Entwicklung eines optimierten Kühl-/Schmierkonzeptes für keramisch beschichtete Umformwerkzeuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Erhöhung der Lebensdauer keramisch beschichteter Schmiedewerkzeuge ist das Verständnis über das Abkühlverhalten der Werkzeuge beim Schmieden von entscheidender Bedeutung. Schlagartige Temperaturwechsel, welche die Rissbildung in keramischen Beschichtungen begünstigen, sollten im Schmiedeprozess auf ein Minimum reduziert werden. Dazu wurde ein möglichst schonender Abkühlprozess ausgelegt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Werkzeuge mit keramikbasierten Schichtsystemen aus einer Mehrlagenschicht TiN-TiCN-TiC sowie einer gradierten, borhaltigen Monolagenschicht TiN-TiB2 untersucht. Um eine gezielte Steuerung des Abkühlprozesses zu ermöglichen, wurde der Kühlschmierprozess nach seinen Funktionen in zwei unabhängig voneinander ablaufende Vorgänge, Kühlen und Schmieren, getrennt und einzeln entwickelt. Neben der Beeinflussung des örtlich und zeitlich erzielbaren Temperaturverlaufs konnte durch die funktionale Trennung die Gesenkschmierung mittels elektrostatischer Pulverauftragung in den Schmiedeprozess automatisiert eingebunden und untersucht werden. Das elektrostatische Schmieren durch pulverförmiges Bornitrid erwies sich dabei gegenüber der konventionellen Schmierung mittels Wasser-Graphit-Suspension aufgrund der Verminderung von adhäsiven Materialablagerungen auf den Werkzeugoberflächen als vorteilhaft. Im Hinblick auf das Abkühlverhalten der Werkzeuge konnte gezeigt werden, dass durch mögliche Kombinationen der Parameter Sprühdruck und Sprühdauer die Werkzeugkühlung gezielt angepasst werden kann und somit ein schonender Kühlprozess realisierbar ist. Die Werkzeugtemperatur kann bereits durch geringe Sprühmittelmengen entscheidend reduziert werden. Hohe Abkühlgradienten werden durch niedrige Sprühdrücke und geringe Sprühdauern vermieden, wobei der Sprühdruck einen größeren Einfluss auf den Abkühlgradienten hat als die Sprühdauer. Beim Vergleich des Abkühlverhaltens der Werkzeugvarianten untereinander konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Durch die maßgebliche Reduzierung der Abkühlgradienten wurde eine Verbesserung des Verschleißverhaltens erzielt. Anhand lichtmikroskopischer, metallografischer und taktiler Untersuchungsmethoden konnten verschiedene, durch den Schmiedeprozess bewirkte Schädigungen an den Modellwerkzeugen nachgewiesen werden. Durch die Anpassung des Abkühlverhaltens wurde die durch Thermoschock verursachte Rissbildung in den keramischen Schichtsystemen minimiert bzw. sogar komplett unterdrückt. Im letzteren Fall führte eine weitere Senkung der Abkühlparameter im Prozess zu einer deutlichen Erhöhung der stationären Werkzeuggrundtemperatur, wodurch sich eine zunehmende, durch Anlasseffekte bedingte plastische Verformung der thermisch und mechanisch hoch belasteten Werkzeuggravur ergab.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Abkühlverhalten nitrierter und keramisch beschichteter Schmiedewerkzeuge. wt Werkstattstechnik online, Jg. 104, Ausgabe 10, S. 686-690, 2014
Behrens, B.-A.; Puppa, J.; Menze, J.
