Drahtwalzen mit Werkzeugen aus Siliziumnitrid

Für die Umformtechnik, insbesondere für Walzen, gewinnt der Einsatz von keramischen Werkstoffen auf Basis von Siliciumnitrid an Bedeutung. Um die Einsatzfähigkeit von Keramikkomponenten zu hohen Belastungen zu erweitern, wurden in dieser Arbeit grundlegende Untersuchungen durchgeführt und Modelle der Schädigungsentwicklung von keramischen Drahtwalzen erarbeitet. Hierfür wurden experimentelle und numerische Untersuchungen zum Kaliber-Drahtwalzen durchgeführt. Die numerischen Untersuchungen basieren auf Finite-Elemente- Methode (FEM) Simulationen. Hierbei wurde der Einfluss wasserbasierter Kühlschmierstoffe und hoher Temperaturen auf den Walzprozess untersucht. Die aus den numerischen Simulationen des Walzens resultierenden Spannungsverteilungen und Spannungskonzentrationen wurden mit dem Auftreten von Schädigungen der Keramikproben bei den durchgeführten Versuchen qualitativ verglichen und korreliert. In Ergänzung zu den Walzversuchen wurden in Wälzkontaktversuchen die tribochemischen und tribomechanischen Verschleißeigenschaften sowie die Kontaktermüdung von Siliciumnitrid- Keramiken untersucht. Für die Verschleißsimulationen wurden die Ergebnisse der Wälzkontaktversuche und der nachfolgenden Analysen zur Parametrisierung eines Verschleißmodells verwendet. In dieser FE-Modellierung wurde die verschleißbedingte Geometrieänderung der Keramikwalzen über eine Implementierung der Geometrieentwicklung berücksichtigt. Darüber hinaus wurde die Verschleißanalyse auf Drahtwalzen erweitert. Gemeinsam mit der Projektgruppe ""Walzensysteme"" des Sonderforschungsbereichs 483 wurden auf Basis der erarbeiteten Ergebnisse konstruktive Gestaltungsregeln für Walzprozesse erstellt, bei denen Werkstoffeigenschaften, keramikgerechte Konstruktion für das Walzendesign sowie Parameter für eine effizientere Gestaltung von Walzprozessen berücksichtigt werden. Weiterhin wurden Möglichkeiten für eine gezielte Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften hinsichtlich der mechanisch-thermischen Belastbarkeit, sowie der Beständigkeit gegen Reibermüdung, Kontaktschädigung und Verschleiß, bis hin zu einer Modellierung der Ausfallwahrscheinlichkeit erarbeitet.