$n$-Octadecylphosphonic acid functionalized tool surfaces for metal-forming applications

Prünte, Stephan; Schneider, Jochen M. (Thesis advisor); Jansson, Ulf (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Materials chemistry dissertation 34 (2020)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XII, 91 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Inhalt dieser Arbeit ist die kritische Bewertung von funktionalisierten Werkzeug-oberflächen hinsichtlich ihrer reib- und verschleißreduzierenden Wirkung für Anwendungen in der schmierstofffreien Aluminiumumformung. Die verwendete Oberflächenfunktionalisierung durch n-Octadecylphosphonsäure erzeugt hierbei eine molekular dünne Schicht aus n-Octadecylresten, die über P-O-Metall Bindungen an die Metalloxidoberflächen des Werkzeugs angebunden sind und von dieser abstehen. Zu Beginn dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die in der beschriebenen Weise funktionalisierten Umformgesenke aus AISI H11 Werkzeugstahl während der Aluminiumumformung eine verringerte Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück aufweisen. Das im Druck-Torsions-Tribometer übertragene Drehmoment wurde im zeitlichen Mittel für funktionalisierte Werkzeugoberflächen um das 1.9-fache reduziert. Spektroskopische Analysen der funktionalisierten Oberflächen ergaben, dass die schwachen van-der-Waals Wechselwirkungen zwischen Aluminium und den von der Werkzeugoberfläche abstehenden n-Octadecylresten reibvermindernd wirken, während die Alkylreste durch P-O-Metall Bindungen mit der AISI H11 Stahloberfläche verbunden sind. Das Volumen der Aluminiumadhäsion wurde in diesen Versuchen durch die Funktionalisierung der AISI H11 Stahloberfläche signifikant reduziert. Hingegen bewirkte die Funktionalisierung von AISI D2 Stahloberflächen lediglich geringfügige Reibungs- und Verschleißreduktionen gegenüber nicht funktionalisierten Referenzoberflächen. Vergleichende Untersuchungen von Mikrostruktur und Oberflächenchemie mittels Augerelektronenspektroskopie ergaben, dass die molekulare Flächenbelegung der Funktionalisierung auf den Chromcarbid-Ausscheidungen des AISI D2 Stahls gegenüber der Funktionalisierung des chromcarbidfreien AISI H11 Stahls deutlich verringert war. Letzterer wies eine deutlich größere molekulare Flächenbelegung auf, wodurch die Aluminiumadhäsion reduziert wurde. Diese Ergebnisse wurden zum Anlass genommen, den ursprünglich verwendeten Prozess der Oberflächenfunktionalisierung zu modifizieren: Polierte Stahloberflächen wurden zuerst mit einem dünnen Kupfer-Film beschichtet, dessen durch bewusste Atmosphärenexposition erzeugte Oxidation eine homogene und reaktive Oberfläche für die n-Octadecylphosphonsäure generierte. Während der anschließenden Funktionalisierung wurde die Flächenbelegung variiert, indem die Bedampfungszeit der kupferbeschichteten Stahloberflächen mit der n-Octadeclyphosphonsäure während der Funktionalisierung erhöht wurde. Das tribologische Verhalten dieser Oberflächen gegenüber Aluminium wurde in einem Kugel/Scheibe-Tribometer bei Kontaktdrücken von 250 MPa experimentell untersucht. Nach 5 m Gleitweg betrug der Friktionskoeffizient der funktionalisierten Oberfläche mit der größten Flächenbelegung ≤ 0.3 ± 0.1. Im Vergleich dazu wiesen Oberflächen ohne Funktionalisierung eine drei- bis viermal höhere Reibung auf. Oberflächen mit geringerer Flächenbelegung verringerten ebenfalls Reibung und Verschleiß bei anfangs geringen Friktionskoeffizienten. Hierbei brach die reibmindernde Wirkung der Funktionalisierung bei Gleitwegen < 5 m zusammen. Die Länge des Gleitweges bei niedrigem Friktionskoeffizienten bis zum Auftreten starker Reibung skalierte in diesen Versuchen für die funktionalisierten, kupferbeschichteten Stahloberflächen mit der Flächenbelegung an chemisorbierten n-Octadecylphosphonsäure-Molekülen. Zwei- oder viermalige Wiederholungen des Funktionalisierungszyklus, in dem die bis dahin größte Flächenbelegung erzielt wurde, bewirkten auf kupferbeschichteten Oberflächen eine weitere Erhöhung der Flächenbelegung, aber auch eine Variation der Dichte der anbindenden P-O-Metall-Bindung. Alternierende Reibexperimete dieser Oberflächen gegen Aluminium bei Kontaktdrücken im Bereich von 140 – 280 MPa zeigten, dass Reibung und Verschleiß durch die Funktionalisierung gegenüber nicht-funktionalisierten Kupferoberflächen deutlich reduziert wurden. Trotz Variation von Kontaktdrücken und Funktionalisierung konnten aus den Versuchen keine spezifischen Versagenskriterien abgeleitet werden. Schädigungen und sich bildende Transferfilme, die für Tribopaare mit konstant niedriger Reibung beobachtet wurden, weisen auf die Notwendigkeit hin, die Oberflächenfunktionalisierung auf Umformwerkzeugen nach wenigen Fertigungszyklen zu erneuern. Somit ist es unrealistisch, die hier entwickelte und in tribologischen Versuchen applizierte Oberflächenfunktionalisierung für die industrielle Umformtechnik zu verwenden. Zusammenfassend leistet die vorliegende Arbeit einen grundsätzlichen Beitrag zum Verständnis der Tribologie von Oberflächenfunktionalisierungen im Kontakt mit Aluminium. Da das Versagen der molekular dünnen Oberflächenfunktionalisierung höchstwahrscheinlich durch Asperitätskontakt hervorgerufen wurde, sollte ein zukünftiges Design zum Verschleißschutz dickere Beschichtungen (> 100 nm) beinhalten, um auf Asperitätskontakte reib- und verschleißvermindernd zu wirken.

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