Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kryogene Wärmebehandlung zur Erhöhung der Standmengen von Biegewerkzeugen

Die Tieftemperaturbehandlung (kryogene Behandlung; DCT) metallischer Bauteile erstreckt sich auf Behandlungen in einem Temperaturbereich von -70 °C bis -196 °C. Sie wird seit vielen Jahrzehnten als ein Verfahren in der Literatur beschrieben, das es erlaubt, die Eigenschaften von Bauteilen zu verbessern und insbesondere ihre Lebensdauer zu verlängern. Dennoch hat sich die DCT noch nicht in Mitteleuropa durchgesetzt. Hier setzt CoolBend an. CoolBend fokussiert sich auf die Behandlung von Kaltarbeitsstählen für das Biegen hochfester Bleche. Abrasive und adhäsive Verschleißmechanismen führen zu kurzen Werkzeugstandzeiten und hohen Kosten für Austauschelemente. Die Werkzeugaktivteile werden aus sehr kostenintensiven Werkzeugwerkstoffen wie pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen gefertigt. Eine kostengünstigere Werkstoff-Lösung wie das DCT ist dringend erforderlich. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung von kosteneffizienten DCT-basierten Prozesskettenlösungen. Die hierfür geeigneten Wärmebehandlungsrouten für Biegewerkzeuge werden entworfen. Durch die Verknüpfung des DCT-Prozesses mit den weiteren Schritten im Werkzeugbau (Anlassen, Nitrieren, Beschichten) wird ein ganzheitlicher Ansatz umgesetzt. Die entwickelten DCT-Konzepte werden zunächst im Labormaßstab getestet und verfeinert. Anschließend erfolgt die Untersuchung unter Produktionsbedingungen. Das vorwettbewerbliche Projekt CoolBend ist wie folgt aufgebaut: Die Verbände FOSTA, EFDS, MS-AK und MPC konzentrieren ihre Arbeit auf den Wissenstransfer zwischen Forschung und wirtschaftlicher Anwendung. Die Institute IMP, CFHT und RUT arbeiten eng in den Bereichen DCT und Oberflächenbehandlung. Hier konzentriert RUT seine Forschung auf die physikalische Gasphasenabscheidung mittels Plasmaspritzen (PS-PVD). IMP wird in den Bereichen der DCT, Charakterisierung und Nitrierung arbeiten, CFHT im Bereich der DCT sowie PVD und das FhG-IWU auf dem Gebiet der Blechbearbeitung und Auswertung der Biegeprozesse.

Ergebniszusammenfassung:

Die Standmenge von Biege- und Umformwerkzeugen wird maßgeblich von den Verschleißerscheinungen in den mit dem Werkstück in Kontakt tretenden Werkzeugbereichen beeinflusst. In Abhängigkeit von den Prozessparametern, insbesondere den Werkstück- und Werkzeugeigenschaften (vor allem der umzuformenden Materialfestigkeit, die zu realisierende Bauteilgeometrie, der Adhäsionsneigung) treten unterschiedliche Verschleißerscheinungen auf, denen in unterschiedlicher Weise begegnet werden muss. Beispielsweise muss auftretenden Werkzeug-Ausbrüchen bzw. sogar dem Brechen der Biegegesenke durch erhöhte Pressenkräfte beim Umformen neuester hochfester Bleche durch eine wärmebehandlungstechnische Optimierung des Werkzeugwerkstoffes begegnet werden, während der Adhäsion von Werkstückwerkstoff durch eine Beschichtung oder eine angepasste Oberflächentopographie entgegengewirkt werden kann.

In geeigneten Grundlagenuntersuchungen konnte eine Reduktion des Abrasiv-Verschleißes von durchschnittlich 30-40% mittels 3-Rollen-Test nachgewiesen werden und auch Aussagen zur Belastungsgrenze der Werkzeugstoffe sowie der plastischen Deformation getroffen werden. In Industrieversuchen konnte dieser positive Effekt sowohl für zyklische Tieftemperaturbehandlung im Temperaturbereich von -180…+20°C als auch der DCT-Behandlung (24h bei -180°C) für verschiedene Werkstoffe bestätigt werden. Beim Biegen vom Blechwerkstoff S 400MC (Blechdicke: s= 2,0 mm) wurde im Industrieversuch mit unterschiedlichen wärmebehandlungstechnischen Varianten und in Abhängigkeit vom Werkzeugwerkstoff eine Standzeiterhöhung von bis zu 50% erzielt und der Zinkschicht-Bauteilabrieb deutlich reduziert bzw. die Bauteiloberflächenqualität deutlich verbessert.

Bei den durchgeführten Falz-Biegeprozessen von Edelstahl (1.4301, s=1,0 mm) konnte durch Integration eines zusätzlichen kryogenen Wärmebehandlungsschrittes des Werkzeugwerkstoffes das Bruchverhalten bzw. die Standzeit der Rollenwerkzeuge deutlich positiv beeinflusst werden.