Schutzschicht für Schmiedegesenke: Mit Carbon gegen den Verschleiß

Je länger Maschinen und Werkzeuge halten, desto niedriger sind die Kosten für produzierende  Unternehmen. Darum wird ständig daran geforscht, Werkzeuge vor Abnutzung zu schützen. Eine Möglichkeit sind sogenannte Diamond-Like-Carbon-Schichten (DLC-Schichten), also Kohlenstoff-Schichten, die ähnlich hart sind wie Diamant. Sie eignen sich als Verschleißschutz für Schmiedewerkzeuge, insbesondere in der Halbwarmmassivumformung.

Die mit DLC beschichteten Schmiedegesenke zeigen einen geringeren Verschleiß als Gesenke ohne Schutzschicht. Das haben Wissenschaftler am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH bereits 2011 nachgewiesen. Im Fortsetzungsprojekt „Halbwarm DLC2“ will das IPH die Verschleißschutzschichten weiter untersuchen – gemeinsam mit dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der Technischen Universität Braunschweig.

Basierend auf den Erkenntnissen des Vorgängerprojekts gehen die Forscher nun vertieft den Fragen nach, in welcher Zusammensetzung die Schichten am besten vor Verschleiß schützen, welches Schmiermittel sich am besten eignet und wie der Verschleiß mit der Umformtemperatur zusammenhängt.

Das Halbwarmschmieden bewegt sich in einem Temperaturbereich von 600 bis 900 °C. Im Gegensatz zum Warmschmieden bei rund 1200 °C bietet es eine Reihe von Vorteilen. Dazu zählt insbesondere eine bessere und genauere Oberflächenstruktur der Bauteile. Um kälteren Stahl umzuformen, ist eine höhere Umformkraft notwendig, wodurch das Gesenk deutlich stärker mechanisch beansprucht wird. Gleichzeitig ist jedoch die thermische Belastung des Gesenks geringer und es wird eine höhere Bauteilqualität erreicht.

Durch die höhere mechanische Belastung verschleißen auch die Schmiedegesenke schneller und müssen häufiger ausgetauscht werden, das verursacht Kosten. Um die Wirtschaftlichkeit des Halbwarmschmiedens zu erhöhen, sollen künftig DLC-Schutzschichten zum Einsatz kommen, die den Verschleiß verringern und die Gesenke haltbarer machen. So können Unternehmen über einen längeren Zeitraum Bauteile mit hoher Genauigkeit und sehr guter Oberflächenqualität herstellen.

Im Projekt „Halbwarm DLC2“ schmieden die Forscher am IPH Kleinserien im halbwarmen Temperaturbereich und untersuchen diese anschließend. Wie lange eine DLC-Schicht hält, hängt neben der mechanischen Belastung stark von der Temperatur ab. Darum ist es für den Erhalt der Schutzschicht am besten, eine gleichmäßige Temperatur beizubehalten, die nur so hoch wie nötig ist. Innerhalb des Projekts entwickeln die Forscher deshalb zusätzlich eine Methode zur Temperaturmessung.

„Wir bewegen uns in einem Bereich von 600 bis 900 Grad Celsius“, sagt Jens Kruse, Maschinenbauingenieur und Mitarbeiter am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH. „Bisher ermittelt man die Umformtemperatur meist optisch oder taktil, die Messungen sind häufig ungenau. Temperaturen während des Schmiedens direkt an der Gesenkoberfläche zu messen ist noch nicht verlässlich möglich.“

Um dies zu ändern, wollen die Forscher einen Dünnschichtsensor entwickeln, der direkt auf der Oberfläche des Gesenks angebracht werden kann. Mithilfe der Messdaten wollen die Forscher die Prozesstemperatur und den Verschleiß der DLC-Schicht in einen direkten Zusammenhang setzen.

Das Forschungsprojekt „Untersuchungen zur Vorformung von Stahl im Halbwarmtemperaturbereich mit modifizierten kohlenstoffbasierten Schichtsystemen (Halbwarm DLC2)“ ist Anfang August 2017 gestartet und läuft bis Ende Juli 2018. Gefördert wird das Projekt mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

http://dlc2.iph-hannover.de Weitere Informationen zum Forschungsprojekt