- Titel
- Erzeugung hierarchisch gegliederter Oberflächenfeingestalten durch spanende Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen in CVD-Diamantschichten auf Stahl
- Untertitel
- Abschlussbericht DFG-Sachbeihilfe RO 2366/11-1 und 13-3 sowie SCHU 1484/24-1 und 27-3
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-955783
- Übersetzter Titel (EN)
- Reduction of residual stresses in CVD diamond layers on steel parts through creation of hierarchically structured surface topographies by applying cutting processes
- Erstveröffentlichung
- 2025
- DOI
- https://doi.org/10.60687/2025-0023
- Abstract (DE)
- Die Applikation von CVD-Diamantschichten auf Stahlwerkstoffen ermöglicht anwendungsabhängig verschiedene Verbesserungen 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 Verbundes aus Diamant-, Zwischenschicht sowie Stahlsubstrat und Eigenspannungsmessungen mittels Raman-Spektroskopie in den abgeschiedenen CVD-Diamantschichten konnte 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 eine geschlossene sowie homogene, haftfeste CVD-Diamantschicht in einer Dicke von bis zu 40 µm auf dem zentralen Untersuchungswerkstoff X46Cr13 ermöglicht hat. Darüber hinaus wird die verhältnismäßig gute Haftfestigkeit der Diamantschichten auf den Abbau der Abkühleigenspannungen durch die große Volumenzunahme dieses Stahlwerkstoffs bei der Austenit-Bainit-Umwandlung zu-rückgeführt. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurden die Eigenschaften CVD-diamantbeschichteter Proben mit höherer thermischer Masse sowie aus einem „ungünstiger“ (höhere Bainit-Starttemperatur) umwandelnden Stahl (X40CrMoV5-1) mit daraus folgenden stärkeren Abkühleigenspannungen untersucht. Dies erweiterte sowohl das grundlegende Verständnis für die Haftungsmechanismen als auch die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten. Aufgrund seiner besonderen Schwingungseigenschaften wird dieser beispielsweise als Sonotrodenwerkstoff beim Ultraschallschweißen von Aluminiumbauteilen eingesetzt. Bei dem dar-aus abgeleiteten Anwendungsbeispiel wurden „mikromakrostrukturierte“ und diamantbeschichtete Sonotrodenspitzen unbeschichteten aus Stahl gegenübergestellt. Als Fügepartner wurden Aluminiumbleche der Legierung EN AW-6082 gewählt, welche in vielfältigen Industriezweigen zum Einsatz kommen. Dabei zeigte sich eine (subjektiv wahrgenommen) deutlich geringere Klebeneigung zur CVD-diamantbeschichteten Sonotrode im Vergleich zur unbeschichteten, womit der Ansatz des Forschungsvorhabens bestätigt werden konnte.
- Abstract (EN)
- CVD diamond coating of steel components enables various improvements of the performance of technical systems, such as the reduction of friction and wear on tribomechanically highly stressed contact surfaces or the reduction of the adhesion tendency of functional surfaces in thermomechanical applications. Due to the different coefficients of thermal expansion of the two materials, which results in strong residual compressive stresses in the diamond layer as an effect of cooling from the coating to room temperature, the coating of steel with diamond has so far only been possible to a very limited extent, as thicker layers in particular tend to flake off. However, in combination with the TiNB intermediate layer, an interface was generated and has enabled a closed and homogeneous, adhesive CVD diamond layer with a thickness of up to 40 µm on X46Cr13. Within the project it could be determined that a substrate surface defined by ultrasonic vibration superimposed face milling has a significant influence on the distribution of the layer-inherent residual stresses. This was achieved by the help of FE analyses carried out on the cooling characteristics of the diamond layer-steel substrate composite and residual stress measurements using Raman spectroscopy in the deposited CVD diamond layers on steel. The relatively good adhesive strength of the diamond layers is also attributed to the reduction in residual cooling stresses due to the large increase in volume of this material during austenite-bainite transformation. Based on these results, the properties of CVD diamond-coated samples with a higher heat capacity and from a 'less favorable' (higher bainite starting temperature) transforming steel (X40CrMoV5-1) with the resulting higher residual cooling stresses were investigated. This extended both the basic understanding of the adhesion mechanisms and the potential applica-tion possibilities. Due to its special vibration properties, it is used, for example, as a sonotrode material in the ultrasonic welding of aluminum components. This was the basis for the final application example, whereby 'micro-macrostructured' and diamond-coated sonotrode tips were compared with uncoated steel tips. Aluminium sheet samples of the alloy EN AW-6082 were selected as the components to be joined. The material is characterized, among other things, by a very good weldability. The results showed a (subjectively perceived) significantly lower tendency to adhere to the CVD diamond-coated sonotrode compared to the uncoated sonotrode, thus confirming the approach of the research project.
