Erhöhung des Verschleißwiderstandes von Warmarbeitsstählen durch Absenkung der Ac1b-Temperatur und anschließenden Nitrierbehandlungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des bearbeiteten Forschungsprojektes war es, den Verschleiß an der Oberfläche von Schmiedewerkzeugen durch den Einsatz eines durch die Zugabe von Mangan modifizierten Warmarbeitsstahls zu verringern. Das im Vergleich mit dem Warmarbeitsstahl zusätzlich beigefügte Mangan hat die Aufgabe, die Ac1b- Temperatur des Materials zu senken. Dadurch soll die bei jedem Schmiedezyklus in den oberflächennahen Bereichen auftretende Aufhärtung des Stahls unterstützt werden, um somit die Verschleißfestigkeit der Werkzeuge zu erhöhen. Im ersten Antragszeitraum konnte eine Legierung entwickelt werden, die im Vergleich mit dem als Referenz eingesetzten Warmarbeitsstahl 1.2365 eine deutlich geringere Ac1b-Temperatur aufweist. Dazu wurden zunächst unterschiedliche Legierungen mit Mangangehalten zwischen 1 und 2 % hergestellt und getestet. Mangangehalte von über 2 % wurden nicht betrachtet, da negative Einflüsse des Mangans auf den Stahl zu erwarten sind. Die Legierung mit 2 % Mangan hatte dabei eine um ca. 60 °C abgesenkte Ac1b-Temperatur. In anschließend durchgeführten Schmiedeversuchen konnte die verstärkte Aufhärtung der aus dem modifizieren Warmarbeitsstahl gefertigten Werkzeuge durch Mikrohärtemessungen nachgewiesen werden. Bei niedrigen Zyklenzahlen liegt die Randschichthärte bei diesen Werkzeugen deutlich über der Ausgangshärte der Werkzeuge vor dem Schmiedeeinsatz. Mit steigender Anzahl an Zyklen nimmt die Härte zwar ab, bleibt aber ständig oberhalb der Ausgangshärte. Nach 3000 Schmiedezyklen nimmt die Randschichthärte der aus dem modifizierten Stahl gefertigten Werkzeuge wieder zu. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden die Untersuchungen für den zweiten Antragszeitraum durchgeführt. Hierbei war zum einen das Ziel, den modifizierten Stahl zusätzlich zu nitrieren, um die Verschleißfestigkeit weiter zu erhöhen. Zum anderen sollte ein Optimum für die während des Schmiedeeinsatzes vorliegenden Temperaturen im Werkzeug und Werkstück ermittelt werden, da der genutzte Härteeffekt stark temperaturabhängig ist. Zunächst wurden Untersuchungen zur Auswahl eines geeigneten Nitrierverfahrens durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden Schmiedewerkzeuge mit den Verfahren Gasnitrieren, Salzbadnitrieren und Plasmanitrieren behandelt. Mit diesen Werkzeugen wurden anschließend 100 Schmiedeteile umgeformt. Um die Randschichten zu charakterisieren, wurden metallographische Schliffe erstellt und REM Aufnahmen der Oberflächen angefertigt. Die durch Gasnitrieren behandelten Werkzeuge zeigen die geringsten Anzeichen für Schädigungen der Oberflächen. Es traten nur wenige Risse auf, die zudem im Vergleich mit den anderen Verfahren deutlich schmaler ausfallen. Auch in den Schliffbildern sind nur geringe Schädigungen zu erkennen. Aus diesem Grund wurden die weiteren Untersuchungen mit gasnitrierten Werkzeugen durchgeführt. Um das Verschleißverhalten der gasnitrierten Werkzeuge zu bestimmen, wurden Schmiedeversuche mit bis zu 3000 Umformvorgängen durchgeführt. Die eingesetzten Werkzeuge wurden im Anschluss durch Verschleißmessungen, Schliffbilder und ihre Mikrohärte charakterisiert. Die erlangten Ergebnisse zeigen kein eindeutiges Bild des Verhaltens. So weisen alle Werkzeuge stärkeren Verschleiß auf, als dies bei den vergleichbar eingesetzten Werkzeugen ohne Nitrierung der Fall ist. Die Schädigungsbilder der oberflächennahen Bereiche lassen vermuten, dass die Nitrierschicht nur bedingt für den Schmiedeprozess geeignet ist. Es entsteht der Eindruck, dass eine zu hohe Härte bzw. Sprödigkeit vorlag, so dass es zu Abplatzungen und Rissbildung kam. Es konnte somit in diesem Projekt nicht nachgewiesen werden, ob eine sinnvolle Kombination des modifizierten Stahls mit einer Nitrierschicht möglich ist. Dies erscheint aufgrund der bei niedrigen Zyklenzahlen sichtbaren Aufhärtung der nitrierten Werkzeuge aber als wahrscheinlich. Um dies zu überprüfen müssten nochmals Untersuchungen mit einer angepassten Nitrierschicht vorgenommen werden. Um das Einsatzverhalten des modifizierten Warmarbeitsstahls im Schmiedebetrieb zu charakterisieren, wurden umfangreiche Schmiedeversuche unter Variation der Werkzeug- und Werkstücktemperaturen durchgeführt. Die Randschichtveränderungen wurden durch Schliffbilder und Mikrohärtemessungen betrachtet. Die