Entwicklung verschleißfester belastungsangepasster Modularwerkzeuge auf Basis keramikverstärkter Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) für Anwendungen in der Warmmassivumformung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 312033221

Werkzeuge der Warmmassivumformung unterliegen lokal hohen thermischen, mechanischen, chemischen und tribologischen Beanspruchungen, welche in der Regel als Belastungskollektiv auftreten. Die fortwährende thermische Entfestigung der Werkzeugoberfläche bei Hochtemperaturanwendungen führt zu einer Abnahme der Werkzeugfestigkeit und in Folge dessen zu einem frühzeitigen Ausfall aufgrund von Oberflächenaufweitung und plastischer Verformung. Das übergeordnete Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung von belastungsangepassten Komponenten aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) für den Einsatz in einem Massivumformwerkzeug. In dem Forschungsvorhaben werden insbesondere der pulvermetallurgische Aufbau der MMC-Komponenten sowie die Anbindung an den Kompaktwerkstoff eingehend untersucht. Weiterhin werden die Qualität und die Wirksamkeit des Aufbaus mittels praktischer Versuche validiert. Das geplante Massivumformwerkzeug zeichnet sich durch eine modulare Bauweise aus. Der Grundkörper besteht aus konventionellem Stahlwerkstoff, während die hoch belasteten Bereiche aus dem neu entwickelten MMC-Werkstoff bestehen. Der verwendete MMC-Werkstoff wird mittels pulvermetallurgischer Verfahren gefertigt und zeichnet sich durch einen schichtweisen Aufbau der keramischen Verstärkungsphase aus. Durch die gradierte Anordnung der keramischen Verstärkungsphase wird neben einem hohen Verschleißwiderstand in den oberflächennahen Bereichen zusätzlich eine gute Anbindung an den Grundwerkstoff sichergestellt. Für die Anbindung an den Grundwerkstoff werden verschiedene Fügeverfahren, wie das Aufschrumpfen und das Diffusionsschweißen, untersucht. Abschließend erfolgt eine Validierung der entwickelten Verschleißschutzmaßnahmen anhand von industrienahen praktischen Untersuchnungen. Das Forschungsvorhaben leistet somit einen Beitrag zur Herstellung eines beanspruchungsgerechten Werkzeugs modularer Bauweise für die Warmmassivumformung. Weiterhin werden wissenschaftliche Fragestellungen hinsichtlich der Herstellung gradierter keramikverstärkter Pulverbauteile, dem Fügen von Pulverbauteilen an Kompaktwerkstoffen sowie dem Verschleißverhalten dieser Bauteile im Einsatz beantwortet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen