2. Statuskolloquium des BMBF Projektes
PU2000 IMAUF
Modellierung
des Stift-Scheibe-Tribometerversuches mittels Finiter
Elemente und Validierung mit Experimenten an V-C-Al-N-Schichten
T. Rist1, W. Schmitt1,
C. Ziebert2, M. Stüber2, S. Ulrich2
1Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg
2Institut für Materialforschung I, Karlsruher Institut für
Technologie
Im IMAUF-Projekt befasst sich das Fraunhofer IWM mit der
numerischen Berechnung des Werkzeugverschleißes. Motiviert durch die
Kooperation mit dem IMF I wurde am Fraunhofer IWM zunächst ein explizites
Modell des Kugel-Scheibe-Triboversuchs entwickelt und es erfolgten Prinzipuntersuchungen. Mit diesem Versuch
werden am IMF I die Verschleiß-eigenschaften von
Schichtsystemen gemessen, indem eine Kugel mit einer definierten Kraft auf ein
beschichtetes Substrat gedrückt wird, das mit einer konstanten Geschwindigkeit
rotiert. Das Modell wurde dreidimensional aufgebaut, um räumliche Effekte zu
berücksichtigen. Damit war ein starker Anstieg der benötigten Elemente
verbunden, was zu sehr langen Rechenzeiten führte. Des Weiteren stellte sich
heraus, dass eine senkrecht gerasterte Vernetzung
nicht zu optimalen Ergebnissen führt. Daher wurde stattdessen ein zweites
implizites Modell entwickelt, das mit einer radialen Netzstruktur arbeitet und
den Verschleiß durch Ausnutzung von Symmetrien nur auf einem 30°-Ausschnitt der
Schicht und des beschichteten Hartmetallsubstrates simuliert. Auch durch
weitere Vereinfachungen (Kugelkalotte statt
Vollkugel, Auslassen von Material in der Mitte und am Rand des Substrats) wurde
der Modellkomplexität entgegengewirkt. Eine elastische Kontrollrechnung zum
Eindruckversuch ergab eine gute Übereinstimmung zwischen der numerisch
berechneten und der analytisch aus der Hertz’schen Pressung berechneten
maximalen Druckspannung. Ziel war es, mit diesem Modell den resultierenden
Schichtverschleiß bzw. Schichtabtrag numerisch zu berechnen, und das Modell mit
der experimentellen Datenbasis des IMF I zu validieren.
Dort wurden durch reaktives Magnetronsputtern (Leybold Z550 Sputteranlage: Targetleistung
250 W, Druck 0,6 Pa, Substrattemperatur 150 °C) von einem hälftig segmentierten
VC/AlN-Target mit einem CH4-Anteil im
Sputtergas von 2 %
6 Schichten mit unterschiedlichem chemischen Aufbau von VC-reich
auf Position 1 bis AlN-reich auf Position 6 auf
WC-Substrate abgeschieden. Anschließend wurde ihr tribologisches Verhalten gegen
Kugeln aus 100Cr6 (Durchmesser: 3 mm) mittels des Kugel-Scheibe-Tribometerversuches
untersucht (F = 10 N; v = 3 cm/s; s =
500 m; T = 25 °C; 50 % r. F.). Am IWM wurde mit geeigneten
Materialparametern für das WC-Substrat, die 100Cr6-Kugel und die abgeschiedenen
VCAlN-Schichten Simulationen durchgeführt und die
Reibenergie berechnet. Unter Annahme einer Proportionalität von Reibenergie und
Abtrag wurde mit dem experimentellen Verschleißfaktor das Verschleißvolumen
nach einer Strecke von 500 m bestimmt. Unter Annahme einer Profilgeometrie
(Dreiecksform) konnte daraus die Spurtiefe berechnet werden. Dabei ergab sich für
Position 4 eine gute Übereinstimmung zwischen dem berechneten Wert von 3,1 mm
und dem mit Hilfe eines Profilometers gemessenen Wert
von 2,9 mm. Bei den anderen fiel die Abweichung
etwas größer aus, was z.B. durch Abweichungen des Spurprofils von der
angenommenen Dreiecksform begründet werden kann. Daher wird als nächster
Schritt dieser Vergleich auf andere Schichten ausgedehnt. Wünschenswert wären
auch weitere Versuche mit unterschiedlichen Versuchsparametern wie z.B. dem
Kugelradius, um herauszufinden, ob der Verschleißfaktor nur vom Tribosystem abhängt.