sollten. Die TiN-Beschichtung erfüllt hier nicht die Anforderungen, Trennung Werkzeug-Werkstoff, die an eine Werkzeugbeschichtung gestellt werden Scherschneiden Um einen weiteren Prozess der Umformtechnik abbilden zu können, wurde das Scherschneiden ausgewählt. Für die Versuche wurde ein am IWU vorhandenes Schneidwerkzeug eingesetzt. Mit diesem Werkzeug können Löcher mit einem Durchmesser von 10 mm in Blechstreifen eingebracht werden. Im folgenden Bild 55 ist dieses Werkzeug dargestellt. Zu erkennen ist an der rechten Seite das pneumatische Zangenvorschubgerät, das für den Transport des Blechstreifens während der Versuche erforderlich war.

58 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 57 Bild 55: Scherschneidwerkzeug Lochdurchmesser 10 mm Die Schneidversuche werden auf einer Einständer-Exzenterpresse vom Hersteller Ambold durchgeführt (Bild 56). Die Maschine ist vom Typ PEEV 25.2 und besitzt eine Nennpresskraft von 250 kn. Die Auslösung eines Schneidvorgangs wird über eine Zweihandbedienung realisiert. Das Werkzeug mit der eingeschraubten Vorspannvorrichtung für die Kraftmessdose wird über einen Einspannzapfen nach DIN ISO mit dem Pressenstößel verbunden. Am Aufspanntisch dienen zwei Spanneisen zur ausreichenden Befestigung der Werkzeuggrundplatte. Bild 56: Ambold-Exzenterpresse PEEV 25.1 mit eingebautem Schneidwerkzeug

59 58 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Die Hublänge wird so groß gewählt, dass ein sicheres Durchdrücken des Schneidbutzens für jeden Schneidvorgang gewährleistet ist. Damit stauen sich keine Butzen in der Schneidbuchse auf. Dies könnte ansonsten dazu führen, dass sich die Butzendurchdrückkraft dermaßen erhöht, sodass kein vollständiger Schnitt beim nächsten Loch entsteht. Aus diesem Grund wird am Exzenter eine Hublänge von etwa 20 mm eingestellt. Somit ist die minimale Eintauchtiefe gesichert. Die Hublage wird dabei so definiert, dass der Stempel im oberen Totpunkt (OT) kurz vor Austritt aus der Stempelführungsplatte beziehungsweise gerade noch über dem Bereich der Führungsleisten steht. Die Scherschneidversuche wurden nach folgendem Versuchsplan (Tabelle 15) durchgeführt. Schmierstoff ungeschmiert Werkzeugoberfläche TiN DLC Stempeldurchmesser 10 mm 10 mm HCT690T +Z X X X X Tabelle 15: Versuchsplan der Scherschneidversuche Die eingesetzten Schneidstempel waren bislang nicht im Einsatz, sodass von einem Neuzustand ausgegangen wird. Bild 57 zeigt den Ausgangszustand der Schneidstempel. tool material: , TiN tool material: , DLC HCT690T Bild 57: Ausgangszustand Schneidstempel Um die Schneidkräfte für die Scherschneidvorgänge auszuwerten, wird die maximal gemessene Schneidkraft für jeden Versuch pro Stempel und Werkstoff aus dem zeitlichen Kräfteverlauf bestimmt. Diese Maximalkraft wird über die 100 durchgeführten Schneidvorgänge aufgetragen. In den folgenden Bildern (Bild 58 bis Bild 61) sind die maximalen Schneidkräfte über der Versuchsanzahl auf getragen. Betrachtet man die Schneidkraft für den HCT690T mit dem TiN-beschichteten Stempel so ist ausgehend von einem hohen Startwert ein schnelles Einschwingen der Schneidkraft um 13,4 kn zu beobachten.

60 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 59 14, ,8 13,6 13,4 13, test number Bild 58: Maximale Schneidkraft für Schneidversuche HCT690T, Stempel TiN-beschichtet 14, ,8 13,6 13,4 13, test number Bild 59: Maximale Schneidkraft für Schneidversuche HCT690T, Stempel DLC-beschichtet Bei den mit dem DLC-beschichteten Schneidstempel durchgeführten Versuchen tritt dieses Einschwingen auf 13,4 kn ab dem Versuch Nr. 40 ein. Bei diesem Versuch wurde auch der

61 60 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Streifen gewechselt, so dass der Kraftabfall auch auf eine neue Materialcharge zurückgeführt werden kann. 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4, test number Bild 60: Maximale Schneidkraft für Schneidversuche , Stempel TiN-beschichtet 8 7,8 7,6 7,4 7,2 7 6, test number Bild 61: Maximale Schneidkraft für Schneidversuche , Stempel DLC-beschichtet

