Verbundringwalzen - Methode zur Herstellung nahtloser Verbundringe auf einem Radial-Axial Ringwalzwerk

• Antragsteller: Dr.-Ing. David Bailly, seit 7/2024
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284309777

Beim Verbundringwalzen werden zwei konzentrisch angeordnete metallische Ringe im warmen Zustand gemeinsam aufgewalzt, um ähnlich dem Walzplattieren einen materialschlüssigen Verbund zwischen dem Innen- und Außenring herzustellen. Auf diese Weise können nahtlose Ringe erzeugt werden, die durch ihre Materialwahl auch ggf. widersprüchlichen Anforderungen von Bauteilen gerecht werden.Das Ziel der ersten Förderperiode, ein grundlegendes Verständnis für die komplexen Zusammenhänge der Geometrie- und Prozessparameter zu entwickeln wurde erreicht. Dazu wurde ein geregeltes Finite Elemente (FE) Ringwalzmodell um eine Routine zur Berücksichtigung von Verbundbildung und -trennung zwischen Bauteilen erweitert und diese mittels eines Grundversuchs zur Ermittlung des Verbundbildungsverhalten von zwei Werkstoffen kalibriert. Für einen 1.7335 Edelbaustahl Innenring und einen 1.4401 Edelstahl Außenring wurden in der Simulation zu Beginn des Prozesses ein Auftrennen der Ringe und zu Prozessende die Bildung einer unsymmetrischen Fügelinie ermittelt, die zu einem nicht als erfolgreich zu beurteilenden Verbundring führen. Die Ursache dieser Effekte und Maßnahmen zur Vermeidung wurden erarbeitet.Die o.g. Werkstoffkombination weißt einen großen Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen Innen- und Außenring sowie die Bildung einer oxidischen Deckschicht durch den Edelstahl auf. In Experimenten wurde festgestellt, dass diese selbst bei günstigen Prozessbedingungen eine Verbundbildung zwischen den Ringen erschweren, sodass nur eine geringe Anzahl Verbundringe erfolgreich erzeugt wurden. Die erzeugten Verbunde wurden elektronenmikroskopisch sowie mechanisch untersucht, wobei Festigkeiten größer als die Zugfestigkeit des weicheren Werkstoffs für den Verbund festgestellt wurden.Auf Basis dieser Erkenntnisse ist das Ziel der 2. Förderperiode, die Herstellung von materialschlüssigen Verbunden zwischen Ringen unterschiedlicher Werkstoffe zuverlässig zu ermöglichen. Anhand von 3 unterschiedlichen Werkstoffkombinationen wird der erschwerende Einfluss der o.g. Effekte im Detail untersucht. Durch Modellversuche wird das erweiterte FE Modell für die jeweiligen Kombinationen kalibriert und mittels eines Design of Experiments jeweils bestmögliche Prozessparameter für Walzungen sowohl für Wanddickenverhältnisse zwischen Innen- und Außenring von 1:1 als auch in Hinblick auf mögliche Anwendungen mit einem minimalen Anteil des teureren Werkstoffs ermittelt. Walzexperimente liefern einen Nachweis der Reproduzierbarkeit des Prozesses für alle ausgelegten Kombinationen. Weiterhin wird der Einfluss nachfolgender Wärmebehandlungen auf die Festigkeit der erzeugten Verbunde untersucht. Abschließend sollen die gesammelten Erkenntnisse aus beiden Förderperioden dazu verwendet werden, Verbundringe einer 4. Werkstoffkombination aus dem Wälzlagerwerkstoff 100Cr6 und dem Edelstahl 1.4401 mit Blick auf den Anwendungsfall eines Wälzlagers herzustellen und im Detail zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Hirt, bis 6/2024