Das tribologische Einsatzverhalten von laserimplantierten Werkzeugoberflächen für den Presshärteprozess

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Technik

2.1 Presshärten

2.1.1 Verfahrensvarianten des Presshärteprozesses

2.1.2 Werkzeuge und Halbzeuge

2.1.3 Umwandlungshärtung

2.2 Tribologie

2.2.1 Tribologisches System

2.2.2 Reibung

2.2.3 Verschleiß

2.3 Oberflächen- und Rauheitsmessung

2.4 Werkzeugoberflächenmodifizierung

2.4.1 Beschichtung durch Gasabscheidung

2.4.2 Laserimplantationsverfahren

3 Aufgabenstellung

4 Eingesetzte Anlagen, Werkstoffe, Beschichtungssysteme und Hartstoffe

4.1 Werkzeugwerkstoff

4.2 Blechhalbzeug

4.3 Eingesetzte Hartstoffe

4.3.1 Niobdiborid (NbB2):

4.3.2 Nibobcarbid (NbC):

4.3.3 Titandiborid (TiB2):

4.3.4 Titancarbid (TiC):

4.3.5 Titannitrid (TiN):

4.4 Eingesetzte Werkzeugmodifikationen

4.4.1 PVD- Beschichtung

4.4.2 Laserimplantation

4.5 Versuchsanlagen und Analysegeräte

4.5.1 Tribotester

4.5.2 Keyence Laserscanning Mikroskop

4.5.3 Perthometer

4.5.4 Mikroerodiermaschine

4.5.5 Metallographische Probenpräparation

5 Versuchsdurchführung

5.1 Tribotester

5.2 Ermittlung der Oberflächeneigenschaften

5.2.1 Reibzahlauswertung

5.2.2 Verschleißmessungen

5.2.3 Verschleißspurmessung – taktil

5.2.4 Verschleißspurmessung – optisch

5.2.5 Querschliffbilder

6 Auswertung

6.1 Implantathöhen

6.2 Querschliffbilder

6.3 Verschleißspurmessung - Perthometer

6.4 Verschleißspurmessung – LSM

6.5 Verschleißmessung

6.6 Reibzahlen

7 Diskussion und Gegenüberstellung der Ergebnisse

7.1 Interpretation der Ergebnisse

7.1.1 Implantathöhe

7.1.2 Querschliffbilder

7.1.3 Verschleißspurmesswerte – Oberflächenkennwerte

7.1.4 Verschleißmessung

7.1.5 Reibzahlen

7.2 Gegenüberstellung der Oberflächenmodifikationen

8 Zusammenfassung und Ausblick

Zielsetzung & Themen

Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung des tribologischen Einsatzverhaltens von mittels Laserimplantation modifizierten Werkzeugoberflächen im Kontext des industriellen Presshärteprozesses, um die Werkzeugstandzeit durch die Reduzierung von adhäsivem Verschleiß nachhaltig zu erhöhen.

• Untersuchung verschiedener Hartstoffpartikel (TiB2, TiC, TiN, NbC, NbB2) zur Oberflächenmodifikation.
• Vergleich der laserimplantierten Proben mit konventionell gefertigten Referenzwerkzeugen und PVD-beschichteten Oberflächen.
• Anwendung eines abgewandelten Pin-on-Disc-Tests zur Simulation der thermischen und mechanischen Prozessbelastungen.
• Analyse der tribologischen Kenngrößen wie Reibzahlen, Verschleißvolumina und Oberflächenrauigkeitswerte.
• Ableitung von Wirkzusammenhängen zwischen den Implantationsparametern und dem Verschleißverhalten.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Die Einleitung motiviert die Untersuchung durch den wachsenden Bedarf an Leichtbaulösungen in der Automobilindustrie und die damit verbundenen Herausforderungen an die Standzeit von Presshärtewerkzeugen.

2 Stand der Technik: Hier werden die Grundlagen des Presshärteprozesses, der Tribologie, relevanter Messverfahren sowie bestehender Oberflächenmodifikations- und Beschichtungstechnologien erörtert.

