Teilprojekt C03 Werkzeugverschleißschutz

In der metallverarbeitenden Industrie ist bei regulären Produktionsprozessen häufig ein hoher Verschleiß zu beobachten, der vor allem auf die Oberflächenoxidation von Werkzeugen und Werkstücken zurückzuführen ist. Das Entfernen der nativen Oxidschicht und das Verhindern ihrer Neubildung in einer extremen Hochvakuum (XHV)-adäquaten Atmosphäre, die durch silandotiertes Argon erzeugt wird, führt zu einer Veränderung der maßgeblichen Verschleißanteile und deren Mechanismen. Darüber hinaus ist mit lokalen Legierungsbildungen zu rechnen. Diese Effekte wurden in der ersten Förderphase für XHV-adäquate Bedingungen identifiziert und in Modellversuchen charakterisiert. Untersuchungen an sauerstoffaffinen Werkstoffen wie z. B. Kupfer, Titan oder Aluminium zeigten dabei eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Durch die Unterdrückung der Reoxidation reduzierte sich der tribochemische Verschleiß, was mit einer signifikanten Verringerung des Verschleißvolumens einherging.

Diese Erkenntnisse wurden in einem semi-analytischen Verschleißmodell beschrieben, um das Verschleißverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck beschreiben zu können. Mittels Tribometerversuchen (Ball-on-Disc) in XHV-adäquater Atmosphäre konnte ein anfänglicher Anstieg des Reibkoeffizienten aufgrund der bereits bei niedrigen Temperaturen verstärkten Adhäsionsneigung der metallischen Reibpartner nach Entfernung der Oxidschichten nachgewiesen werden. Um die an der Kontaktstelle auftretenden Mechanismen möglichst isoliert untersuchen und reproduzieren zu können, wurden applikationsspezifische Analysemethoden entwickelt und validiert. Dazu wurde mit einer speziell entwickelten metallisierten, flachen Indenter-Spitze aus Silizium eine definierte Flächenpressung auf eine desoxidierte Probenoberfläche aufgebracht und die zur Trennung der adhäsiven Verbindungen notwendigen Kräfte gemessen. Dadurch konnten grundlegende Erkenntnisse über die Kontaktadhäsion zwischen Festkörpern von makro- bis nanomechanischen Strukturen nach partiellem Abtrag und definierter Einstellung der Oxidschicht gewonnen werden

In diesem Zusammenhang werden Beschichtungen ausgewählt, die in Luftatmosphäre einem hohen oxidativen Verschleiß unterliegen, jedoch vorteilhafte mechanische und tribologische Eigenschaften aufweisen wie z. B. Siliciumcarbid, Titan- und Aluminiumnitrid und Diamond-like Carbon. Durch den Einsatz von Reaktivgasen bei der Plasmabehandlung in XHV-adäquater Atmosphäre sollen tribologisch relevante Schichten auf desoxidierten Oberflächen hergestellt und analysiert werden. Die gezielte Reduzierung der Adhäsion mittels Plasmabehandlung erfolgt in Kooperation mit den Teilprojekten A04, B03 und B05. Des Weiteren wird das entwickelte semi-analytische Modell auf ganzheitliche Fertigungsprozesse wie z. B. Schleifen und Fräsen übertragen und um den Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks erweitert. Dabei werden die Wechselwirkungen des Silans und der entstehenden Reaktionsprodukte auf das Kontaktmodell, die Drittkörperreibung und eine mögliche Schichtbildung untersucht. Dies geschieht durch die isolierte Betrachtung der Einflussfaktoren, um den kooperierenden Teilprojekten ein prozessübergreifendes Verschleißmodell zur Verfügung stellen zu können.