- Forschungsdatenverweis
- Design of Deterministic Microstructures as Substrate Pre-Treatment for CVD Diamond Coating
DOI: 10.3390/surfaces2030037 - Surface Microstructuring of Steel Components for CVD Diamond Coating by Ultrasonic Vibration Superimposed Face Milling using Tailored Tools
DOI: 10.1016/j.procir.2020.02.020 - Fundamental Investigations in Tool Wear and Characteristics of Surface Microstructure for Ultrasonic Vibration Superimposed Machining of Heat-Treated X46Cr13 Steel Using Different Cutting Materials
DOI: 10.3390/jmmp5020027 - Spatial distribution of thermally induced residual stresses in HF-CVD diamond coatings on microstructured steel surfaces
DOI: 10.1016/j.diamond.2023.109931 - Finite Element Analysis of Plastic Deformation in Ultrasonic Vibration Superimposed Face Milling of Steel X46Cr13
DOI: 10.3390/mi15060730 - Influence of the width of cut in ultrasonic vibration superimposed face milling of X46Cr13 and X40CrMoV5-1 on the surface microstructure and CVD diamond coating adhesion
DOI: 10.1016/j.procir.2024.05.039 - Simulation of cooling induced residual stress distribution in diamond layers on steel
Link: https://www.comsol.de/paper/82891 - Geometrische Oberflächencharakterisierung von durch spanende Verfahren hergestellten Mikrostrukturen
Link: ISBN: 978-3-96100-109-5 - Freie Schlagwörter (DE)
- CVD-Diamant, Eigenspannung, Mikrostrukturierung, Stahl, Ultraschall
- Freie Schlagwörter (EN)
- CVD diamond, Microstructure, Residual stress, Steel, Ultrasonic
- Klassifikation (DDC)
- 629
- 666
- 667
- 669
- 672
- Normschlagwörter (GND)
- Eigenspannung, Mikrostruktur, Stahl, Ultraschall
- HerausgeberIn
- Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert
- apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Rosiwal
- Herausgeber (Institution)
- Technische Universität Chemnitz
- Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
- Förder- / Projektangaben
- Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
(RO)
ID: RO 2366/11-1, 13-3 - Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
(SCHU)
ID: SCHU 1484/24-1, 27-3 - Version / Begutachtungsstatus
- eingereichte Version / Preprint
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-955783
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 11.02.2025
- Dokumenttyp
- Forschungsbericht
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-SA 4.0- Inhaltsverzeichnis
1. Allgemeine Angaben – S. 1 2. Zusammenfassung (de/eng) – S. 1 3. Wissenschaftlicher Arbeits- und Ergebnisbericht 3.1 Ausgangsfragen und Zielsetzung – S. 3 3.2 Projektspezifische Ergebnisse und Erkenntnisse – S. 4 4. Veröffentlichte Projektergebnisse 4.1 Publikationen mit wissenschaftlicher Qualitätssicherung – S. 10 4.2 Andere Veröffentlichungen mit und ohne wissenschaftliche Qualitätssicherung – S. 10