Projektinformationen

DFG Sachbeihilfe
Titel des Projektes:	Erzeugung hierarchisch gegliederter Oberflächenfeingestalten durch spanende Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen in CVD-Diamantschichten auf Stahl (2. Förderperiode)
Laufzeit:	01/2022–12/2023
Projektträger:	Deutsche Forschungsgemeinschaft
Projektleiter:	Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert
Mitarbeiter:	Dipl.-Ing. Richard Börner
Projektpartner:	Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (FAU Erlangen-Nürnberg)
Zusammenfassung:	Die Applikation von CVD-Diamantschichten auf Stahlwerkstoffen ermöglicht verschiedene Steigerungen der Leistungsfähigkeit technischer Systeme, wie beispielsweise die Reduzierung von Reibung und Verschleiß an tribomechanisch hoch belasteten Kontaktflächen oder die Verringerung der Adhäsionsneigung von Funktionsflächen bei thermomechanischen Anwendungen. Die Beschichtung von Stahl mit Diamant war aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe, was infolge der Abkühlung von der Beschichtungs- auf Raumtemperatur in starken Druckeigenspannungen in der Diamantschicht resultiert, bislang nur sehr eingeschränkt realisierbar, da insbesondere dickere Schichten zum Abplatzen neigen. Mithilfe durchgeführter FE-Simulationen zur Abkühlcharakteristik des Diamantschicht-Stahlsubstrat-Verbundes und Eigenspannungsmessungen mittels RAMAN-Spektroskopie in den abgeschiedenen CVD-Diamantschichten auf dem Stahl X46Cr13 konnte bisher im Projekt festgestellt werden, dass eine durch ultraschallschwingungsüberlagertes Stirnplanfräsen definiert mikrostrukturierte Substratoberfläche die Verteilung der schichtinhärenten Eigenspannungen wesentlich beeinflusst. In Verbindung mit der TiNB-Zwischenschicht wurde ein Interface generiert, welches auf die Eigenschaften des Substratwerkstoffs zugeschnitten ist und eine geschlossene sowie homogene, haftfeste CVD-Diamantschicht in einer Dicke von bis zu 16 µm ermöglicht hat. Die verhältnismäßig gute Haftfestigkeit der Diamantschichten wird dabei hauptsächlich auf den Abbau der Abkühleigenspannungen durch die große Volumenzunahme des Stahls bei der Austenit-Bainit-Umwandlung bei Temperaturen unterhalb von 400 °C zurückgeführt. Auf den bisherigen Ergebnissen aufbauend sollen die Funktionseigenschaften CVD-diamantbeschichteter Proben mit höherer thermischer Masse sowie aus einem „ungünstiger“ (höhere Bainit-Starttemperatur) umwandelnden Stahl (X40CrMoV5-1) mit daraus folgenden stärkeren Abkühleigenspannungen untersucht werden. Dies erweitert sowohl das grundlegende Verständnis für die Haftungsmechanismen als auch die potentiellen Anwendungsmöglichkeiten, da der Stahl X40CrMoV5-1 ebenfalls eine hohe technische Relevanz besitzt. Aufgrund seiner besonderen Schwingungseigenschaften wird er beispielsweise als Sonotrodenwerkstoff beim Ultraschallschweißen von Aluminiumbauteilen eingesetzt.