Die verarbeitenden Komponenten der Kunststoffextrusion sind einem komplexen Beanspruchungskollektiv ausgesetzt, das zu Schäden und einer verringerten Produktivität führt. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Auslegung neuer Hartstoffschichten mittels Physical Vapour Deposition (PVD), zum Schutz der Komponenten vor adhäsivem Verschleiß und Korrosion. Um den mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen, soll die Beschichtung zusätzlich vor abrasivem Verschleiß schützen, also eine hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit aufweisen. Die Wirtschaftlichkeit der Schichtherstellung soll gleichzeitig durch möglichst hohe Schichtwachstumsraten verbessert werden. Die teilweise gegensätzlichen prozessseitigen und werkstoffseitigen Anforderungen können durch die Auslegung des Beschichtungsprozesses, des Werkstoffsystems und der Schichtarchitektur erfüllt werden. Um die hohen Schichtwachstumsraten des direct current Magnetron Sputtering (dcMS) mit den überlegenen Schichteigenschaften des High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) zu vereinen, wird für die Schichtherstellung der neue hybride dcMS/HPPMS-Prozess verwendet. Die Auslegung der Beschichtungen erfolgt im Werkstoffsystem Cr-Al-O-N. Als Architektur der Hartstoffschicht ist ein mehrlagiger Aufbau vorteilhaft, bei dem jeder Einzellage bestimmte Funktionen zugeordnet werden. Sie besteht aus einem duktilen, metallischen und nitridischen (Cr + CrN)-Haftvermittler zum Stahl, einem hochfesten und zähen CrN/AlN-Nanolaminat als tragender Zwischenschicht und einer dünnen (Cr,Al)ON-Decklage. Abschließend erfolgt die Synthese der vielversprechendsten Einzellagen zu einem mehrlagigen Schichtsystem, das innerhalb eines einzigen Beschichtungsprozesses durch Variation der Parameter generiert wird.
Aktualisiert: 2020-07-13
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Die Entwicklung industrieller PVD-Prozesse zur Herstellung von Beschichtungen für Werkzeuge und Bauteile ist üblicherweise äußerst komplex. Speziell bei der Verwendung von Hochleistungsplasmen ergibt sich aus der Vielzahl an einstellbaren Prozessparametern eine große Anzahl an Freiheitsgraden für die Prozessgestaltung und Schichtentwicklung. Die Plasmadiagnostik ist ein geeigneter Ansatz, um eine effizientere und ökonomischere Entwicklung industrieller Beschichtungsprozesse zu realisieren. Hieraus kann eine deterministische Beschreibung der Einflüsse der Prozessparameter auf die Plasmaeigenschaften erarbeitet mit den Resultaten von ausgewählten Beschichtungsprozessen korreliert werden. Es existieren bereits vielfältige Erkenntnisse, die sich jedoch meist auf den Labormaßstab oder einfache Beschichtungen beschränken und sich nur schwer auf industrielle Prozesse oder komplexe Schichtsysteme übertragen.
Zur Lösung dieser Probleme werden in dieser Arbeit Erkenntnisse zu deterministischen Zusammenhängen zwischen Plasma- und Schichteigenschaften in industriellen Beschichtungsprozessen vorgestellt. Zu diesem Zweck werden Methoden zur Plasmadiagnostik in PVD-Prozessen im industriellen Maßstab entwickelt. Dabei stehen eine Durchführung von substratseitiger Plasmadiagnostik unter Verwendung der Biasspannung sowie die Möglichkeit zur ortsaufgelösten Analyse von Prozessen mit mehreren Kathoden im Fokus. Bei der Korrelation von Plasma- und Schichteigenschaften erfolgen die Arbeiten für einfache und komplexe Geometrien. Abschließend das Potential von künstlichen neuronalen Netzwerken zur Analyse der stark nichtlinearen Zusammenhänge zwischen den Plasma- und Schichteigenschaften für mehrere variierende Prozessparameter evaluiert.
Aktualisiert: 2020-01-15
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The innovative hot stamping process press hardening offers the potential to produce high-strength and complex structural components for the automotive industry. However, the combination of mechanical and thermal loads in press hardening process places high demands on the tool surface. In addition to the metal forming the cutting processes are also of great importance in the production of structural and functional components. The most rapidly fast growing material group in this sector are the difficult to machine materials such as titanium alloys and hard steels. Unfavorable factors in the processing of these materials are their high strength, their low thermal conductivity and their tendency to work hardening. Nowadays, wear resistant coatings deposited via physical vapour deposition (PVD) and chemical vapour deposition (CVD) have been used in order to extend the lifetime of cutting and forming tools. But the progressive use of difficult to machine materials places high demands on the coatings.
The present work deals with the synthesis and characterization of PVD hard coatings for high temperature tool applications. The focus is on the development of chrome based coatings using the novel high power pulsed magnetron sputtering (HPPMS) technology. For this reason, a (Cr,Al)N hard matrix is modified with different alloying elements that form so-called Magnéli phases. Afterwards, the high temperature behaviour of the coatings is investigated by annealing test in atmosphere. The investigation of the tribological behaviour is carried out using a high temperature tribometer. Finally, coated tools are tested in press hardening and turning experiments in order to evaluate their performance and feasibility for hot forming and cutting applications.
Aktualisiert: 2019-12-12
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