Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Schmiedewerkzeugen durch Einsatz eines intelligenten Warmarbeitsstahls in Kombination mit einer werkstoffspezifisch angepassten Nitrierbehandlung

In dem Forschungsvorhaben wird das Ziel verfolgt, die Verschleißbeständigkeit von Schmiedewerkzeugen durch Verwendung eines intelligenten Warmarbeitsstahls in Kombination mit einer werkstoffspezifisch angepassten Nitrierbehandlung zu erhöhen. Schmiedewerkzeuge aus dem intelligenten Warmarbeitsstahl besitzen eine hohe Verschleißresistenz in thermomechanisch hochbelasteten Werkzeugbereichen. Dies ist auf den legierungsspezifischen Mechanismus der zyklischen Randschichthärtung zurückzuführen, der für einen fortwährenden Schutz dieser verschleißgefährdeten Bereiche sorgt. Aufgrund der variierenden Beanspruchungen am Werkzeug ist die gesteigerte Verschleißresistenz jedoch lokal beschränkt.

Zur Realisierung eines globalen Verschleißschutzes sollen die Schmiedewerkzeuge aus dem intelligenten Warmarbeitsstahl in diesem Forschungsvorhaben einer Randschichtbehandlung durch Nitrieren unterzogen werden, so dass eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit thermomechanisch gering belasteter Bereiche gewährleistet wird. Neben der Charakterisierung des Umwandlungs- und Werkstoffverhaltens liegen wesentliche Schwerpunkte des Forschungsvorhabens auf der Entwicklung einer auf den intelligenten Warmarbeitsstahl angepassten Nitrierbehandlung sowie der Ermittlung der Leistungsfähigkeit der randschichtbehandelten Schmiedewerkzeuge aus dem intelligenten Warmarbeitsstahl in Modellversuchen und der industriellen Praxis. Die angestrebten Ergebnisse tragen dazu bei, den Mechanismus der zyklischen Randschichthärtung in Kombination mit einer Nitrierschicht effizient zu nutzen. Kleine und mittlere Unternehmen der Stahlerzeugung und -verarbeitung erhalten eine neue Wissensbasis für die Entwicklung neuartiger, an Prozesse der Umformtechnik angepasster Werkstoffe und Werkzeuge, gewinnen die Möglichkeit neue Produkte auf dem Markt abzusetzen und profitieren von den Ergebnissen in Form einer effektiven Verschleißschutzmaßnahme zur Steigerung der Standmenge von Werkzeugen der Warmmassivumformung.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Ziel verfolgt, für einen modifizierten Warmarbeitsstahl mit einem systemimmanenten Verschleißschutz eine werkstoffangepasste Nitrierbehandlung zu entwickeln. Der Verschleißschutz basierte dabei auf einer gezielten Gefügeumwandlung in der Werkzeugrandschicht, welche an die thermomechanische Beanspruchung im Schmiedeprozess gekoppelt ist. Durch eine intelligente Reaktion des Werkstoffs auf die im Prozess vorherrschenden thermomechanischen Umgebungsbedingungen wird eine Neuhärtung der Werkzeugrandschicht herbeigeführt, die über viele Schmiedezyklen erhalten bleibt und für einen fortwährenden Verschleißschutz sorgen kann. Eine ergänzende Nitrierbehandlung soll dabei jene Werkzeugbereiche schützen, in denen die thermomechanische Beanspruchung für die zyklische Randschichthärtung nicht ausreichend hoch ist.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Werkstoff mit einer durch legierungstechnische Maßnahmen abgesenkten Austenitstarttemperatur Ac1b beim zyklischen Warmschmieden bei entsprechenden thermomechanischen Beanspruchungen eine Randschichthärtung erfährt. Nach Abtrag der Nitrierzone konnte der Neuhärteeffekt in thermomechanisch hoch beanspruchten Werkzeugbereichen für das 8 h Plasmanitrieren nachgewiesen werden. Das Ziel, eine werkstoffangepasste Nitrierbehandlung zu entwickeln, die thermomechanisch unzureichend beanspruchte Bereiche ohne zyklische Randschichtaufhärtung vor Verschleiß schützt, wurde erreicht. Die Legierungsmodifikation 1.2365mod zeigte an Radien, bei denen eine hohe thermomechanische Beanspruchung vorliegt, ein verändertes Verschleißverhalten. Die Untersuchungen an Industriewerkzeugen zeigten eine starke Bildung von Rissen, die auch tief in den Grundwerkstoff führen. Die Härte-Tiefenverläufe zeigen jedoch eine Härtezunahme in der Anlasszone gegenüber dem für 24 h gasnitrierten Referenzwerkzeugen aus dem Stahl 1.2367.