3 Aufgabenstellung: Dieser Abschnitt definiert das Ziel der Arbeit: die Untersuchung des tribologischen Einsatzverhaltens laserimplantierter Werkzeuge mittels einer systematischen Methodik.

4 Eingesetzte Anlagen, Werkstoffe, Beschichtungssysteme und Hartstoffe: Dieses Kapitel spezifiziert die verwendeten Materialien, wie den Werkzeugstahl 1.2367 und diverse Hartstoffe, sowie die für die Versuche und Analysen genutzten Anlagen und Geräte.

5 Versuchsdurchführung: Das Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau des Tribotesters, die Parameter der Versuchsdurchführung sowie die angewandten optischen und taktilen Analyse- und Messverfahren.

6 Auswertung: Hier werden die experimentellen Ergebnisse, insbesondere Implantathöhen, Querschliffbilder, Rauheitswerte, Verschleißvolumina und Reibzahlen, detailliert vorgestellt und gegenübergestellt.

7 Diskussion und Gegenüberstellung der Ergebnisse: Dieser Teil analysiert die gewonnenen Daten kritisch, interpretiert die Wirkzusammenhänge und bewertet die Eignung der verschiedenen Oberflächenmodifikationen für den Presshärteprozess.

8 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen zur Prozessoptimierung.

Schlüsselwörter

Presshärten, Tribologie, Laserimplantation, Hartstoffe, Werkzeugverschleiß, Adhäsion, Oberflächenmodifikation, 22MnB5, Werkzeugstandzeit, PVD-Beschichtung, Verschleißvolumen, Reibzahl, Verschleißmechanismen, Metall-Matrix-Verbundwerkstoff.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung der Werkzeugstandzeit beim Presshärten durch den gezielten Einsatz eines innovativen Laserimplantationsverfahrens zur Oberflächenmodifikation.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die zentralen Themen umfassen die industrielle Blechumformung (speziell Presshärten), tribologische Verschleißmechanismen, moderne Beschichtungs- und Implantationsverfahren sowie die experimentelle Werkstoffanalyse.

Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?

Das Ziel ist die Erforschung des tribologischen Einsatzverhaltens von laserimplantierten Werkzeugoberflächen, um das Verständnis für Verschleißvorgänge zu vertiefen und geeignete Hartstoff-Kombinationen für die industrielle Praxis zu identifizieren.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es wird eine experimentelle Methodik angewandt, die einen modifizierten Pin-on-Disc-Versuch auf einem Knickarmroboter nutzt, um industrielle Prozessbedingungen zu simulieren, gefolgt von einer tiefgehenden optischen und taktilen Analyse der Verschleißspuren.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der Versuchsparameter, die detaillierte Beschreibung der Messmethoden (u.a. Laserscanningmikroskopie und Perthometer) und die umfassende quantitative sowie qualitative Auswertung der verschiedenen Hartstoff-Implantate.

Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Forschung?

Wichtige Begriffe sind Presshärten, Laserimplantation, adhäsiver Verschleiß, Werkzeugstandzeit, Oberflächenrauheit und Hartstoffpartikel wie TiB2, TiC oder TiN.

Welcher Hartstoff zeigte das beste Gesamtergebnis?

Die Untersuchungen ergaben, dass insbesondere Hartstoffe auf Titanbasis (wie TiB2, TiC und TiN) ein sehr gutes Einsatzverhalten zeigen, da sie gleichmäßige Geometrien bilden und das Adhäsionsvolumen im Vergleich zur Referenz signifikant reduzieren.

Warum spielt die Schmelztemperatur des Hartstoffes eine Rolle?

Es konnte eine Abhängigkeit zwischen der Schmelztemperatur des verwendeten Hartstoffes und der ausgebildeten Strukturhöhe festgestellt werden: Je niedriger die Schmelztemperatur, desto kleiner fielen die Geometrien bei gleichbleibenden Fertigungsparametern aus.