Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Werkzeugbeschichtung beim Strangpressen von Bunt- und Schwermetallen

Neben thermo-mechanischen Wechselbelastungen führen vor allem tribologische Anteile beim Strangpressen von Bunt- und Schwermetallen zu einem schnellen Verschleiß an den Matrizen. Die tribologische Belastung resultiert aus der Interaktion zwischen dem Umformgut und den Werkzeugoberflächen unter hohen Flächenpressungen. Die zentrale Aufgabe des Vorhabens ist die Untersuchung und Identifikation dieser Vorgänge, um dadurch eine Verschleißreduzierung oder auch Produktoptimierung zu erreichen. Dies sind wesentliche Ansätze, um die Produktion von Profilen aus Kupfer oder Messinglegierungen, insbesondere moderner bleifreier Legierungen, deutlich wirtschaftlicher gestalten zu können.

Dazu werden die formgebenden Oberflächen mittels Plasmaborieren modifiziert bzw. mit relevanten boridbasierten Schichten versehen, um die Reibungseigenschaften im Einlauf und Presskanal in Hinsicht auf eine Verschleißreduzierung und damit technologisch nutzbarer Standzeiterhöhung zu verbessern. Der auftretende Verschleiß der Werkzeuge wird auch durch die niedrige chemische Reaktionsbereitschaft und der damit reduzierten Wechselwirkung zwischen der modifizierten Oberfläche und dem Umformgut deutlich verringert.

Darüber hinaus werden die Oberflächenmodifikationen auf ihr Adhäsionsverhalten hin untersucht. Es sollen zunächst die modifizierten Oberflächen mit den nicht modifizierten Oberflächen vergleichen werden.

Zudem werden die lokalen Temperatur-, Spannungs- und Geschwindigkeitsverläufe in der unmittelbaren Umformzone und im Presskanal mittels FEM und den damit verbundenen Voruntersuchungen zum Material- und Reibverhalten analysiert.

Der Nutzen für die KMUs aus den dargestellten Untersuchungen und Entwicklungen liegt in der Erhöhung der Standzeiten von Strangpresswerkzeugen durch optimierte Prozesse hinsichtlich Materialfluss und Reibungsminimierung während des Umformvorgangs. Somit können die Produktqualität gesteigert und Prozessunterbrechungen reduziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurden erfolgreich verschiedene borhaltige Oberflächenmodifikationen auf Werkzeugwerkstoffen appliziert und beim Strangpressen von Messing und Kupfer getestet. Neben der Abscheidung eines Ti-B-N Mehrlagensystems und einer gradierten Ti-Si-B-C-N Schicht auf Warmarbeitsstahl 1.2367 mittels PACVD wurde im Verfahren des Plasmaborierens eine Borierzone auf der Nickelbasislegierung Alloy 718 erzeugt. Bei der Analyse des mechanisch-tribologischen Verhaltens und Temperversuchen wurde für diese Oberflächenmodifikationen ausgezeichnete Hafteigenschaften, sehr hohe Härten und gute Oxidationsbeständigkeiten ermittelt. Warmstauchversuche mit oberflächenmodifizierten Probekörpern erwiesen eine ausreichende Grenzdeformation der PAVCD-Schichten und ein hervorragendes Deformationsvermögen der Borierung. Die Beeinflussung des tribologischen Verhaltens in der Anwendung beim Strangpressen wurde durch Hochgeschwindigkeits-Axial-Reibversuche bei Anwendungstemperatur untersucht. Es zeigte sich sowohl eine starke Verringerung der Reibkräfte, als auch der Adhäsion des Umformguts im Vergleich zu den unbehandelten Werkzeugwerkstoffen. Die deutlich geminderte Adhäsion der Presswerkstoffe an den Werkzeugen wurde in Pressversuchen bestätigt.

Aufgrund der nachgewiesen Eigenschaften der borhaltigen Oberflächenmodifikationen bietet sich die Anwendung als Verschleißschutzschicht auf Strangpresswerkzeugen für das Strangpressen von Buntmetallen an. Während die hohe Härte der Oberflächenmodifikationen zu einer Verringerung den abrasiven Werkzeugverschleißes beiträgt, mindert die geringe Adhäsion des Umformguts den adhäsiven Verschleiß und begünstigt die Werkzeugreinigung zwischen den einzelnen Presszyklen.