Teil von

 
 
   

Aus der Forschung

Gradierte Werkzeugwerkstoffe

März 2014 — Werden in der Herstellung von Schmiedegesenken gradierte Werkstoffsysteme als Ausgangsmaterial eingesetzt, lassen sie sich innerhalb des Werkzeugs lokal zusammensetzen. Durch die Kombination verschiedener Werkstoffeigenschaften können die Gesenke an den jeweiligen Belastungsfall angepasst werden. Ergebnis ist die höhere Lebensdauer der Umformwerkzeuge.


For our English-speaking readers
Grades tool materials

The approach of applying graded materials in the manufacturing of forging tools allows the local adjustment of the material composition within the tool material. Thus, the forging tool can be adapted to a defined load case by a controlled material combination. This method helps, for example, to increase the tool life.

Im Rahmen des von der AIF geförderten Forschungsprojektes „Pulvermetallurgische Herstellung von gradierten Werkzeugwerkstoffen für die Warmmassivumformung“ wird die Erhöhung der Verschleißfestigkeit und somit der Standmenge von Werkzeugen der Warmmassivumformung durch angestrebt. Der angestrebte Ansatz besteht im Einsatz von belastungsangepassten Werkzeugstählen auf Basis pulvermetallurgisch hergestellter Verbundwerkstoffe. Die Pulvermetallurgie bietet im Vergleich zu den konventionellen Fertigungsverfahren eine höhere Wirtschaftlichkeit durch gute Rohstoffausnutzung, eine größere Formgebungsfreiheit, eine gesteigerte Produktivität sowie eine verbesserte Bauteilqualität [1]. Über die gezielte Kombination von metallischen Werkstoffen und Hartstoffen in einem Werkstoffsystem sollen gradierte Halbzeuge zur Fertigung von Schmiedegesenken entwickelt und hergestellt werden. Durch die Erzeugung angepasster Eigenschaften können diese Werkstoffsysteme speziell im Bereich der Warmmassivumformung angewendet werden. Der Vorteil von PM-Metallen mit dispergierten karbidischen Hartstoffen gegenüber den konventionellen Festkörpermaterialien ist die homogene Karbid-Verteilung ohne Netz- und Zellenstruktur, welche vergleichsweise isotrope Werkstoffeigenschaften, eine bessere Zähigkeit und Bearbeitbarkeit herbeiführt [2]. Durch Einsatz metallischer Hartstoffe in einer eisenbasierten Matrix können besonders gute Anbindungen durch gezielte Legierungsbildungen erreicht werden [3]. Die endgültige Werkzeugkontur der Schmiedegesenke wird abschließend spanend aus dem gradierten Halbzeug endgefertigt. Hierzu soll bei der Auslegung der Gradientenstruktur der Materialabtrag durch Spanende Bearbeitung berücksichtigt werden. Eine weitere Möglichkeit bietet die endkonturnahe Formgebung der Pulver, wodurch die Herstellung von zur Gesenkkontur parallelen Gradierungen ermöglicht wird (Abbildung 1).


Herstellung gradierter Proben

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von gradierten Werkzeugen ist die Auswahl geeigneter Matrix- und Hartstoffphasen. Dabei bestehen große Anforderungen an die Pulverkorngröße und -form sowie Kombinationen von Pulverwerkstoffen. Die Paarungen der Werkstoffe sollen keine Diffusionsvorgänge während des Sinterprozesses hervorrufen, da in diesem Fall eine unerwünschte Änderung der Werkstoffeigenschaften und der Gradientenstruktur möglich ist. Des Weiteren sollen die Korngrößen der zu kombinierenden Pulverwerkstoffe aufeinander abgestimmt sein, so dass eine möglichst homogene Verteilung der Hartpartikeln im Matrixwerkstoff erzielt wird. Es ist zu beachten, dass durch ein geeignetes Mischungsverhältnis die einzelnen Hartpartikel von Matrixwerkstoff eingebettet werden sollen. Der Grund liegt in der Differenz der Sintertemperaturen von Matrix- und Hartwerkstoffen. Das Mischpulver wird bei der Sintertemperatur des Matrixwerkstoffs gesintert, so dass die Hartstoffpartikel inert bleiben und lediglich formschlüssig in die Matrix eingeschlossen werden. Für eine grundlegende Untersuchung und Bewertung der Realisierbarkeit von gradierten Bauteilen wurden zuerst kleine zylindrische Proben hergestellt (Abbildung 2). Die Werkstoffgradienten wurden aus Stahlpulver (Atomet1001HP, Fa. QMP) als Grundwerkstoff und Wolframkarbid (Fa. QMP) als Hartstoffanteil hergestellt. Die Gradienten entstanden durch Variation des Wolframkarbid-Anteils von 5 % bis zu 20 % mit einer Schrittweite von 5 % entlang der Bauteilhöhe. Eine Erhöhung des Hartstoffanteils über 20 % führt zur schlechten Verdichtbarkeit der Pulvermischung.

