Untersuchungen zur Vorformung von Stahl im Halbwarmtemperaturbereich mit modifizierten kohlenstoffbasierten Schichtsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Halbwarm geschmiedete Bauteile besitzen gegenüber warm geschmiedeten Bauteilen bessere Oberflächeneigenschaften und eine höhere Maßhaltigkeit. Als Verschleißschutzschicht können auf der Gesenkoberfläche Diamond-Like-Carbon Schichten (DLC-Schichten) appliziert werden, die antiadhäsiv wirken und extrem hart sind (bis zu 3.500 HV). Im ersten Förderzeitraum des Forschungsprojektes wurde der Einfluss von verschiedenen Beschichtungstypen und Prozesstemperaturen auf den Werkzeugverschleiß untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass DLC-Schichten den Werkzeugverschleiß zum Teil deutlich mindern können, ihre Standzeit jedoch stark temperaturabhängig ist. Auf den Ergebnissen der ersten Förderperiode aufbauend wurden unter anderem die Auswirkung mehrlagiger DLC-Schichten auf den Werkzeugverschleiß untersucht. Hierfür wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Oberflächentechnik IST zunächst eine Methode der Temperaturmessung an der Gravuroberfläche mittels Dünnschichtsensoren entwickelt, um die lokale Prozesstemperatur – auch im Kontaktbereich zwischen Halbzeug und Schmiedegesenk – messen zu können. Es zeigte sich, dass die Temperatur innerhalb des Gesenkes stark von der Lokalisation des Halbzeuges und dem daraus resultierenden Kontakt abhängt. Die Temperatur lag hierbei jedoch in einem Bereich, der für die untersuchten Verschleißschutzschichten unkritisch war. Darüber hinaus wurden Schmiedeuntersuchungen für verschiedene Beschichtungen bei unterschiedlichen Halbzeugtemperaturen und Schmiedezyklenanzahl durchgeführt. So wurden sowohl Versuchsreihen mit Schmiedezyklen mit 100 Hüben, als auch Kleinserien mit 1.000 Schmiedehüben durchgeführt. Zusätzlich wurde darüber hinaus auch die Halbzeugtemperatur gezielt auf ein niedriges als auch ein hohes Temperaturniveau verschoben, um den Einfluss der Halbzeugtemperatur auf die Verschleißfestigkeit der Verschleißschutzschicht zu ermitteln. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Schmiermittelkonzentration verschiedener Schmiermitteltypen untersucht. So wurde von zwei verschiedenen Herstellern eine graphitbasierende, für die Halbwarm- und Warmmassivumformung geeignete, Schmiermittelemulsion zu je drei Konzentrationen während des Schmiedens eingesetzt. Die Kombination aller Erkenntnisse aus den verschiedenen Arbeitspaketen lässt sich wie folgt zusammenfassen: Von allen untersuchten Verschleißschutzschichten hat sich die Schicht CrN + Cr-DLC-40 sowohl im Bereich der 100 als auch der 1.000 Schmiedezyklen als am widerstandfähigsten gezeigt. Der Einfluss der Halbzeugtemperatur auf die Schädigung der Verschleißschutzschicht war bei 750 °C Halbzeugtemperatur am geringsten. Trotz der hohen Widerstandsfähigkeit der CrN + Cr-DLC-40 konnte, wie die Untersuchungen zeigten, nicht auf ein Schmiermittel verzichtet werden. Eine Konzentration von 1:5 des Schmierstoffes Graphitex 289 zeigte die besten Ergebnisse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Verschleißschutz für Gesenkoberflächen. In: JOT Journal für Oberflächentechnik, Springer Fachmedien Wiesbaden, 59. Jg. (2019), H. 1, S. 40-43
Schellenberg, D.; Kruse, J.; Langner, J.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
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Temperature measurement with thin film sensors during warm forging of steel. In: Microsystem Technologies 27 (2021) 3841-3850
Plogmeyer, M.; Kruse, J.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.; Bräuer, G.
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Verschleißschutzschichten für Schmiedegesenke. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 116.11 (2021): 806-809
Schellenberg, D.; Plogmeyer, M.; Kruse, J.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.; Bräuer, G.
