Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung technologischer Eigenschaften durch Kryobehandlung von Werkzeugstählen

Bei der Wärmebehandlung von hochlegierten Werkzeugstählen ist die Kryobehandlung, d.h. Herunterkühlen des Werkstücks auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs, eine seit langem kontrovers diskutierte, mit wechselndem Erfolg in unterschiedlicher Weise eingesetzte Zusatzbehandlung, um Verschleißfestigkeit und Zähigkeit von Werkzeugen zu verbessern. Ursache für diese Kontroversen sind Einzeluntersuchungen an einer Vielzahl verschiedener Werkstoffe und unterschiedliche Verschleißtests sowie der sehr unterschiedliche Werkzeugeinsatz. Weiterhin sind die eigentlichen Mechanismen im Stahl teilweise ungeklärt, teilweise existieren Hypothesen, die einer Überprüfung harren. Das zusammen führt dazu, dass sich das Verfahren gerade im Bereich der Lohnwärmebehandlung, die vielfach durch KMU besetzt ist, nur ganz vereinzelt etabliert hat und deshalb die Potenziale für die Werkzeuganwender nicht hinreichend genutzt werden.

In einer Kombination aus wissenschaftlich fundierter Wärmebehandlungstechnik und metallkundlichen Untersuchungsverfahren, u. a. mit in-situ Untersuchung der mikroskopischen und submikroskopischen Vorgänge während der Wärmebehandlungsschritte inklusive Kryobehandlung werden diese Hypothesen überprüft und gleichzeitig nach dem Stand der Technik Proben erzeugt. Dabei sollen vor allem die Umwandlungs- und Ausscheidungsvorgänge während der Kryobehandlung röntgenographisch, kalorimetrisch und hochaufgelöst elektronenmikroskopisch verfolgt werden. Die so erzeugten Proben werden, gleichfalls wissenschaftlich fundiert, Verschleißtests und mechanischen Prüfungen inklusive Ermüdungsversuchen unterzogen. Begleitet durch Stahlhersteller, Wärmebehandler und Anwender soll so ein Wissenstand erzeugt werden, der die Mechanismen zum großen Teil aufklärt. Damit wird der Praxis ein Instrument zur Hand gegeben, das es erlaubt, die kontroverse Diskussion besser zu führen und die Varianten der Kryobehandlung zweckentsprechend und zielorientiert für hochlegierte Werkzeuge einzusetzen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurden die Auswirkungen einer Kryobehandlung auf die Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften und die Verschleißfestigkeit der hochlegierten Werkzeugstähle X38CrMoV5-3 (Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (ESU)), X153CrMoV12 (Pulvermetallurgie (PM) und Schmelzmetallurgie (SM)) und ~X190CrVMo20-4 (PM) untersucht. Die Vergütungsparameter der Proben für die mechanischen Untersuchungen und die der Verschleißproben wurden auf Basis der Anlasskurven so gewählt, dass sowohl für die konventionell wärmebehandelten als auch die kryobehandelten Proben eine ähnliche Härte vorlag. Obwohl ein feineres, martensitisches Gefüge und eine homogenere Verteilung von Sekundärkarbiden beim X38CrMoV5-3 durch die Einbeziehung einer Tiefsttemperaturbehandlung in die konventionelle Wärmebehandlung erreicht wurde oder eine erhöhte Menge und eine homogenere Verteilung von Sekundär- und Nanokarbiden bei den Stählen X153CrMoV12 und ~X190CrVMo20-4 der Kryobehandlung zugeschrieben werden konnte, wurden keine Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften und bei diversen Verschleißuntersuchungen (Schleifpapierverfahren, Verschleißtopf und Kavitationserosion) festgestellt. Die Verschleißbeständigkeit der hochlegierten Werkzeugstähle hängt in erheblichem Maße von den Primärkarbiden und der Makrohärte ab, weniger von den Sekundär- oder Nanokarbiden. Sowohl durch eine Kryobehandlung als auch durch ein dreimaliges Anlassen bei hohen Temperaturen wurde eine nahezu vollständige Umwandlung des Restaustenits in Martensit in den kleinen Proben erreicht. Eine Kryobehandlung bei Werkzeugkomponenten mit großen Wanddicken würde sich positiv auswirken, da eine gleichmäßige und vollständige Umwandlung des Restaustenits über den gesamten Querschnitt erzielt wird. Dem Anwender erlaubt dies, die Technologie der Tiefsttemperaturbehandlung besser einzuschätzen und dadurch gezielter einzusetzen, wodurch verbesserte Ergebnisse erreicht oder Kosten gespart werden können.