Entwicklung eines effizienten Bewertungskonzepts zur Validierung der Kryobehandlung von Werkzeugstählen auf Grundlage instrumentierter zyklischer Eindringprüfungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Dr.-Ing. Sven Winter
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521294773

Die Anwendung einer Kryobehandlung, welche einen Härteprozess, einen Kryoprozess bei Temperaturen von bis zu -180°C sowie eine Anlassbehandlung umfasst, kann zu einer signifikanten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen und, daraus resultierend, zu einer erheblichen Steigerung der Standzeiten beitragen. Allerdings ist der Aufwand zur Optimierung der Prozessparameter auf den jeweiligen Werkstoff und die geplante Werkzeuganwendung sehr hoch. Der Einfluss und somit auch der Erfolg der Kryobehandlung werden in der Regel erst bei der späteren Anwendung der Werkzeuge deutlich oder müssen alternativ mit einer umfassenden Werkstoffcharakterisierung zeitintensiv abgeschätzt werden. Dementsprechend ist eine Bewertung der Auswirkungen einer Parametervariation innerhalb der Kryobehandlung, und im speziellen des Kryoprozesses, auf die resultierenden Eigenschaften sehr aufwendig. Ziel dieses Forschungsantrags ist es daher, auf Grundlage des effizienten, auf instrumentierten zyklischen Eindringprüfungen (IZE) basierenden, Kurzzeitverfahrens PhyBaLCHT, ein Bewertungskonzept für kryogen behandelte Werkzeuge zu erarbeiten. In diesem Zusammenhang zeigen eigene Vorarbeiten, dass unter Berücksichtigung der in den IZE ermittelten Kennwerte die Eigenschaften kryogen behandelter Werkzeugstähle bewertet werden können. Dementsprechend sollen im vorliegenden Vorhaben unterschiedlich kryogen behandelte Zustände des Werkzeugstahls Vanadis 4E mittels PhyBaLCHT bewertet werden. Hierbei werden, neben einer Variation der Prozessschrittabfolge und Anlasstemperatur, in besonderem Maße die Auswirkungen eines zyklischen Kryoprozesses in Relation zum einstufigen Kryoprozess bzw. einer konventionellen Wärmebehandlung betrachtet. Aufbauend hierauf werden Varianten mit hinreichend unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen in Ermüdungsversuchen, in konventionellen Schneidversuchen sowie im Hochgeschwindigkeitsscherschneiden geprüft und, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Lastbedingungen, hinsichtlich der auftretenden Schädigungen und der Lebensdauer bzw. Standzeit bewertet. Auf dieser Datenbasis kann unter Verwendung der mittels PhyBaLCHT gewonnen Kennwerte ein Bewertungskonzept erarbeitet werden, was das zentrale Ziel dieses Vorhabens darstellt. Darüber hinaus wird die Mikrostruktur im Ausgangszustand sowie deren Evolution während der Kryobehandlung umfassend charakterisiert und die Mikrostrukturveränderungen während der Beanspruchung in den Ermüdungs- und Schneidversuchen analysiert, was eine Übertragung der hier gewonnen Erkenntnisse auf andere Werkstoffe und Anwendungen erlaubt. Durch ein solches Bewertungskonzept wäre es möglich, die Auswirkungen einer Kryobehandlung auf die Werkzeugeigenschaften effizient zu bewerten. Dies könnte zu einer erheblichen Beschleunigung der Entwicklungszeiten von Kryobehandlungen führen und besitzt somit eine hohe Relevanz für das grundlegende Verständnis sowie für die Anwendung der Kryobehandlung von Werkzeugstählen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Bastian Blinn