Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Auslegungskonzeptes für mehrachsig beanspruchte Werkzeuge aus karbidreichem Werkzeugstahl für den Anwendungsfall Kaltarbeit

Durch die kontinuierliche Optimierung von Werkzeugstählen konnte die Standzeit derart gesteigert werden, dass die Schwingfestigkeit mittlerweile ein versagensrelevantes Kriterium darstellt. Jedoch mangelt es an Wissen darüber, wie sich Beanspruchungs- und Gefügevariationen auf die Ermüdungsfestigkeit auswirken und wie Werkzeuge in Hinblick auf eine mehrachsige Ermüdungsbeanspruchung auszulegen sind. Deshalb zielt das Forschungsvorhaben auf die Entwicklung eines Auslegungskonzeptes für mehrachsig beanspruchte Werkzeuge aus karbidreichem Werkzeugstahl für den Anwendungsfall Kaltarbeit.

Exemplarischer Untersuchungsgegenstand sind ein karbidreicher sowohl Kalt- als auch Schnellarbeitsstahl. Im Rahmen umfangreicher statistisch abgesicherter, experimenteller Untersuchungen, wird die Ermüdungsfestigkeit unter systematischer Variation des Gefüges, der Beanspruchungsart und der statischen Vorlast quantifiziert. Ferner werden mittels metallographischer und fraktographischer Analysen Erkenntnisse über den Gefügeeinfluss gewonnen. Eine analytische Aufbereitung der experimentellen Ergebnisse erlaubt den Werkstoffwiderstand unter Berücksichtigung der statistischen Streuung sowie des Mittelspannungseinflusses zu beschreiben. Dies ist Grundlage für die Entwicklung eines werkstoffspezifischen Auslegungskonzeptes und ermöglicht es, die quadratische Versagenshypothese QVH, hinsichtlich ihrer Eignung für Kalt- und Schnellarbeitsstahl zu bewerten. Die Verifikation des Auslegungskonzeptes erfolgt durch diverse mehrachsige Prüfungen, deren Ergebnis der berechneten Lebensdauer gegenübergestellt wird.

Die Anwender von Werkzeugstahl beheimaten viele klein- und mittelständische Unternehmen. Die Nutzung eines wissenschaftlich abgesicherten Auslegungskonzeptes sowie das Zurückgreifen auf relevante Werkstoffkenngrößen würde eine große Bereicherung darstellen, da Werkzeuge zuverlässiger auslegbar sind ohne zeit- und kostenintensive Versuche zu Werkstoffkennwerten durchführen zu müssen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden statistisch sehr gut abgesicherte Wöhlerlinien unter Umlaufbiegung für einen KÄS und SAS (Herstellung über PM sowie Blockguss in Längs- und Querrichtung) mit und ohne optionaler Randschichtnitrierung geprüft. Zudem wurden für die PM-Werkstoffe Wöhlerlinien unter Axial- und Torsionsbelastung (R=-1, R=0) zur Konstruktion von Haigh-Diagrammen sowie unter mehrachsiger Belastung (Axial R = - unendlich, Torsion R=-1 überlagert, in Phase) zur Validierung eines neuen Auslegungskonzeptes geprüft. Unter der mehrachsigen Belastung wurden neben zylindrischen Proben zusätzlich ein werkzeugähnlicher Schneckenextruder und Spiralbohrer geprüft und parallel ein neues, mehrachsiges Auslegungskonzept entwickelt und anhand der experimentellen Daten validiert. Außerdem erfolgten für diese Werkstoffe bruchmechanische Versuche (R=0,75, R=0,5, R=0,25, R =0,1).

Für die Ermüdung spielt hauptsächlich die Defektgröße (Einschluss- und Karbidgröße) eine Rolle und stellt den primären, dominanten Einflussfaktor dar. Plasma-Nitrieren mit reiner Diffusionsschicht kann effektiv die Schwingfestigkeit karbidreicher Werkzeugstähle verbessern, jedoch stark abhängig von der Defektgröße. Nitrieren kann zielführend zur Verbesserung der Schwingfestigkeiten von Werkzeugen eingesetzt werden.

Das neue Auslegungskonzept mit der QVH konnte erfolgreich entwickelt und angewendet werden. Jedoch zeigen sowohl die Ergebnisse von NH, SH, GEH als auch von QVH, SIH und FKM teilweise starke Abweichungen zu den experimentellen Prüfwerten. Besonders für komplex-gekerbte Werkzeuge muss die Treffsicherheit verbessert werden, wofür eine exaktere Beschreibung der Mittelspannungsempfindlichkeit im Haigh-Diagramm notwendig ist. Das mehrachsige Auslegungskonzept kann (besonders mit verbesserter Treffsicherheit) in Zukunft zu einer genaueren Vorhersage der mehrachsigen Schwingfestigkeiten und damit der Standzeiten von Werkzeugen beitragen und von KMU im Bereich des Werkzeugbaus gewinnbringend angewendet werden.