Versuche wurden in Stufen mit einer steigenden Anzahl von Schmiedezyklen durchgeführt, um die Randschichtvorgänge dokumentieren zu können. Anhand der Untersuchungen ist deutlich zu erkennen, dass die unterschiedlichen Temperaturen zu abweichenden Veränderungen in der Werkzeugrandschicht führen. Die aus der Ausgangslegierung gefertigten Werkzeuge weisen mit zunehmenden Temperaturen eine abnehmende Randschichthärte auf. Diese liegt nach 1000 Schmiedezyklen bei allen Versuchen deutlich unterhalb der vor den Versuchen vorliegenden Ausgangshärte. Das Verhalten der modifizierten Legierung unterscheidet sich deutlich hiervon. Nach 1000 Schmiedezyklen zeigt das Werkzeug, welches bei dem höchsten untersuchten Werkzeug-/Werkstücktemperaturniveau eingesetzt wurde eine deutlich angehobene Randschichthärte. Auch in den Schliffbildern ist diese Schicht zu erkennen. Des Weiteren zeigt sich, dass die Aufhärtung durch eine steigende Werkzeugtemperatur deutlicher verstärkt wird, als durch eine steigende Rohteiltemperatur. Die bei niedrigeren Temperaturen eingesetzten Werkzeuge wiesen wiederum eine Randschicht mit verminderter Härte auf. Die gemessene Härte liegt, im Vergleich mit der Randschichthärte der aus der Ausgangslegierung gefertigten Werkzeuge, höher. Für die abschließend durchgeführten Fließpressversuche wurden, entsprechend der Ergebnisse aus den zuvor durchgeführten Untersuchen, die Werkzeug- und Werkstücktemperaturen ausgewählt. Die Werkzeuge wurden auf annähend 300 °C geheizt und die Werkstücke auf 1200 °C erwärmt. Mit den eingesetzten Werkzeugen wurden jeweils 2000 Schmiedezyklen durchgeführt. Anschließend fand eine Vermessung der Oberflächen mit einer 3D-Koordinatenmessmaschine statt. Die Vermessungsergebnisse zeigen in den hochbelasteten Bereichen der Fließpressbüchsen einen verringerten Verschleiß an den Werkzeugen aus dem modifizierten Warmarbeitsstahl. Im restlichen Werkzeugbereich, der weniger hohen thermischen und mechanischen Belastungen unterliegt, ist das Verschleißbild vergleichbar. Die mit den unnitrierten Werkzeugen erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass es durch die bewusste Ausnutzung der während jedes Schmiedezyklus auftretenden Randschichthärtung möglich ist, den Werkzeugverschleiß zu verringern. Da dies eine kostengünstige Möglichkeit zur Verschleißminderung darstellt, erscheint es sinnvoll, den Werkstoff in der Praxis einzusetzen. Da die Einsatzbedingungen in der Praxis aber zum Teil deutlich von denen in den Versuchen abweichen, müssen zunächst testweise Werkzeuge aus dem modifizierten Stahl eingesetzt werden. Hierzu ist es geplant in einem industrienahen Projekt weitere Untersuchungen durchzuführen, um die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zu hinterlegen. Auch mit nitrierten Werkzeugen erscheint es sinnvoll weitere Untersuchungen durchzuführen, da das im Projektverlauf dokumentierte Materialverhalten vermutlich von einer nicht optimal angepassten Nitrierschicht herrührt. So konnte in aktuellen Forschungsvorhaben gezeigt werden, dass eine ungünstig erzeugte Nitrierschicht zu einer Verschlechterung des Verschleißverhaltens von Schmiedewerkzeugen führen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Projekttreffen am IWT Stiftung Institut für Werkstofftechnik zur IMU Studie „Optimierung der Randschichtzusammensetzung durch Nitrieren von Werkzeugen der Warmmassivumformung“ am 19.09.2007 in Bremen
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Treffen des F&T Ausschusses des IMU am 10.10.2007 in Hagen
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AiF-Anwenderforum „Gesenkbeschichtungen zur Standmengenerhöhung in der Warmmassivumformung“ am 18.11.2009 in Hagen
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Increasing the wear resistance of hot work tool steel by lowering the eutectoid temperature, Konferenz: Advanced Metal Materials and Technologies 2009, 24.-26. Juni 2009, St. Petersburg
Puchert, A.; Pfahl, A.; Behrens, B.-A.; Bach, Fr.-W.
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Legierungsentwicklung zur Verschleißreduzierung von Schmiedegesenken -Einfluss von Mangan auf die Absenkung der Ac1b-Temperatur, HTM - Journal of Heat Treatment and Materials, Band 64 (2009), Heft 5, S. 291-296
Pfahl, A.; Puchert, A.; Behrens, B.-A.; Bach, Fr.-W.
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Der Einfluss von Mangan auf die Verschleißbeständigkeit von Schmiedegesenken aus dem Warmarbeitsstahl 1.2365
Pfahl, A.
