Selbstheilende verschleißbeständige Presswerkzeuge zur Herstellung von Diamant-Verbundwerkstoffen

Um Diamantverbundwerkstoffe pulvermetallurgisch herzustellen, wird eine Mischung aus Diamantpartikeln und einer metallischen Matrix, wie z.B. Kobaltpulver, gepresst und anschließend in einem Vakuumofen gesintert. Auf Grund der hohen Härte der Diamanten ist die Verschleißrate der Innenseite des Presswerkzeugs sehr hoch. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Standzeit der Presswerkzeuge mit Hilfe einer Oberflächenbehandlung mittels Plasmanitrierung und PVD (Physical Vapor Deposition)-Beschichtung zu erhöhen. Als Grundwerkstoff für Presswerkzeuge werden in dieser Arbeit diverse hoch- und niedriglegierte Stähle eingesetzt. Im Anschluss werden Nickel-Titan-Dünnschichten mit einem Formgedächtniseffekt mittels PVD-Verfahren auf die Oberfläche der plasmanitrierten Stähle abgeschieden. Die NiTi-Dünnschichten werden dann mit tribologischen Schichten versehen. Die Idee ist, durch Abscheidung von NiTi-Dünnschichten als eine Haftvermittlungsschicht mit Formgedächtniseigenschaften und einer hohen Elastizität (Superelastizität) einen selbstheilenden Effekt für die Oberfläche der Presswerkzeuge zu schaffen. Dies dient dazu, den Verschleiß der Oberfläche der Pressmatrize, die stark abrasiv beansprucht wird, nach einem thermischen Zyklus zu reduzieren.

Um die optimale Lösung für diese Aufgabenstellung zu finden, werden verschiedene NiTi-Dünnschichten sowie tribologischen Schichten, wie etwa Titankarbonitrid (TiCN), im Rahmen dieses Forschungsprojekts erarbeitet, systematisch untersucht und weiter optimiert. Für eine systematische Untersuchung und Auswertung der mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Schichtsysteme sowie zur Validierung des Konzepts einer selbstheilenden Schicht werden zahlreiche Standardversuche, wie Nanoindentation, Scratch- und Ball-on-Disk-Tests, 3D-Profilometrie, DTA (Differential Thermo Analysis), DSC (Differential Scanning Calometry) und XRD (Röntgendiffraktometrie) verwendet. Anschließend werden die selbstheilenden Schichtsysteme mit den bestmöglichen Eigenschaften auf die Oberflächen von Pressmatrizen aufgetragen und im Kompaktierungsprozess von Diamant-Verbundwerkstoffen unter realistischen Bedingungen getestet und verglichen.

1. W. Tillmann, S. Momeni: Deposition of superelastic composite NiTi based films. Vacuum, 104 (2014) 41-46. doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2013.12.010
2. W. Tillmann, S. Momeni: In-situ annealing of NiTi thin films at different temperatures. Sensors and Actuators A: Physical, 221 (2015) 9-14. doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.10.034
3. W. Tillmann, S. Momeni: Tribological performance of near equiatomic and Ti-rich NiTi shape memory alloy thin films. Acta Materialia, 92 (2015) 189-196. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.04.006
4. W. Tillmann, S. Momeni: Comparison of NiTi thin films sputtered from separate elemental targets and Ti-rich alloy targets. Journal of Materials Processing Technology, 220 (2015) 184-190. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.01.014
5. W. Tillmann, S. Momeni: Influence of in-situ and postannealing technique on tribological performance of NiTi SMA thin films. Surface and Coatings Technology, 276 (2015) 286-295. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.07.012
6. S. Momeni: Self-healing NiTi based PVD coatings, Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2016.
7. W. Tillmann, S. Momeni: Tribological development of TiCN coatings by adjusting the flowing rate of reactive gases. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 90 (2016) 45-53. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2015.11.009
8. W. Tillmann, S. Momeni: Composite cavitation resistant PVD coatings based on NiTi thin films, Materials & Design, 110 (2016) 830-838. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.08.054
9. W. Tillmann, S. Momeni: Investigation of the self-healing sliding wear characteristics of NiTi-based PVD coatings on tool steel. Wear, 368-369 (2016) 53-59. doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.08.004

1. S. Momeni: A novel characterization method for estimation of phase transformation temperatures of NiTi shape memory thin films. EUROMAT2013, Sevilla, Spanien, 8.-13. September 2013.

Weitere Projekte