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Schmiermittelfreie Tribologiekonzepte für das Kaltfliesspressen durch interaktionsminimierte Oberflächenschichten u. -strukturen

 

Antragsteller: Hirt, Poprawe, Schneider (Aachen)

Werkstoffe: Aluminium

Methoden: Kaltfliesspressen

 

Veröffentlichungen SPP1676_BO1979/44-1
Stand November 2019
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PDF-Dokument [142.5 KB]
Abbildung 1: Aluminiumadhäsion auf Werkzeugstahl.

Übergeordnetes Ziel dieses Projektes war die Entwicklung und Realisierung eines Randschichtkonzepts für Umformwerkzeuge, welches einen Verzicht auf flüssige Schmiermittel beim Kaltfließpressen von Aluminium ermöglicht. Durch quantenmechanisch geführtes Design (ab initio) von Verschleißschutzschichten mit reduzierter Grenzflächeninteraktion zum Werkstückwerkstoff wird angestrebt, den Hauptverschleißmechanismus Adhäsion (Abbildung 1) zu minimieren. Die Laseroberflächenmodifikation der Werkzeuge trägt durch die Abrundung von Rauheitsspitzen und die Randschichthomogenisierung gezielt dazu bei, abrasiven Verschleiß zu minimieren und Verschleißpartikel als Ansatzpunkte für die Adhäsion zu vermindern (Abbildung 2). Eine Bewertung der quantenmechanisch designten und laserstrukturierten Schichten, sowie deren Kombinationen, erfolgte mittels eines neu konzipierten Druck-Torsions-Tribometers (Abbildung 3) und in Fließpressversuchen im Labormaßstab (Abbildung 4).

Abbildung 2: Örtliche Verteilung des adhärierenden Aluminiums nach Tribometertest auf geschliffenen (a) und unterschiedlich laserpolierten Proben (b-d) aus 1.2379+ (AISI D2).

Im Rahmen des ab-initio Schichtdesigns wurde ein neuartiges adhäsions-minimierendes Werkzeugschutzschichtkonzept vorgestellt. Dieses basiert auf einer Oberflächenfunktionalisierung mit selbstanordnenden Monolagen aus
n-Alkylphosphonsäuren, deren van-der-Waals-Terminierung zu geringen Wechselwirkungen mit dem umzuformenden Aluminium führt. Der Erfolg und die Belastbarkeit dieses Verschleißschutzkonzeptes basiert auf zwei wesentlichen Parametern der Oberflächenfunktionalisierung, die während der Bearbeitung des Projektes aufgeklärt wurden: Der chemischen Anbindung der Monolage an die Werkzeugoberfläche und der Grad der Oberflächenbedeckung des Werkzeugs mit den Molekülen der n-Alkylphosphonsäuren. 

Darüber hinaus wurde eine Prozessfolge für die Laserbearbeitung von Matrizen entwickelt: Durch die Abfolge von Makrolaserpolitur zur Randschicht-homogenisierung, einer anschließenden Laserstrukturierung durch Umschmelzen und einer finalen Reduktion von Rauheitsspitzen (z. B. durch Martensitnadeln) durch Mikrolaserpolitur werden die Werkzeugoberflächen optimal für die zuvor dargestellte Funktionalisierung vorbereitet.

Abschließend konnten die Prozessgrenzen beim trockenen Vollvorwärtsfließpressen dargelegt werden.

 

 

Abbildung 3: Druck-Torsions-Tribometer zur prozessnahen Charakterisierung neuer Oberflächenmodifikationen: ① Motor ② Druckzylinder ③ Dynamometer ④ Werkstückaufnahme ⑤ Werkzeugaufnahme.

Abbildung 4:  
Fließgepresste Aluminium Butzen:

 

links: Geschmierte Referenzversuche
rechts: Ungeschmierte Versuche

Fotos: RWTH Aachen

Lubricant-free tribology concepts for cold extrusion by interaction-reduced coatings and structures

Figure 1: Aluminium adhesion on a tool steel. 

The overall objective of this project was the development and implementation of surface layers for forming tools, which allows for eliminating liquid lubrication in cold extrusion of aluminum. By quantum mechanically guided design (ab initio) of wear resistant surfaces with a reduced interfacial interaction of the workpiece material, the main wear mechanism adhesion (Figure 1) is to be minimized. Laser surface modification evens the surface topography and homogenizes the surface layer aiming at the minimization of abrasive wear and the reduction of wear particles, which are known to be starting points for adhesion (Figure 2). The quantum mechanically designed and laser structured surface layers were evaluated by the use of a newly designed compression-torsion-wear-test (Figure 3), which can simulate the contact conditions in cold extrusion in a wide range.

 

 

Figure 2: Spatial distribution of adherent aluminium on ground (a) and different laser polished (b-d) specimens (AISI D2; 1.2379+) after tribological testing.
Figure 3: Compression-torsion-wear-test for process-oriented testing of new surface modifications: ① engine ② pneumatic cylinder ③ dynamometers ④ workpiece specimen holder ⑤ tool specimen holder.
Figure 4: Extruded aluminium parts: Left: Lubricated reference tests; right: Dry tests

As part of the ab-initio coating design, a novel adhesion minimizing tool protective coating concept was presented. This is based on a surface functionalization with self-assembling monolayers (SAM) of n-alkylphosphonic acids. The van-der-Waals-termination of the SAM leads to minor interactions with the aluminum to be formed. The success and the resilience of this wear protection concept is based on two essential parameters of surface functionalization, which were clarified during the work on the project: The chemical bonding of the monolayer to the tool surface and the degree of surface coverage of the tool with the molecules of the n-alkylphosphonic acids.

In addition, a process sequence for the laser processing of dies was developed: The sequence of macro laser polishing for homogenizing the surface layer, subsequent laser structuring by remelting and a final reduction of roughness peaks (e.g. by martensite needles) by micro laser polishing prepare the tool surfaces optimally for the functionalization described above.

 

Finally, the process limits for dry full forward extrusion were specified.

 

 

Photos: RWTH Aachen

Name
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt
Position
Projektleitung / project management
Beschreibung
IBF - Institut für Bildsame Formgebung
Name
M.Sc. Marco Teller
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 241 8095910
Beschreibung
IBF - Institut für Bildsame Formgebung
Name
Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe
Position
Projektleitung / project management
Beschreibung
www.llt.rwth-aachen.de
Name
M. Sc. Moritz Küpper
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 241 8906 299
Name
Prof. Jochen M. Schneider, Ph.D
Position
Projektleitung / project management
Beschreibung
www.mch.rwth-aachen.de
Name
Stephan Prünte, M.Sc.
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 241 80 25897
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