Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Die neue Gasborieranlage am Fraunhofer IST erzeugt durch Diffusionsbehandlungen bei bis zu 1050°C boridische Randzonen mit außergewöhnlichen technologischen Eigenschaften.
Boridische Oberflächen für Hochtemperaturanwendungen
In der Umformtechnik zählen extreme thermische Belastungen zu den größten Herausforderungen für Werkzeuge und Bauteile. Hohe Temperaturen beschleunigen den Verschleiß, fördern Adhäsion und verkürzen die Standzeiten deutlich. Am Fraunhofer IST werden daher boridische Oberflächen mittels PECVD- oder Gasborierverfahren entwickelt, die sich besonders für komplexe Geometrien bei Werkzeugen und Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen eignen. Die entstehenden Schichten und Randzonen schützen vor abrasivem Verschleiß, reduzieren Anhaftungen und tragen so zur Verlängerung der Werkzeuglebensdauer bei.
Nanostrukturuntersuchungen einer quinären borbasierten Ti-Si-B-C-N-Schicht zeigen in der TEM-Aufnahme (Brightfield-Modus) nanokristalline Phasen.
Der seit neuestem verfügbare Hochtemperaturofen erlaubt Untersuchungen im Temperaturbereich von bis 1600 °C.
Der Querschliff eines TZM-Werkstoffs nach dem Borieren und Tempern.
Herausforderungen in der industriellen Hochtemperaturumformung
Typische industrielle Hochtemperaturanwendungen sind das Gesenkschmieden von Stahl, das Strangpressen von Kupferlegierungen oder die Umformung von Titanlegierungen. Diese Prozesse stellen extreme Anforderungen an die Werkzeugoberflächen: eine hohe thermische Stabilität bei Prozesstemperaturen von häufig bis 1000 °C oder mehr, extreme Härte sowie chemische Inertheit zur Reduktion von Adhäsion während der Umformoperationen. Neben Warmarbeitsstählen werden daher auch Molybdän-Legierungen wie TZM oder Legierungen auf Nickelbasis wie Nimonic® 75 eingesetzt.
Innovative Schutzsysteme für Werkzeuge
Um diesen extremen thermischen und tribologischen Anforderungen gerecht zu werden, verfolgt das Fraunhofer IST zwei innovative Ansätze: Zum einen entstehen beim Plasmaborieren durch Diffusion boridische Phasen mit sehr guter Anbindung an den Grundwerkstoff und Härten von 2.000–3.000 HV bei gleichzeitig hoher thermischer Stabilität (vgl. untere Bild). Zum anderen bilden quinäre boridische PACVD-Schichten (Ti-Si-B-C-N) Nanokomposite aus 4-7 nm großen nanokristallinen Körnern in amorpher Matrix mit Härten bis 40 GPa sowie einer Oxidationsbeständigkeit von bis zu 925 °C (vgl. obere Bild).
Prüfung und Qualifizierung der Oberflächenlösungen
Zur Überführung dieser Ansätze in industrielle Anwendungen erfolgt eine systematische Qualifizierung der entwickelten Lösungen für die Oberflächen und Randzonen der Umformwerkzeuge und Bauteile durch unterschiedliche Modelltests und Untersuchungen. Im Technikumsmaßstab stehen hierfür ein Vakuumhochtemperaturofen (bis 1600 °C, < 10-5 mbar oder z.B. unter Wasserstoffatmosphäre, vgl. mittlere Bild) sowie ein spezielles Tribometer zur Verfügung. Ringstauchversuche und Serienschmiedereihen erfolgen in Kooperation mit dem Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen IFUM der Leibniz Universität Hannover und dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Die weitere Evaluierung findet in industriellen Serienuntersuchungen, z. B. im Rahmen von IGF-Projekten, statt.
Ausblick: Skalierung und neue Technologien
Aufbauend auf den bisherigen Entwicklungs- und Untersuchungsergebnissen sollen zukünftig beide Ansätze am Fraunhofer IST weiterentwickelt werden. Ab Mitte 2026 stehen dafür eine neue Gasborieranlage (bis 1050 °C) sowie eine modernisierte PACVD-Anlage zur Applikation quinärer Ti-Si-B-C-N-Systeme zur Verfügung. Für eine applikationsangepasste Verschleißschutzlösung unter Hochtemperaturbedingungen sprechen Sie uns gerne an.