Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Anwendung von Plasmaborierverfahren zur Steigerung der Belastbarkeit von Schmiedegesenken

Forschungsziele

Ziel ist es, den Verschleiß von Schmiedegesenken zu reduzieren und damit eine wirtschaftlichere Fertigung zu ermöglichen. Für Gesenke sollen wirksame Verschleißschutzkonzepte auf Basis des Plasmaborierens entwickelt werden. Ziele dazu sind:

• Nachweis der Eignung von Plasmaborierschichten für Schmiedeanwendungen

• Bereitstellung von angepassten Plasmaborierprozessen und Wärmebehandlungen für Schmiedegesenke

Lösungsweg

1. Fertigung von Testsubstraten und Modellwerkzeugen

2. Plasmaborieren von Warmarbeitsstählen

3. Praxisnahe Anwendungsversuche

4. Verschleißanalytik

5. Validierung der Ergebnisse in Industrieprozessen

Angestrebte Ergebnisse

Eine Verbesserung der Verschleißeigenschaften von Schmiedegesenken soll durch eine borhaltige Komponente in der Werkzeugrandzone erreicht werden. Die Schichtsysteme zielen auf die positiven Eigenschaften von borbasierten Beschichtungen ab. Der Vorteil derartiger Schichtsysteme für Werkzeuge der Warmmassivumformung liegt in einer Reduktion der Rissbildung sowie des abrasiven und adhäsiven Verschleißes. Zudem wird eine Steigerung der thermischen Beständigkeit angestrebt.

Nutzen für KMU

Es wird den Anwendern der Branche eine neue Option bereit stehen, den Werkzeugverschleiß signifikant zu reduzieren. Bisherige Erkenntnisse zur lastorientierten Werkzeugbehandlung werden durch eine weitere, vielversprechende Verschleißschutzbehandlung ergänzt, so dass den Anwendern Handlungsempfehlungen bereitgestellt werden können. Durch die vorgesehenen Arbeiten wird es möglich sein, prozessabhängige Aussagen für die Eignung von Plasmaborierbehandlungen als Verschleißschutzmaßnahme zu treffen. Neben den Anwendern der Branche profitieren auch die Werkzeughersteller bzw. -veredler von den Erkenntnissen.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurden aus insgesamt 11 verschiedene Stähle Rundflachproben für die Schichtcharakterisierung und Flachstauchbahnen für die Verschleißcharakterisierung gefertigt. Schmiedegesenke mit zwei komplexen Geometrien (primär thermisch und primär tribologisch belastet), wurden für die Serienschmiedeversuche aus den Stählen Nr. 1.2343 (X37CrMoV5),1.2367 (X37CrMoV5-3) und dem niederlegierte Stahl 1.2714 (55NiCrMoV7) gefertigt.

Der Plasmaborierprozess wird bei Temperaturen oberhalb von 700 °C durchgeführt. Bei acht Legierungen konnte eine gut haftende Boridschicht erreicht werden. Unabhängig der Eingangshärten führen die thermischen Entfestigungen zu dem Ergebnis, dass ein nachgeschalteter Vergütungsprozess zur gezielten Einstellung der Arbeitshärten erforderlich ist. Die ermittelten nanoskopischen Härtewerte hingegen zeigen nach dem Borieren samt Nachvergütungsprozess Werte von mehr als dem Vierfachen bei einem vergüteten Stahl 1.2367. Das Plasmaborieren liefert vergleichbare Schichten wie das Pasten- oder Pulverborieren, ohne dass anschließend die Werkstücke gereinigt werden müssen.

Abgeleitet aus den Ergebnissen der Ring- und Zylinderstauchversuche wurden die primär thermisch und primär tribologisch belasteten Werkzeuge aus den Stählen 1.2343 und 1.2714 im vergüteten, nitrierten und borierten Behandlungszustand Serienschmiedeversuchen unterworfen. Die nitrierten und auch die borierten Werkzeuge zeigen die höchste Formstabilität unabhängig des eingesetzten Stahls. Die Abhängigkeit des Werkzeugverschleißes in Abhängigkeit der Kombination der Stahl-Legierung und der unterschiedlichen Eingangshärten, konnte ebenfalls dargestellt werden. Der Versagenseintritt durch thermischbedingten, abrasiven Verschleiß und plastischer Deformation wird bei den modifizierten Varianten (boriert und nitriert) in Richtung erhöhter Schmiedezyklen oder Losgrößen verschoben (länger anhaltende Formstabilität).