Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

DLC-based duplex coatings for highly loaded forming tools

 
: Weigel, K.; Mejauschek, M.; Kleinschmidt, M.; Bräuer, G.

Gesellschaft für Tribologie -GfT-:
Reibung, Schmierung und Verschleiß. Forschung und praktische Anwendungen : 59. Tribologie-Fachtagung, 24. September bis 26. September 2018, Göttingen
Aachen: GfT, 2018
ISBN: 978-3-9817451-3-9
S.46/1-46/8
Tribologie-Fachtagung <59, 2018, Göttingen>
Englisch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IST ()
duplex treatment; plasma nitriding; DLC; metal forming; tool coating

Abstract
DLC- (Diamond Like Carbon) Beschichtungen sind, aufgrund hoher Härte und Verschleißbeständigkeit, ihrem geringen Reibungskoeffizienten und geringer Adhäsionsneigung gegen die meisten Werkstoffe, prädestiniert für die Anwendung auf Umformwerkzeugen. Sie können in PVD- (Physical Vapor Deposition) oder PACVD- (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) Verfahren hergestellt werden. Momentan sind die Anwendungsgebiete eingeschränkt. Die Haftfestigkeit und den vollen Funktionsbereich abdeckende Lasttragfähigkeit der Schichtsysteme sind die hauptsächlichen limitierenden Faktoren. Mittels metallischer Haftschichten wird die Haftfestigkeit in vielen Fällen verbessert. Komplexe Werkzeug- oder Bauteilgeometrien können jedoch zu Abschattungseffekten und dadurch verursachtem vorzeitigem Schichtversagen führen. Eine Alternative besteht in einem Duplexverfahren, das aus Plasmanitrierung und anschließender DLC-Beschichtung besteht. Abhängig vom (Werkzeug-) Grundwerkstoff können hierdurch Schichthaftung und Lasttragfähigkeit erhöht werden. Übliche Werkzeuggeometrien können gut behandelt werden und der Stützeffekt der Nitrierzonebewirkt eine erhöhte Haftfestigkeit der DLC-Beschichtung in Standardtests. Die relevanten Mechanismen für eine gute Schichthaftung in hochbelastenden Umformsituationen sind aber noch nicht hinreichend bekannt. Die hier vorgestellten Untersuchungen beschreiben die Wirkung verschiedener Nitrierprozesse hinsichtlich Gaszusammensetzung, Prozessdruck und –temperatur auf unterschiedlichen gebräuchlichen Werkzeugstählen. Sie wurden durchgeführt in flacher und räumlich komplexer Anordnung auf 1.2379 Kaltarbeitsstahl, 1.2343 Warmarbeitsstahl,1.3343 Schnellarbeitsstahl und pulvermetallurgischem CPM REX M4 Werkzeugstahl. Der Fokus der Betrachtungen lag hierbei auf den Auswirkungen der unterschiedlichen Nitrierbehandlungen auf die Eigenschaften der folgenden DLC-Beschichtung. Unterschiedliche Tests zur Haftungsbeurteilung, Rockwell-, Scratch- und Impact-Tests, wurden durchgeführt. Vor allem auf geometrisch exponierten Flächen wurden differenzierte Ergebnisse zum Einfluss der spezifischen Nitrierzonen gefunden. Die Untersuchungen wurden ergänzt und validiert durch die Duplex-Behandlung verschiedener Umformwerkzeuge und deren Einsatz unter industriellen Produktionsbedingungen. Diesen Tests schlossen sich weitere Analysen und Charakterisierungsmethoden zur Verbesserung des Prozesses an.

 

DLC (Diamond Like Carbon) coatings are predestined for forming tool applications due to their hardness, wear resistance, low friction coefficients and low adhesion tendency to work piece material. They can be deposited in PVD (Physical Vapour Deposition) or in PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) processes. Currently, the use of DLC is limited. The main limits are the adhesive strength and the load bearing capacity of DLC coatings in the whole active area. For enhancement, often metallic adhesion and intermediary layers by PVD-processes are used. Complex tool or part geometries can lead to shadowing effects and subsequent insufficient coating properties and premature failure may occur. An alternative is a duplex treatment consisting of plasma nitriding and DLC coating in a PACVD process. Influenced by the selected steel grade, coating adhesion and their load bearing capacity can be improved. The typical shapes of forming tools can be properly treated by plasma nitriding. The improved supporting effect leads to an improved performance of the DLC-layer in delamination tests. The relevant mechanism for a good coating adhesion in demanding forming applications, however, is not yet sufficiently understood. The presented results describe the consequences of different nitriding process parameter sets, with regard to gas composition, pressure, and temperature, on different industrial relevant tool steels. The investigations were carried out in simple flat and on complex 3D substrate arrangement, regarding 1.2379 cold working steel, 1.2343 hot working steel, 1.3343 high speed steel and CPM REX M4 powder metallurgical tool steel. The focus was set on the dependencies of nitriding results and their effects on the subsequent DLC coating. Various adhesion characterizing tests, namely Rockwell-, Scratch- and Impact-Test were performed. Especially on geometrically exposed samples differentiated information about the influence of the nitriding layer was obtained. The investigations were completed by duplex treatment of different forming tools and real application tests in a production environment. These tools were analyzed afterwards for further characterizations and improvement of the process.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-519546.html