FE-gestützte Entwicklung hochverschleißfester Warmarbeitswerkzeuge durch eine Legierungsmodifikation in Kombination mit einer prozess- und werkstoffseitig angepassten Nitrierschicht
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Erhöhung der Standmenge von Schmiedegesenken wurde eine Legierungsmodifikation des Warmarbeitsstahls 1.2365 mit dem Element Mangan schmelzmetallurgisch hergestellt, wodurch eine verschleißmindernde Randschichtneuhärtung bei thermomechanischer Wechselbeanspruchung begünstigt werden soll. Die chemische Zusammensetzung wurde mittels Glimmentladungsspektroskopie ermittelt. Anschließend wurden Proben aus dem Referenzwerkstoff und dem modifizierten Stahl nitriert, um geeignete Nitrierparameter (Zeit, Temperatur und Stickstoffgehalt) zu bestimmen. Im nächsten Schritt wurde eine umfangreiche Materialcharakterisierung durchgeführt. Bei den Stauch- und Kerbschlagbiegeversuchen konnte festgestellt werden, dass der modifizierte Werkstoff gegenüber der Referenz 1.2365 verbesserte Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen aufweist. Für die nachfolgenden Untersuchungen wurden numerische Analysen auf Grundlage der Finite-Elemente-Methode durchgeführt und der sich einstellende Temperaturverlauf in der Werkzeugrandschicht ermittelt. Auf Basis der Simulationsergebnisse wurden thermozyklische Belastungstests an einem Umformdilatometer durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei einer optimierten Nitrierbehandlung eine höhere Randschichthärte als im Ausgangszustand nach der thermozyklischen Wechselbeanspruchung erzielt werden kann. Zusätzlich wurde nachgewiesen, dass der modifizierte Werkstoff im nitrierten Zustand eine höhere Randschichthärte aufweist und der Grundwerkstoff eine etwas geringere Härte als der Referenzwerkstoff 1.2365. Anschließend wurden aus dem Referenzwerkstoff sowie dem modifizierten 1.2365 Stahl Schmiedegesenke gefertigt. Nach den Serienschmiedeversuchen wurde eine umfangreiche Verschleißanalytik durchgeführt. Bei der makroskopischen Betrachtung konnte festgestellt werden, dass das nitrierte und aus dem modifizierten Werkstoff gefertigte Schmiedegesenk die geringsten Verschleißerscheinungen aufwies. Anhand der Topographiemessungen und Konturvergleiche konnten die vorteilhaften Verschleißeigenschaften nachgewiesen werden. Abschließend wurden zerstörende Prüfungen der Schmiedegesenke durchgeführt. Dabei wurde nachgewiesen, dass das nitrierte Werkzeug aus dem modifizierten Werkstoff die höchste Randschichthärte aufwies. Bei der nicht nitrierten Variante aus dem modifizierten Werkstoff wurde nach 500 Schmiedezyklen eine höhere Härte als im Ausgangszustand gemessen. Anhand mikroskopischer Untersuchungen konnte eine Aufhellung der Randschicht beobachtet werden, die als Beginn einer Randschichtneuhärtung interpretiert werden kann. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wurde ein extrem feinkörniges martensitisches Gefüge nachgewiesen. Zusammenfassend zeigte der modifizierte Werkstoff mit einer angepassten Nitrierbehandlung vorteilhafte Verschleißeigenschaften und ein hohes Potential als Werkstoff zur Fertigung von Schmiedegesenken. Alle beschriebenen Arbeiten wurden gemäß Antrag durchgeführt und das Ziel des Vorhabens hochverschleißfeste Werkzeuge aus modifiziertem Warmarbeitsstahl herzustellen erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017): Verschleißfeste Randschichten durch angepasste Nitrierbehandlungen modifizierter Werkstoffe und Herstellungsprozesse von Schmiedewerkzeugen. Behrens, B.-A. (Hrsg.), Innovationspotenziale in der Umformtechnik, 22. Umformtechnisches Kolloquium Hannover, 15. – 16. März 2017, PZH Verlag, Garbsen, S. 207 – 208
Paschke, H.; Brunotte, K.; Puppa, J.; Behrens, B.-A.
- (2017): Verschleißschutzmaßnahmen an Schmiedegesenken auf Basis werkstoffseitiger und fertigungsinduzierter Einflussfaktoren in Kombination mit angepassten Nitrierbehandlungen. Tagungsband 5, VDI-Fachtagung Warmmassivumformung, 22.02. –23.02.2017, Düsseldorf
Behrens, B.-A.; Brunotte, K.; Puppa, J.
- Properties of an Intelligent Hot-Working Tool Steel with Alloy Adapted Nitriding Layers, In: Ya. V. Frolov (Hrsg.): Plastic deformation of metals. Accent PP, Dnipro, 2017, S. 49
Golovko, O.; Puppa, J.; Paschke, H.; Nürnberger, F.; Rodman, D.; Maier, H. J.; Behrens, B.-A.
- Effect of Manganese on Nitriding and Softening Behaviour of Steel AISI H10 under Cyclic Thermal Loads. Advances in Production Research/Proceedings of the 8th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Aachen, November 19-20, 2018, S. 423-432
Siegmund, M.; Golovko, O.; Puppa, J.; Chugreev, A.; Nürnberger, F.; Behrens, B.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-030-03451-1_42) - (2019): Influence of Increased Manganese Content on the Precipitation Behaviour of AISI H10 in Thermomechanical Fatigue Tests, In: WGP (Hrsg.): WGP Kongress 2019. Hamburg. 29.09.-02.10.2019, S. 189-197
Acar, S.; Golovko, O.; Swider, M. A.; Nürnberger, F.; Siegmund, M.; Puppa, J.; Chugreev, A.; Behrens, B.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-662-60417-5_19)