62 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 61 Bei Verwendung des und der TiN-beschichteten Schneidstempel startet die Kraft bei einem sehr geringen Wert. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen steigert sich die Kraft und bleibt dann relativ stabil. Bei Verwendung des DLC-beschichteten Schneidstempels ist die maximale Schneidkraft geringer als bei dem TiN-beschichteten Schneidstempel. Im Bild 62 sind die Schneidstempel nach Benutzung dargestellt. tool material: , TiN tool material: , DLC HCT690T Bild 62: Stempel nach je 100 Schnitten Die vereinzelten Kratzer auf der Stempeloberfläche rühren vom Eintauchen in die Schneidmatrize her. Wie am Anfang schon beschrieben, wurde der Hub so groß eingestellt, dass der Butzen bei jedem Schnitt aus der Matrize ausgestoßen wird, um ein Verklemmen und damit ein Ansteigen der Butzendurchstoßkraft zu verhindern. Das Schneiden des HCT690T zeigt an den beiden beschichteten Stempeln kaum Verschleißspuren. Eine Einsatzempfehlung kann hier nicht gegeben werden. Deutlich zu erkennen ist, dass es bei der Kombination und TiN zu einem Abtrag der Beschichtung im vorderen Teil des Stempels durch das Schneiden gekommen ist. Die DLC- Schicht scheint wesentlich weniger durch den beansprucht zu werden. Hier kann die Empfehlung ausgesprochen werden, beim Schneiden von eine DLC-Schicht zu wählen Tiefziehen Für das Abbilden des Tiefziehens wurde ein am IWU vorhandenes Werkzeug, zur Herstellung von Vierecknäpfen genutzt. Dabei erreicht man in den geraden Teilen ein Biegen um eine kante und in den Eckbereichen ein Napfziehen mit tangentialen Druck- und radialem Zugspannungen. Die dabei durch die entstehende Aufdickung des Blechmaterials wirkenden Belastungen auf das Werkzeug wirken in Normalenrichtung zur Oberfläche und werden durch den Werkstofffluss abgewinkelt. So dass im geraden Teil der Matrize ähnliche Belastungsverhältnisse wie beim Streifenziehen am Blecheinlauf vorherrschen und in den Eckbereichen etwas größere Belastungen als beim Streifenziehen auftreten. Im Bild 63 ist der Versuchsaufbau dargestellt. Das Werkzeug ist segmentiert aufgebaut, so dass die Aktivteile leicht gewechselt werden können. In den oberen Teil des Werkzeuges lassen sich die beschichteten Ziehringe in die Aufnahmeplatte leicht integrieren und werden über eine Presspassung fixiert. Der Stempelkopf lässt sich ebenfalls leicht austauschen, da er nur über eine zentrische Schraube mit der Stempelaufnahme verbunden ist.

63 62 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig upper part with die blankholder punch assembly active parts: : die insert blankholder insert punch head (50 mm x 50 mm, R = 5 mm) Bild 63: Versuchsaufbau für das Tiefziehen Im Bild 64 sind die verwendeten Matrizen dargestellt. Verwendet wurden quadratische Matrizen mit einem Ziehkantenradius von 5 mm. Gezogen wurde nur der HCT690T. Die Versuche wurden ohne Schmierstoff durchgeführt. Es wurden jeweils 20 Näpfe gezogen. Ziehring aus , DLC beschichtet Ziehring aus , TiN beschichtet Bild 64: Werkzeuge nach dem Umformen Im Bild 65 sind aus den Matrizen Ausschnitte aus dem geraden Teil und aus dem Eckenbereich vergrößert dargestellt.

64 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 63 DLC-beschichteter Ziehring Bild 65: Verschleißspuren an den Ziehringen TiN-beschichteter Ziehring An beiden dargestellten beschichteten Ziehringen sind sowohl in den Eckbereichen als auch in den geraden Bereichen leicht Spuren von Zinkablagerungen zu erkennen.

65 64 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig 8.2. Verschleißanalyse nach den Anwendungsversuchen Verschleißanalyse an den Streifenziehwerkzeugen Nach den Streifenziehversuchen und der Analyse am IWU wurden die Ziehbacken am IST analysiert. Das Ziel der Analyse war die Bewertung des Verschleißes, und die Bewertung etwaiger Abplatzungen. Die Bilder 66 bis 69 zeigen den Ziehradius der Backen nach den Streifenziehversuchen am IWU. Alle haben metallische Streifen, die sowohl durch verschlissene Beschichtungen oder Adhäsion von Blechwerkstoff bzw. der Beschichtung des Blechwerkstoffs hervorgerufen werden können. Bild 66: 5 mm Radius Ziehbacke mit CrN + a-c:h Beschichtung Bild 67: 8 mm Radius Ziehbacke mit CrN + a-c:h Beschichtung Bild 68: 5 mm Radius Ziehbacke mit TiN Beschichtung Bild 69: 8 mm Radius Ziehbacke mit TiN Beschichtung

