2. Statuskolloquium des BMBF Projektes PU2000 IMAUF

„Innovative Methoden zur Auslegung von Umformwerkzeugen

 im Fahrzeugbau“, KIT, Institut für Materialforschung I, 13.05.2009

 

 

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.