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Neue Konzepte zur Verschleißreduzierung bei Werkzeugen der Warmmassivumformung

New concepts on the wear reduction in tools of hot forging
 
: Paschke, H.; Weber, M.; Yilkiran, T.

Tribologie und Schmierungstechnik 62 (2015), Nr.2, S.61-66
ISSN: 0724-3472
ISSN: 0036-6218
Deutsch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IST ()
Schmiedegesenke; Verschleiß; Plasmanitrierung; Hartstoffbeschichtung; partielle Behandlung; Topografie; forging dies; wear; plasma nitriding; Hard coatings; locally adapted treatments; topography

Abstract
The economic efficiency of applications in the field of hot forging is mainly driven by their accessible tool life. During production, these tools are exposed to very complex stress conditions which are additionally appearing in locally varying situations. Typically thermal loads (billet temperatures up to 1250 °C), thermal cycling (cooling lubrication with water-graphite mixtures) and mechanical stress components are occurring depending on the die geometry, the contact conditions between workpiece material, the material flow and the spray cooling conditions. The observable wear shows very diverse and often difficult to interpret patterns, which include, in addition abrasive and adhesive phenomena and plastic deformations, cracks and material failures as well. In the context of several research projects it was possible to develop model tests in order to isolate the specific wear mechanisms. After analysis of the respective wear with new methods some innovative approaches to reduce wear were derived: Thermal overloads require treatments capable to reduce the consequent loss of hardness of the used hot working steels. This is possible, for example, by intensive nitriding, which on the other hand can lead to a lower thermal shock resistance of the base material and increases the crack sensitivity of the tools III. Tribological wear (abrasion / adhesion) caused from material transfer processes can be effectively reduced by hard coatings. With localized combination treatments consisting of plasma nitriding and hard coatings which are adapted to the predominant stress component significant wear reductions can be proved /2/. Other new approaches consider tribologically adapted tool topography and modifications of the edge zone by mechanical conditioning.

 

In Anwendungen der Warmmassivumformung sind Maßnahmen zur Standmengensteigerung der eingesetzten Werkzeuge von zentraler wirtschaftlicher Bedeutung. Im Produktionsprozess sind diese Werkzeuge sehr komplexen Belastungskollektiven mit lokal sehr unterschiedlichen Ausprägungen ausgesetzt. Typisch sind die thermischen (Rohteiltemperatur bis 1250 °C), thermozyklischen (Kühlschmierung mit Wasser-Grafit-Gemischen) und mechanischen bzw. tribologischen Belastungskomponenten, die abhängig von der jeweiligen Gesenkgeometrie, den Kontaktbedingungen zum Werkstückmaterial, dem Materialfluss und der Sprühkühlung auftreten. Die zu beobachtenden Verschleißbilder zeigen dabei sehr vielfältige, teilweise schwer zu interpretierende Muster, die neben abrasiven und adhäsiven Erscheinungen auch plastische Verformungen, Rissbildungen, Materialausbrüche usw. beinhalten. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte ist es gelungen, einige Vorgänge durch Modellversuche in Serienschmiedeversuchen isoliert zu betrachten und den jeweiligen Verschleiß mit neuen Methoden zu analysieren, um darauf basierend neue Ansätze zur Verschleißreduzierung abzuleiten: Thermische Überlastungen erfordern Maßnahmen, die den durch thermische Entfestigung bedingten Härteverlust der verwendeten Warmarbeitsstähle verringern können. Dies ermöglicht z. B. eine intensive Nitrierung, die jedoch zu einer geringeren Thermoschockbeständigkeit des Grundmaterials und einer Erhöhung der Rissempfindlichkeit der Werkzeuge führen kann /1/. Durch den Materialtransfer bedingter, tribologischer Verschleiß (Abrasion/Adhäsion) lässt sich effektiv durch Hartstoffbeschichtungen verringern. Mit lokalisierten und an die jeweils vorherrschenden Beanspruchungskomponenten angepassten Kombinationsbehandlungen aus Plasmanitrierung und Hartstoffbeschichtung lassen sich deutliche Verschleißreduzierungen nachweisen /4/. Weitere neue Ansätze betrachten auch eine gezielt auf das Tribosystem Werkzeug-Werkstück angepasste Topografie sowie weitere Modifikationen der Randzone durch mechanische Konditionierung.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-352418.html