Konturengetreue PVD‐Beschichtung bei niedrigen Temperaturen zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes von Werkzeugen der Blechumformung

In der Umformtechnik werden zur Blechumformung seit langer Zeit Graugußwerkzeuge verwendet, die sich insbesondere durch geringe Reibwerte, gute Notlaufeigenschaften und geringe Kosten auszeichnen. Die niedrige Härte dieser Werkzeugstoffe begrenzt aber gleichzeitig ihren abrasiven Verschleißwiderstand. Werkzeugstähle oder Stahlguß zeigen diesen Nachteil nicht, ihre hohe Adhäsionsneigung zu Stahlwerkstückstoffen kann bei unzureichender Schmierung jedoch zu erheblichen Problemen führen. Wie bereits in früheren Veröffentlichungen [1, 3] gezeigt wurde, kann der abrasive Verschleiß von Graugußsubstraten bei unterschiedlichsten Verschleißbedingungen durch TiN‐Hartstoffschichten vermindert werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Hartstoffschichten des Systems TiBN durch HF‐Kathodenzerstäuben (Sputtern) mit HF‐Substratvorspannung auf Graugußwerkzeugen abgeschieden. Die erzeugten Schichten wurden auf ihre Grundlageneigenschaften, Struktur, Härte und Haftfestigkeit untersucht. Die besten TiN‐, Ti(B, N)‐ und TiB 2 ‐Beschichtungen wurden dann in einem Modellversuch den Beanspruchungen des Blechumformvorganges Tiefziehen unterworfen. Dabei zeigte sich zunächst der starke Einfluß der Graphitlamellen des Werkzeuges auf das Schichtwachstum. Als Folge kam es unter der Druckbelastung des Umformvorganges zum Durchbrechen der Schicht im Bereich der Graphitlamellen. Die abgelösten hochabrasiven Verschleißpartikel führten zu einer schnellen Zerstörung von Schicht und Werkzeug. Durch die Abscheidung einer 1 μm dicken Titan‐Zwischenschicht konnte der Einfluß der Graphitlamellen auf das Wachstum der Hartstoffschicht deutlich vermindert werden. Dies führte zu Standzeiterhöhungen zwischen 50% (Ti(B,N)) und 100% (TiN) gegenüber dem unbeschichteten Werkzeug [2]. Durch die Verwendung von Stahlgußsubstraten konnten die Nachteile des Graugußmaterials, die unzureichende Festigkeit und die negativen Auswirkungen der Graphitlamellen überwunden werden. Nachteile in Bezug auf die Notlaufeigenschaften traten nicht auf, da im Falle des unbeschädigten Werkzeuges die Reibpartner Werkstück und Beschichtung unverändert bleiben, die Reibeigenschaften des Grundwerkstoffes also nicht zum Tragen kommen. Wie erwartet versagte jedoch das unbeschichtete Stahlgußwerkzeug im Modellversuch nach kurzer Prüfzeit (475 Hübe) durch Kaltverschweißen mit dem Werkstück (St 14.03). Mit TiB 2 ‐ (3500 Hübe) und Ti(B, N) ‐ (5000 Hübe) Schichten konnte der Verschleißwiderstand bereits signifikant verbessert werden. Noch besser bewährten sich TiN‐beschichtete Umformwerkzeuge, die auch nach 100 000 Hub keinen funktionsrelevanten Verschleiß aufweisen. Basierend auf den Ergebnissen der Modellverschleißuntersuchungen wurde das Schichtsystem Ti‐TiN für einen abschließenden Praxisversuch gewählt. Verglichen mit der bisher eingesetzten Hartverchromung konnte durch die PVDTiNHartstoffbeschichtung eine Vervielfachung der Standzeit des Blechumformwerkzeuges erzielt werden.