Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung von Werkzeugwerkstoffen für das Schneiden hochfester Materialien durch kryogene Behandlungen und Beschichtungen

Cutting is an essential part in the production of parts and components in most industrial sectors. Nearly every part made from sheet material runs through several cutting steps. Especially shear cutting is very common for mass production in the industry due to its very high efficiency compared to other methods like laser cutting or water jet cutting. However, the increasing requirements concerning cutting of high strength sheet materials (e.g. high strength steel or fiber-reinforced materials) are pushing the shear cutting method to their limits. The main problem is insufficient lifetime of the blanking tools for cutting of high demanding materials. An increase in hardness and compression strength of the tool materials comes along with a decreasing fracture toughness. Early tool breakage or break out of the cutting edges are the limiting factor for cutting high strength materials. New highly efficient shear cutting methods like high-speed impact cutting (HSIC) cannot be used in the industry due to the limitations of the common tool materials.

There is a huge demand to overcome the problem of early tool breakage in demanding cutting operations by strengthening the tool materials in an economic way.

Main target of the project is an increase of tool life by more than 100 % for cutting high strength materials (high strength steels, fiber-reinforced composites) and for high speed impact cutting.Objectives in detail are:

• Optimization and integration of DCT treatment in the production process of the tools

• Combination of DCT with high performance plasma diffusion treatments and coatings

• Proof of suitability for HSIC

• Validation of the concept in different industrial applications

By using DCT and optimized coatings for tooling it will be possible for SME’s to process difficult to cut materials with high productivity and efficiency. The market position will be assured by lowering the costs per work piece by using tools with a higher lifetime. The number of jobs in the sector shall be maintained in both countries in spite of raising personal costs. Further cost savings should be possible by use of the innovative HSIC technology.

Ergebniszusammenfassung:

Für die DCT-Behandlung wurden verschiedene Prozessrouten verglichen, die sich durch den

Behandlungszeitpunkt und die Kühlkurven unterscheiden. Änderungen der Materialeigenschaften konnten mit allen Prozessrouten erzielt werden. Je nach Werkstoff und Zeitpunkt der DCT-Behandlung konnten unterschiedliche Effekte festgestellt werden.

Die positive Wirkung der DCT-Behandlung auf das Verschleißverhalten und die Standzeit von

Schneidwerkzeugen konnte für das Schneiden von hochfestem Stahl und das HSIC in verschiedenen Anwendungen nachgewiesen werden. Der wirtschaftliche Nutzen für die einzelnen Schneidsprozesse hängt von der Art der Werkzeugbelastung und den daraus resultierenden Verschleißmechanismen ab. Positive Effekte können vor allem erzielt werden, wenn Schneidenausbrüche aufgrund von Ermüdungseffekten und Rissbildung die Standzeit der Werkzeuge limitieren. Hier kann eine DCT-Behandlung die Standzeit signifikant erhöhen.

Als weitere hochwirksame Maßnahme zur Reduzierung der Schneidkantenausbrüche und der

Rissbildung in den Schneidwerkzeugen stellte sich das Plasmanitrieren der Werkzeuge heraus. Voraussetzung dafür ist der Einsatz von Nitrierparametern, die auf die Werkzeugwerkstoffe und die Belastungssituation der Werkzeuge abgestimmt sind. Weiterhin wurden Härtesteigerung in PVD-Schichtsystemen um bis zu 30% erreicht und Eigenspannungsänderungen an den Substratoberflächen festgestellt, wobei die Analyse mit der neuesten Laser-Speckle-Photometrie-Technik durchgeführt wurde und so die Basis für weiterführende Untersuchungen bildet.