Für die Herstellung der gradierten Proben wurde zuerst das Grundpulver mit Hartstoff in kleinstufig absteigenden Mischungsverhältnissen gemischt und vorbereitet. Die verschiedenen Pulvermischungen wurden anschließend schichtweise mit möglichst gleichmäßigen Höhen sukzessive nach absteigendem Hartstoffanteil in eine Pressmatrize manuell eingefüllt. Um die Höhe der Stufen gezielt einzustellen, wurden die Pulvermischungen für jede Schicht nach Gewicht portioniert. Aufgrund des variablen Anteils des Hartstoffs mit höherer Dichte im Stahlpulver ist die Variation der Schichtenhöhe bei gleichen Gewichten nicht vermeidbar. Dies bedeutet, dass die Schichthöhe bei gleich bleibendem Gewicht und steigendem Hartstoffanteil abnimmt. Nach dem Einfüllen jeder Schicht wurde die Pulveroberfläche glatt gestrichen und für die nachfolgende Schicht vorbereitet. Anschließend wurde die gradierte Pulverschüttung einseitig und axial mit einem Pressdruck von 600 MPa zu einem gradierten Grünling verdichtet. Da die Verteilung der Hartstoffe im Werkzeug nach dem Pressvorgang nicht mehr veränderlich ist, stellt die Herstellung einer genau strukturierten Pulverschüttung einen äußerst wichtigen Prozess dar. Nach dem Pressvorgang wurden die gradierten Grünlinge gesintert. Der Sinterprozess wurde unter Berücksichtigung der Anforderungen des Grundwerkstoffes (Stahlpulver) bei 1150 °C durchgeführt.

Im Rahmen der Versuche wurden gradierte Proben mit unterschiedlicher Schichtanzahl und -dicken hergestellt. Diese wurden bezüglich der Formstabilität der Schichten nach dem Pressen und Sintern näher untersucht. In Abbildung 3 sind die gradierten Strukturen verschiedener Proben anhand metallographischer Aufnahmen dargestellt. Anhand der Bilder wird deutlich, dass infolge der Reduzierung der Stufenhöhen die Formstabilität des Gradients abnimmt und die Schichten zur Bildung gewölbter Formen neigen. Diese Formabweichung kann mit den unterschiedlichen mechanischen Verhalten der Schichten infolge der unterschiedlichen Mischungsverhältnisse begründet werden. Einerseits führt die Variation des Hartstoffanteils zur Absenkung der Pressbarkeit der Pulvermischung, andererseits variieren dabei die Eigenspannungen, welche durch das Sintern im Werkstoff entstehen. Ein weiterer Faktor für die Formabweichung der Schichten ist die Wandreibung, welche beim Pressen zwischen der Matrizenwand und dem Pulver entsteht. Die Wandreibung wirkt der Presskraft entgegen und verursacht eine ungleichmäßige Verdichtung im Pulver, wodurch die Bereiche nahe der Matrizenwand weniger und innere Bereiche mehr verdichtet werden. Mit Erhöhung des Hartstoffanteils steigt die Reibungskraft, sodass der Einfluss der Wandreibung innerhalb der Gradierungsschichten mit der Variation der Werkstoffzusammensetzung korreliert.

Anhand von Untersuchung der Gefügestruktur im Werkstoff wurde unregelmäßige Lunkerbildung beziehungsweise Entstehung von größeren Poren festgestellt (Abbildung 4). Die Ursache ist zum einen die unzureichende plastische Formänderung der Pulverpartikel, insbesondere der Hartstoffe, und zum anderen das einseitige Kaltpressen. Angesichts dieser Problematik sowie der Formabweichung der gradierten Werkstoffstruktur, wurde das Axial-Pressverfahren mit anschließendem Sintern als eine ungeeignete Methode eingestuft. Aus diesem Grund steht zukünftig die Optimierung des Formgebungsverfahrens beziehungsweise die Anwendung einer alternativen Methode im Mittelpunkt der Untersuchungen. Eine Möglichkeit bietet das heißisostatische Pressen (HIP), welche in der Produktion von vollverdichteten Pulverwerkstoffen beziehungsweise zur Eigenschaftsverbesserung der Vollwerkstoffe angewendet wird. Durch allseitige Druckwirkung mit gleichzeitiger Erwärmung werden die Poren im Werkstoff geschlossen und somit die mechanischen Eigenschaften optimiert. Die ersten Versuche werden bereits am Institut für Umformtechnik (Ifum) in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern aus der Industrie durchgeführt.

Bernd-Arno Behrens und Najmeh Vahed, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover sowie Helmut Brand, Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe in Remscheid.

Das IGF-Vorhaben „Pulvermetallurgische Herstellung von gradierten Werkzeugwerkstoffen für die Warmmassivumformung“, AIF 17271N der Forschungsvereinigung Werkzeuge und Werkstoffe wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.

[1] Schatt, W.; Wieters, K.-P.; Kieback, B.: Pulvermetallurgie - Technologien und Werkstoffe, 2. Ed., Springer Verlag, Germany, 2007[2] Friedrich Josef Esper: Pulvermetallurgie, expert-Verlag, 1996, ISBN 3-8169-1321-0[3] Berns, H.: Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffe, Springer Verlag, ISBN 3-540-62925-4, 1998


Leibniz Universität Hannover
Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen
An der Universität 2, 30823 Garbsen
Tel.: +49 511 762-2166
vahed@ifum.uni-hannover.de
http://www.ifum.uni-hannover.de

Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V.
Papenberger Straße 49, 42859 Remscheid
Tel.: +49 2191 5921-119
brand@fgw.de
http://www.fgw.de

Kommentar schreiben
Aktuelles Heft
5/2019 August

 
Probeheft anfordern
 
 
 
 
& Ort :*
 
Land:*
 
 
 
 
Frau Herr
 

 
 
 
  
Partnerlinks
  • Industrieverband Massivumformung e.V.
  • GCFG – German Cold Forging Group
  • Stahl-Zentrum
  • CIRP – Internationale Forschungsgemeinschaft für Produktionstechnik
  • ICFG – International Cold Forging Group