FE-gestützte Entwicklung hochverschleißfester Warmarbeitswerkzeuge durch eine Legierungsmodifikation in Kombination mit einer prozess- und werkstoffseitig angepassten Nitrierschicht

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, seit 10/2014
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 260050454

Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll eine speziell an die Anforderungen im Warmumformprozess angepasste Legierungsmodifikation mit einer prozess- und werkstoffseitig angepassten Nitrierbehandlung kombiniert werden. Dazu werden durch eine gesteuerte Prozessführung beim Nitrieren gezielt verschiedene Schichten eingestellt, um den Einfluss des Schichtverlaufes auf das Einsatzverhalten der Werkzeuge zu untersuchen. Zur definierten und reproduzierbaren Einstellung der Nitrierschichten wird das Plasmanitrierverfahren verwendet. Variiert wird neben der Nitrierhärtetiefe die Steigung des Härtegradienten. Die Legierungsmodifikation beruht auf bereits durchgeführten Arbeiten. Hierzu wird einem Standardwarmarbeitsstahl eine in vorangegangenen Untersuchungen definierte Menge an Mangan zulegiert, um den Effekt der zyklischen Randschichthärtung durch eine Absenkung der Ac1b-Temperatur zu verstärken.Der zeit- und temperaturabhängige Härteverlauf der Randschicht von Schmiedewerkzeugen hat einen signifikanten Einfluss auf den Verschleiß. Die Oberfläche der Gesenke wird während der Umformung der Bauteile, welche eine Temperatur von bis zu 1200 °C aufweisen, stark erwärmt. Die Oberflächentemperatur ist dabei entscheidend für den Eintrag von thermischer Energie in das Gesenk. Messtechnisch ist eine Erfassung der Oberflächentemperatur während der Umformung aufgrund der hohen Belastungen im Kontaktbereich derzeit nicht möglich. Im Rahmen des Projektes werden deshalb alternative experimentelle und numerische Verfahren angewendet, um eine ganzheitliche Beschreibung der Randschichtphänomene zu ermöglichen. Zur Charakterisierung des Neuhärteverhaltens der Werkzeuge werden zunächst zeit- und temperaturabhängige Härteverlaufskurven mit einem Dilatometer aufgenommen. Um bei diesen Untersuchungen das reale und prozessabhängige Temperaturprofil zu hinterlegen, erfolgt eine numerische und experimentelle Ermittlung des Temperaturprofils in der Werkzeugrandschicht. Dazu werden Thermoelemente mit variierenden Tiefen in ein Gesenk eingebracht und die aus dem Schmiedeprozess resultierenden Temperaturverläufe in der Randschicht ermittelt. Mit Hilfe dieser Daten werden die numerisch ermittelten Temperaturverläufe validiert und der Verlauf der Oberflächentemperaturen berechnet. Diese dienen dann als Eingangsgröße für das Temperaturprofil im Dilatometer. Im Anschluß an die Untersuchungen im Dilatometer erfolgen Serienschmiedeversuche auf einer vollautomatisierten Schmiedeanlage. Analog zu den betrachteten Zyklen im Dilatometer werden Verschleißmessungen bei den Schmiedeversuchen durchgeführt. Mit dieser Vorgehensweise wird eine Untersuchung der Übertragbarkeit des experimentell ermittelten Härteverlaufs mit den im Serienschmiedeprozess ermittelten Verschleißwerten ermöglicht. Die gewonnenen Ergebnisse werden zusätzlich dazu verwendet, ein vorhandenes FE-basiertes Verschleißmodell um den zeit- und temperaturabhängigen Härteverlauf zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Bach, bis 10/2014 (†)