Gasborieren von hochlegierten Werkzeugstählen

Zur Verbesserung des Reibungs- und Verschleißverhaltens können jetzt auch hochlegierte Werkzeugstähle durch eine neue am Fraunhofer IST entwickelte Prozessführung mit dem Verfahren des Gasborierens erfolgreich behandelt werden.

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Thermoschocktester für Leichtmetallguss- und Schmiedewerkzeuge

Zur Bewertung von Randschichten hinsichtlich ihrer Thermoschockbeständigkeit ist eine geeignete Prüftechnik unerlässlich. Am Fraunhofer IST wurde daher ein innovativer Thermoschockprüfstand entwickelt.

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Prozesskette zur Vorbehandlung von Werkzeugen

Um die Umweltverträglichkeit einer Reinigungsprozesskette aus Behandlungsschritten an der Atmosphäre mit einer nachfolgenden Plasmafeinreinigung direkt vor der Beschichtung zu steigern, wird am Fraunhofer IST eine neue Prozesskette zur Vorbehandlung von zu beschichtenden Werkzeugen entwickelt.

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HIPIMS-Arc-Abscheidung von ta-C-Schichten

Wasserstofffreie harte DLC-Schichten werden nahezu ausschließlich mittels Arc-Verfahren hergestellt. Das Fraunhofer IST arbeitet an einer alternativen Herstellungsmethode: der kombinierten HIPIMS-Arc-Abscheidung.

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DLC-Beschichtungen für die Umformung

Am Fraunhofer IST wird eine Kombination aus Nitrierung und DLC-Beschichtung angewendet, um die Widerstandsfähigkeit von DLC-Beschichtungen vor allem auf Werkzeugen zu erhöhen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei in der Anpassung des Verfahrens auf komplex geformte Werkzeuge.

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Sensorsysteme für die Produktionsüberwachung

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für Industrie 4.0 ist neben der Weiterentwicklung der Datenverarbeitung auch eine leistungsfähige Sensorik Produktionsüberwachung. Am Fraunhofer IST werden verschiedene anwendungsspezifische Sensorsysteme auf Bauteilen entwickelt.

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Anwendungsspezifische Fertigung von Sensorsystemen

Das Fraunhofer IST entwickelt piezoresistive und thermoresisitive Sensorstrukturen, die anforderungsspezifisch realisiert werden.

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Titanlegierungen effizient umformen

Am Fraunhofer IST werden antiadhäsive Werkzeugbeschichtungen für die Hochtemperatur-Titanumformung entwickelt, mit denen zukünftig effizientere Umformprozesse und eine verbesserte Bauteilqualität erreicht werden sollen.

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Strukturierte CVD-Diamant-Honleisten

Am Fraunhofer IST wurden in Kooperation mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der Technischen Universität Braunschweig neuartige CVD-Diamant-Honleisten entwickelt und erfolgreich getestet, die mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Honleisten aufweisen.

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Gasborieren von hochlegierten Werkzeugstählen

Borierschicht in hoch­legiertem Warmarbeitsstahl 1.2343.
© Fraunhofer IST

Borierschicht in hoch­legiertem Warmarbeitsstahl 1.2343.

Rockwelleindruck in einer 10 µm dicken Boridschicht.
© Fraunhofer IST

Rockwelleindruck in einer 10 µm dicken Boridschicht.

Das Gasborieren von Werkzeugstählen stellt einen ganz neuen Ansatz für den Verschleißschutz von Ur- und Umformwerkzeugen dar. Durch eine neue am Fraunhofer IST entwickelte Prozessführung können jetzt auch hochlegierte Werkzeugstähle mit diesem Verfahren erfolgreich behandelt werden.

Borieren von Stahlwerkstoffen

Das Borieren von niedriglegierten Stählen ist bereits seit vielen Jahren bekannt. Dabei diffundiert Bor aus einem pulver- oder pastenförmigen Spendermedium bei Temperaturen oberhalb von 750 °C in die Werkstoffoberfläche. Durch eine anschließende Vakuumwärmebehandlung wird die Ausgangshärte des Grundwerkstoffs wiederhergestellt. Es bilden sich sehr harte und verschleißbeständige Boridschichten mit größerer Schichtdicke als bei konventionellen Hartstoffschichten. Nachteilig sind die dabei entstehenden Rückstände der Spendermedien auf der Werkstoffoberfläche, die aufwändig entfernt und anschließend entsorgt werden müssen. Um dies zu umgehen, werden Möglichkeiten untersucht, um mit unbedenklichen gasförmigen Spendermedien zu arbeiten. Gelungen ist dies bereits weitgehend durch eine zusätzliche Plasmaunterstützung bei der Borierung niedrig legierter Stähle. Problematisch war hier bisher jedoch die Porenbildung. Darüber hinaus eignete sich die Technologie nicht für die erfolgreiche Behandlung hochlegierter Stähle.

Der neue Borierprozess

Am Fraunhofer IST ist es gelungen, durch eine geänderte Prozess­gasumsetzung und eine optimierte Gasverteilung erstmals nahezu porenfreie Boridschichten auf verschiedenen hochlegierten Warm- und Schnellarbeitsstählen bei Temperaturen von 700 – 750 °C in einer Vakuumkammer herzustellen. Dabei wurde BCl3 als Spendermedium verwendet. Eine zusätzliche Plasmaunterstützung war nicht notwendig. Ein weiterer Vorteil des neuen Borierprozesses ist, dass der erforderliche Einsatz des Spendermediums mehr als halbiert werden konnte.

Die Schichteigenschaften

Mit dem neuen Prozess können bereits nach einer Prozesszeit von zwei Stunden Schichtdicken von mehr als 10 µm erzielt werden. In Abhängigkeit vom verwendeten Werkzeugstahl und den Prozessparametern liegen die Schichthärten zwischen 1800 und 2500 HV. In Tribometerversuchen in sogenannter Kugel-Scheibe-Anordnung gegen Stahl- und Aluminiumkugeln weisen die Schichten ein sehr gutes Reibungs- und Verschleißverhalten auf. Auffällig ist zudem die äußerst geringe Adhäsionsneigung gegenüber Aluminium.

Das Projekt

Das IGF-Vorhaben IGF 19553 N der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.

 

Weitere Beiträge aus dem Bereich Maschinenbau, Werkzeuge und Fahrzeugtechnik finden Sie hier