Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Entwicklung eines Modellversuchs zur Nachbildung des Verschleißverhaltens für einen Hartstoff-Stahl-Verbund unter hohen Beanspruchungen

Development of a model test to simulate the wear behavior of a hard coating-steel compound under high loads
 
: Koch, Florian; Kaulfuß, Frank; Zimmer, Otmar; Kaspar, Joerg; Kirchhoff, Gunter; Zimmermann, Martina

Christ, Hans-Jürgen (Hrsg.) ; Deutsche Gesellschaft für Materialkunde -DGM-; Stahl-Institut VDEh, Düsseldorf; Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V. -DVM-, Berlin:
Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis : Tagung Werkstoffprüfung 2016, 1. und 2. Dezember, Neu-Ulm
Düsseldorf: Verlag Stahleisen, 2016
ISBN: 978-3-514-00830-4
S.279-284
Tagung Werkstoffprüfung <2016, Neu-Ulm>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IWS ()
PVD; Beschichtung; Hartstoffschicht; Ermüdungsversuch; zyklische Prüfung; Massivumformung; Plasma-PVD; Materialermüdung; hard coating; Massive Forming; Pulsating Stress Test; cyclic high-pressure test

Abstract
Werkzeuge zur Warm- bzw. Massivumformung sind erheblich mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Als Werkzeugmaterial werden u.a. hochwarmfeste Stähle eingesetzt. Diese Stähle stellen neben der thermischen und mechanischen Belastbarkeit aucheine gewisse Schadenstoleranz durch plastische Verformbarkeit bereit. Umformwerkzeuge können zusätzlich beschichtet werden, um Reibungen und Verschleiß zu minimieren und damitdie Werkzeugstandzeit zu erhöhen. Dafür können verschiedene Hartstoffschichten zum Einsatz kommen, welche in Dicken von einigen Mikrometern aufgebracht werden. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Härte und Festigkeit aus. Sie sind chemisch inert und können das Reibverhalten stark verbessern. Die hohe Härte und Festigkeit der Schichten gehen jedoch mit einer sehr geringen Verformbarkeit einher, welche in kritischen Beanspruchungsfällen zu einem Versagen der Schicht führen kann. Das ist dann der Fall, wennsich der Werkzeugstahl plastisch verformt und damit dessen Stützwirkung für die dünne Schicht verloren geht. Um die Schichteignung beurteilen zu können, wurde ein Modellversuchentwickelt, welcher die zyklische mechanische Beanspruchung des Hartstoff-Stahl-Verbundes nachbildet. Dazu wird ein beschichteter Probekörper aus einem Werkzeugstahl mittels WC-Co-Kugel zyklisch im Schwelllastbereich beaufschlagt. Die Schwingspielzahl ergibt sich aus den üblichen Umformvorgängen über die Lebensdauer des Werkzeuges und liegt im Bereich von 103 bis 107. Mit der Auswahl des Lastregimes können einersets die Ermüdungsvorgänge nachgebildet werden, welche bei geringer Schwingspielzahl noch zu keiner bleibenden Verformung des Hartstoff-Stahl-Verbundes führen. Mit zunehmender Schwingspielzahl kommt es jedoch ermüdungsbedingt zu einem Einsinken der WC-Co-Kugel. Durch Benutzung von hohen Lasten kommt es zu einem merklichen Einsinken der Kugel und einer hohen Belastung im Übergangsbereich zwischen Hartstoffschicht und Stahl, welche zu einem Versagen der Schicht führen kann. Dieses lastabhängige Einsinkverhalten hängt direkt von den Schichteigenschaften ab. Dabei ertrWerkzeuge zur Warm- bzw. Massivumformung sind erheblich mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Als Werkzeugmaterial werden u.a. hochwarmfeste Stähle eingesetzt. Diese Stähle stellen neben der thermischen und mechanischen Belastbarkeit auch eine gewisse Schadenstoleranz durch plastische Verformbarkeit bereit. Umformwerkzeuge können zusätzlich beschichtet werden, um Reibungen und Verschleiß zu minimieren und damit die Werkzeugstandzeit zu erhöhen. Dafür können verschiedene Werkzeuge zur Warm- bzw. Massivumformung sind erheblich mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Als Werkzeugmaterial werden u.a. hochwarmfeste Stähle eingesetzt. Diese Stähle stellen neben der thermischen und mechanischen Belastbarkeit auch eine gewisse Schadenstoleranz durch plastische Verformbarkeit bereit. Umformwerkzeuge können zusätzlich beschichtet werden, um Reibungen und Verschleiß zu minimieren und damit die Werkzeugstandzeit zu erhöhen. Dafür können verschiedene Hartstoffschichten zum Einsatz kommen, welche in Dicken von einigen Mikrometern aufgebracht werden. