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

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

REM-Querschnittsaufnahme der entwickelten Werkzeugbeschichtung auf Wolframcarbid-Basis.
© Fraunhofer IST

REM-Querschnittsaufnahme der entwickelten Werkzeugbeschichtung auf Wolframcarbid-Basis.

Verschleißausprägungen auf der Werkzeugoberfläche nach Anwendungsversuchen gegen TiAl6V4 bei 950 °C unter Schutzgasatmosphäre. Unbeschichtet, mit Titananhaftungen (links). Beschichtet , ohne Titananhaftungen (rechts).
© Fraunhofer IST

Verschleißausprägungen auf der Werkzeugoberfläche nach Anwendungsversuchen gegen TiAl6V4 bei 950 °C unter Schutzgasatmosphäre. Unbeschichtet, mit Titananhaftungen (rechts). Beschichtet , ohne Titananhaftungen (links).

Modifikationen von Inconel 718 als Werkzeugwerkstoff im Vergleich – Tribometerversuche gegen TiAl6V4 bei 950 °C in Ar-Schutzgasatmosphäre.
© Fraunhofer IST

Modifikationen von Inconel 718 als Werkzeugwerkstoff im Vergleich – Tribometerversuche gegen TiAl6V4 bei 950 °C in Ar-Schutzgasatmosphäre.

Aktuell können effiziente umformtechnische Verfahren wie z. B. das Tiefziehen oder das Innenhochdruck-Umformen nur stark eingeschränkt für Titanlegierungen angewendet werden. Die hohe Adhäsionsneigung von Titanlegierungen führt bei der Umformung im Temperaturbereich von 500 °C bis 950 °C zu einem rapiden Werkzeugverschleiß. Trotz des Einsatzes temperaturbeständiger Schmiermittel genügt die Bauteil­oberflächengüte und die Prozessstabilität der Umformoperationen bereits nach kürzester Zeit nicht mehr den Anforderungen. Am Fraunhofer IST werden daher in einem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt antiadhäsive Werkzeugbeschichtungen für die Hochtemperatur-Titanumformung entwickelt, mit denen zukünftig effizientere Umformprozesse und eine verbesserte Bauteilqualität erreicht werden sollen.

Titanlegierungen

Titanlegierungen zeichnen sich durch ein günstiges Verhältnis zwischen Gewicht und Festigkeit, einer guten Duktilität, hoher thermischer Belastbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität aus. Setzt man sie als Grundwerkstoff ein, ergeben sich dadurch große Entwicklungspotenziale in verschiedensten Anwendungsgebieten, wie z. B. der Luft- und Raumfahrttechnik, der chemischen Industrie, der Medizintechnik sowie der Schifffahrt.

Schichtentwicklung

Die am Fraunhofer IST entwickelten Werkzeugbeschichtungen auf Basis von Wolframcarbid (vgl. nebenstehende Abbildung) verfolgen das Wirkprinzip zur Ausbildung einer selbstschmierenden Randschicht während des Umformprozesses. Anwendungsbezogene Laborversuche beweisen, dass dieser Effekt zu einer signifikanten Reduktion des Werkzeugverschleißes und der resultierenden Reibkräfte im Kontakt mit adhäsiven Titanwerkstoffen führt (vgl. nebenstehende Grafik). Weitere Langzeittests belegen eine gleichbleibende Schichtperformance auch für Beanspruchungsdauern im Bereich industrieller Anwendungen. Hierdurch können kostenintensive Schmierstoffe eingespart sowie die Werkzeugstandzeit und Bauteilqualität gesteigert werden. Neben allen gängigen Werkzeugstählen können auch temperaturbeständige Nickelbasiswerkstoffe mit Hilfe der eingesetzten PVD-Technologie beschichtet werden. In Abhängigkeit vom gewählten Werkzeugwerkstoff sind Einsatztemperaturen von bis zu 950 °C in unterschiedlichen Atmosphären wie z. B. Luft, Argon oder Stickstoff erreichbar.

Industrielle Anwendung

Die Schichtentwicklung erfolgte auf PVD-Magnetronsputter­anlagen nach industriellem Standard, wodurch die Entwicklungsergebnisse direkt auf reale Umformwerkzeuge übertragen und somit genutzt werden können. Erste reale Umformversuche zur Massivumformung und superplastischen Blechumformung von hochfesten Titanlegierungen werden aktuell mit den Projektpartnern durchgeführt und sollen die Grundlage für die finale Qualifikation der entwickelten Schichtsysteme für die industrielle Anwendung darstellen.

Das Projekt

Das IGF-Vorhaben 18855 BG der Forschungsvereinigung Europäischen Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.V. – EFDS, Gostritzer Str. 63, 01217 Dresden, wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (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