Performance analyses of eroded and nitrided forging dies
Final Report Abstract
Verfahrensbedingt sind Werkzeuge der Warmmassivumformung hohen thermischen, mechanischen, tribologischen sowie chemischen Beanspruchungen ausgesetzt, die im Allgemeinen überlagert auftreten und zu unterschiedlichen Ausfallursachen der eingesetzten Werkzeuge führen. Verschleißschutzmaßnahmen ohne zusätzliche Transport- oder Beschichtungskosten kommt eine besondere wirtschaftliche Bedeutung zu. Hierzu eignet sich vor allem die verschleißbeständige schmelzerstarrte Randschicht die sich infolge einer erodiertechnischen Herstellung der Werkzeuge ausbildet. Die durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, dass sich die verschleißbeständige Randschicht bei unterschiedlichen Warmarbeitsstählen ausbildet und das feinkörnige martensitische Gefüge keinen Einfluss auf eine zusätzliche Nitrierbehandlung hat. Folglich können bestehende Nitrierprozesse übernommen werden und unterschiedlich hergestellte Werkzeuge in derselben Charge behandelt werden. Die Bewertung des Einsatzverhaltens sowie die Analyse des resultierenden Eigenspannungstiefenprofils erfolgte prozessbegleitend zu umfangreichen Serienschmiedeversuchen mit einem thermomechanischen hochbelasteten Gesenk. Durch Analyse der Eigenspannungstiefenprofile die in kleinen Messintervallen zerstörend aufgenommen wurden, konnte nachgewiesen werden, dass sich der Zugeigenspannungszustand in der Randschicht erodierter Werkzeuge durch die hohen Prozesstemperaturen und Beanspruchungen des Schmiedeprozesses innerhalb der ersten Schmiedezyklen verändert und Spannungsspitzen schnell abgebaut werden. So werden die maximalen Spannungen in den ersten 10 Schmiedezyklen halbiert und im weiteren Verlauf der Schmiedezyklen in einen Druckeigenspannungszustand überführt. Dieser Wandel vollzieht sich vermutlich mit Erreichen des stationären thermischen Zustands, der prozessabhängig zumeist zwischen 100 und 200 Zyklen erreicht wird. Die Analyse des Einsatzverhaltens bestätigte das hohe Potential erodierter Werkzeuge auch für den Warmarbeitsstahl 1.2343. Im Vergleich zu gedrehten Werkzeugen konnte die Geometrieabweichung nach 1000 Schmiedezyklen um ca. 40 % reduziert werden. Eine zusätzliche Nitrierung führte zu einer zusätzlichen Verbesserung des Einsatzverhaltens, da hierdurch vor allem die thermische Stabilität im thermisch hochbelasteten Radius verbessert werden konnte. Infolge einer 200 µm tiefen Nitrierung konnten plastische Deformationen des Radius vollständig vermieden werden. Um die Wirksamkeit der Verschleißbeständigkeit für einen großen Kreis industrieller Werkzeuge zu qualifizieren wurden zusätzlich tribologisch hochbelastete Werkzeuge im Serienschmiedeversuch eingesetzt und das Einsatzverhalten analysiert. Vorab wurde eine umfangreiche numerische Belastungsanalyse durchgeführt um lokal unterschiedliche Beanspruchungen bewerten zu können. In den Pre-Prozessor wurden die ermittelten temperatur- und topographieabhängigen Reibwerte implementiert, die für unterschiedliche Werkzeugtopographien unter Variation der Werkstücktemperatur in einem Bereich von 600 – 1200 °C im Ringstauchversuch nach Avitzur ermittelt wurden. Die numerisch ermittelten Verschleißbeträge nach 500 Schmiedezyklen wiesen eine gute Übereinstimmung mit den realen Abweichungen auf, die durch optische Vermessung und Geometrievergleich mit der Ausgangsgeometrie gewonnen wurden. Die Analyse des Einsatzverhaltens erodierter und nitrierter Werkzeuge unter hoher tribologischer Belastung bestätigte das hohe Potential dieser Verschleißschutzmaßnahme. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Abrasivverschleiß erodierter Werkzeuge nach 500 Schmiedezyklen ca. 20 % geringer ist, als der gedrehter Werkzeuge. Auch nach 500 Schmiedezyklen kann die Erodierschicht durch metallografische Schliffe in weiten Bereichen der Gesenkgeometrie nachgewiesen werden. Durch eine zusätzliche Nitrierung kann die Verschleißbeständigkeit weiter gesteigert werden, da die applizierte Nitrierung in den Bereichen in denen die Erodierschicht abgetragen wurde als zusätzlicher Verschleißschutz fungiert und nicht das verhältnismäßig weiche Grundmaterial an die Oberfläche kommt. Die durchgeführten Analysen sowohl an thermomechanisch als auch an tribologisch hochbelasteten Werkzeugen zeigen, dass es für eine große Bandbreite industrieller Schmiedegesenke eine wirtschaftliche Alternative darstellt, dass etablierte Gesenkherstellverfahren zu überdenken und zu einer erodiertechnischen Herstellung vorgedrehter oder vorgefräster Werkzeuge zu wechseln. Bestehende Nitrierprozessparameter können dabei beibehalten werden, um die Verschleißbeständigkeit gegen plastische Deformation oder den Schutz abrasiv abgetragener Gravurbereiche zusätzlich zu steigern.
Publications
- Verschleißfeste Randzonen durch angepasste Nitrierbehandlungen modifizierter Werkstoffe und Herstellprozesse von Schmiedewerkzeugen. 22. Umformtechnisches Kolloquium 15.-16.03.2017, Hannover 2017
Paschke, H.; Behrens, B.-A.; Brunotte, K.; Puppa, J.
- Verschleißschutzmaßnahmen an Schmiedegesenken auf Basis werkstoffseitiger und fertigungsinduzierter Einflussfaktoren in Kombination mit angepassten Nitrierbehandlungen. Tagungsband zur 5. VDI Fachtagung, 22.-23.02.2017, Düsseldorf, 2017
Behrens, B.-A.; Brunotte, K.; Puppa, J.
- Adapted diffusion processes for effective forging dies. AIP Conference Proceedings ESAFORM 2018, 23.-25.04.2018 Palermo, Italien
Paschke, H.; Nienhaus, A.; Brunotte, K.; Petersen, T.; Siegmund, S.; Lippold, L.; Mejauschek, M.; Landgraf, P.; Braeuer, G.; Behrens, B.-A.
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.5034870) - Adapted diffusion processes for effective forging dies. Vortrag ESAFORM 2018, 23.- 25.04.2018 Palermo, Italien
Paschke, H.; Nienhaus, A.; Brunotte, K.; Petersen, T.; Siegmund, S.; Lippold, L.; Mejauschek, M.; Landgraf, P.; Braeuer, G.; Behrens, B.-A.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5034870)
