Modifikationen amorpher Kohlenstoffschichten zur Anpassung der Reibungsbedingungen und zur Erhöhung des Verschleißschutzes
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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 408
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Amorphous carbon coatings combine low friction in dry contact against steel with high wear resistance. Their property profile is closely linked to the chemical-structural composition and can be controlled by the process conditions during coating deposition. This thesis contributes to the targeted modification of tribological conditions by means of amorphous carbon coatings with regard to their application as tool coatings in sheet bulk metal forming processes. The coatings are intended to allow local adjustment of the friction conditions in order to control the material flow during forming. In this way, component quality can be improved, and process forces can be reduced. In addition, approaches for increasing wear resistance through multilayer coating architectures and for integrating a sensory function for wear detection are being considered. The investigations show that the characteristic tribological behavior of amorphous carbon coatings can be locally restricted with masking techniques. However, the load-carrying capacity of locally coated surfaces is at least in part limited. High wear and fatigue resistance is achieved by multilayer coating architectures of hydrogen-containing and tungsten- or silica-doped amorphous carbon coatings. Monitoring the electrical resistance of a sensory carbon-based multilayer coating enables the detection of coating wear. These findings will facilitate an extended and individually determinable service life of coated tools for sheet bulk metal forming in the future.
Abstract
Amorphe Kohlenstoffschichten vereinen eine niedrige Reibung im trockenen Kontakt gegen Stahl mit einem hohen Verschleißschutz. Ihr Eigenschaftsprofil ist eng mit dem chemisch-strukturellen Aufbau verknüpft und lässt sich durch die Prozessbedingungen während der Schichtabscheidung beeinflussen. Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zur gezielten Modifikation tribologischer Zustände mittels amorpher Kohlenstoffschichten im Hinblick auf ihre Anwendung als Werkzeugbeschichtung in Prozessen der Blechmassivumformung. Hierbei sollen die Schichten eine lokale Anpassung der Reibungsbedingungen ermöglichen, um den Materialfluss während der Umformung zu steuern. Auf diese Weise können die Bauteilqualität gesteigert und Prozesskräfte reduziert werden. Darüber hinaus werden Ansätze zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit durch multilagige Schichtarchitekturen sowie zur Integration einer sensorischen Funktion zur Verschleißdetektion verfolgt. Die Untersuchungen zeigen, dass die charakteristischen tribologischen Verhalten amorpher Kohlenstoffschichten durch Maskierungstechniken lokal zur Wirkung gebracht werden können, die Beanspruchbarkeit der lokal beschichteten Oberflächen jedoch teilweise begrenzt ist. Eine hohe Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit wird durch mehr- und multilagige Schichtarchitekturen aus wasserstoffhaltigen und wolfram- bzw. siliziumoxiddotierten amorphen Kohlenstoffschichten erzielt. Durch die Überwachung des elektrischen Widerstands eines sensorischen kohlenstoffbasierten Mehrlagenschichtsystems wird Schichtverschleiß detektierbar. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, zukünftig eine verlängerte und individuell ermittelbare Standzeit beschichteter Werkzeuge für die Blechmassivumformung zu ermöglichen.