66 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 65 Die Ziehbacken wurden in der Richtung des Blechvorschubs geschnitten, damit eine Verschleißanalyse über die ganze Kante möglich ist. Bild 70 bis Bild 73 zeigen die Kante der Ziehbacken nach den Streifenziehversuchen. In vier Fällen ist die Beschichtung weitgehend unversehrt geblieben. Keine Abplatzung ist sichtbar und es gibt auch keinen Bereich, in dem die Beschichtung einen starken Verschleiß aufweist. Somit erweisen sich die metallischen Streifen, die in den Bildern 65 bis 68 sichtbar sind, als Anhaftungen des Blechwerkstoffs bzw. der Blechbeschichtung. Bild 70: 5 mm Radius Ziehbacke mit CrN + a-c:h Beschichtung Bild 71: 8 mm Radius Ziehbacke mit CrN + a-c:h Beschichtung

67 66 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig Bild 72: 5 mm Radius Ziehbacke mit TiN Beschichtung Bild 73: 8 mm Radius Ziehbacke mit TiN Beschichtung Verschleißanalyse an den Scherschneidwerkzeugen Nach den Tests wurden die Aktivteile aus den Scherschneidversuchen zunächst am IWU und dann am IST analysiert. Bei der Analyse am IST stand der Verschleiß der Beschichtung im Fokus.

68 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 67 Für die Untersuchungen wurden die Stempel, wie im Bild 75 gezeigt wird, entlang zweier Linien geteilt. Bild 74: Ansatz der Verschleißspuren am Schneidstempel Bild 75: Schnittlinien am Stempel In den folgenden Bildern ist der TiN beschichtete Schneidstempel gegen Blech (Bild 76 bis Bild 78) nach dem Test zu sehen. Unter Beanspruchung ist die Beschichtung teilweise abgeplatzt. Im Bild 77 sieht man, dass ungefähr die Hälfte der Beschichtung auf dem Stempel verbleibt. Im Schnitt B erkennt man, dass nur noch ein kleiner Anteil der Beschichtung auf dem Stempel verbleibt, mit zunehmender Nähe zur Schnittkante werden die Schichtreste immer spärlicher. Die TiN Beschichtung eignet sich unter den gegebenen Bedingungen nicht zur Bearbeitung von Blech. Bild 76: Der TiN beschichtete Schneidstempel nach dem Test gegen Blech Bild 77: Schnitt A von dem TiN beschichteten Schneidestempel gegen Blech Bild 78: Schnitt B von dem TiN beschichteten Schneidestempel gegen Blech

69 68 Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, Braunschweig In den folgenden Bildern ist der TiN beschichtete Schneidestempel gegen HCT690T Blech zu sehen (Bild 79 bis Bild 81). Die Ergebnisse sind etwas besser als gegen Blech, aber immer noch unbefriedigend. Bild 79: Der TiN beschichtete Schneidestempel nach dem Test gegen HCT690T Blech Bild 80: Schnitt A von dem TiN beschichteten Schneidestempel gegen HCT690T Blech Bild 81: Schnitt B von dem TiN beschichteten Schneidestempel gegen HCT690T Blech In den folgenden Bildern ist der CrN + a-c:h beschichtete Schneidstempel gegen Blech (Bild 82 bis Bild 84) zu sehen. Im Test des CrN + a-c:h beschichteten Schneidstempels gegen Blech ist die Beschichtung nahezu unversehrt geblieben, ohne auffallende Abplatzungen. Die sichtbaren Streifen an dem Stempel (Bild 82) sind wahrscheinlich Reste von Blechanhaftungen oder dem Schmierstoff. Bild 82: Der CrN + a-c:h beschichtete Schneidstempel nach dem Test gegen Blech Bild 83: Schnitt A von dem CrN + a-c:h beschichteten Schneidestempel gegen Blech

70 Load-related Design of Coatings for Forming Tools (LorCoT) 69 Bild 84: Schnitt B von dem CrN + a-c:h beschichteten Schneidestempel gegen Blech In den folgenden Bilder ist der CrN + a-c:h beschichtete Schneidstempel gegen HCT690T Blech zu sehen (Bild 85 bis Bild 87). Im Test des CrN + a-c:h beschichteten Schneidstempels gegen HCT690T ist die Beschichtung weitgehend intakt geblieben. In diesem Fall gibt es kleine Abplatzungen der Deckschicht, die am Schnitt B (Bild 87) sichtbar sind. Die sichtbaren Streifen am Stempel (Bild 85) sind wahrscheinlich Reste von Blechanhaftungen oder vom Schmierstoff, da am Schnitt A (Bild 86) keine Abplatzung sichtbar ist. Bild 85: Der CrN + a-c:h beschichtete Schneidstempel nach dem Test gegen HCT690T Blech Bild 86: Schnitt A von dem CrN + a-c:h beschichteten Schneidestempel gegen HCT690T Blech Bild 87: Schnitt B von dem CrN + a-c:h beschichteten Schneidestempel gegen HCT690T Blech Im Scherschneidversuch mit den verwendeten Schneidstempeln besteht die CrN + a-c:h Beschichtung am bestens den Test.