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Härte und Festigkeit aus. Sie sind chemisch inert und können das Reibverhalten stark verbessern. Die hohe Härte und Festigkeit der Schichten gehen jedoch mit einer sehr geringen Verformbarkeit einher, welche in kritischen Beanspruchungsfällen zu einem Versagen der Schicht führen kann. Das ist dann der Fall, wenn sich der Werkzeugstahl plastisch verformt und damit dessen Stützwirkung für die dünne Schicht verloren geht. Um die Schichteignung beurteilen zu können, wurde ein Modellversuch entwickelt, welcher die zyklische mechanische Beanspruchung des Hartstoff-Stahl-Verbundes nachbildet. Dazu wird ein beschichteter Probekörper aus einem Werkzeugstahl mittels WC-Co-Kugel zyklisch im Schwelllastbereich beaufschlagt. Die Schwingspielzahl ergibt sich aus den üblichen Umformvorgängen über die Lebensdauer des Werkzeuges und liegt im Bereich von 103 bis 107. Mit der Auswahl des Lastregimes können einerseits die Ermüdungsvorgänge nachgebildet werden, welche bei geringer Schwingspielzahl noch zu keiner bleibenden Verformung des Hartstoff-Stahl-Verbundes führen. Mit zunehmender Schwingspielzahl kommt es jedoch ermüdungsbedingt zu einem Einsinken der WC-Co-Kugel. Durch Benutzung von hohen Lasten kommt es zu einem merklichen Einsinken der Kugel und einer hohen Belastung im Übergangsbereich zwischen Hartstoffschicht und Stahl, welche zu einem Versagen der Schicht führen kann. Dieses lastabhängige Einsinkverhalten hängt direkt von den Schichteigenschaften ab. Dabei erträgt der Hartstoff-Stahl-Verbund bei geringeren Lasten viel höhere Flächenpressungen als der Stahl. Mit zunehmender Last nähert sich die Flächenpressung dann dem Wert des Stahls an. Eine optimale Schicht muss demnach die Verschleißbeständigkeit liefern, ohne jedoch die Abweichung im Einsinkverhalten vom reinen Stahl zu zeigen, um Ermüdung am Interface vermeiden.

 

Tools for hot or massive forming are exposed to significant mechanical and thermal stresses. As a tool material highly heat resisting steels are used. These steels provide in addition to the thermal and mechanical strength, a certain tolerance to damage by the plastic deformability. Forming tools can also be coated in order to minimize friction and wear and thus to increase the tool life. For this purpose, various hard coatings are used, which are applied in thicknesses of several micrometers. These are distinguished by their high hardness and wear resistance. They are chemically inert and can improve the friction behavior. The high hardnessand strength of the coatings are associated with a very low deformability. Critical stress cases can lead to failure of the coating, due to the plastically deformation of the tool steel at high loads and the subsequent lost of its supporting effect for the coating. In order to evaluate the suitability of the coated tool, a model experiment was developed, which simulatesthe cyclic mechanical stress on the coating-steel compound. For this purpose, a WC-Co-ball is pushed on a coated test specimen in a pulsating stress test. The number of load cycles resulting from the usual forming operations over the life of the tool and is in the range 103-107. By use of high loads, there is a significant sphere intrusion and a high stress level at the transition zonebetween hard coating and steel, which can lead to failure of the film. This load-dependent sink-in behavior depends on the coating properties.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-426723.html