Multifunktionale Gradientenwerkstoffe für den Werkzeugbau

Im Werkzeug- und Formenbau ist die Entwicklung von Werkzeugen mit immer komplexeren Anforderungsprofilen bei verringertem Kostenaufwand ein vorrangiges Ziel. Die Realisierung verschiedener Eigenschaften in einer Schicht wurde durch die Entwicklung von Gradientenwerkstoffen möglich. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von multifunktionalen Gradientenwerkstoffen für Spritz- und Druckgießwerkzeuge. Die Gradientenwerkstoffe sollten mit dem Laserstrahl-Auftragschweißen hergestellt werden, wobei die Materialzufuhr pulverbasiert bzw. drahtbasiert erfolgte. Verschiedene Eigenschaftskombinationen sollten mit den gradierten Schichten erreicht werden: 1. Gradientenwerkstoff, der hohe Verschleißbeständigkeit mit guter Festigkeit und Zähigkeit kombiniert (Eisenbasiswerkstoffe = martensitische Matrix mit einem hohen Karbidanteil, meist VC); 2. Gradientenwerkstoff, der hohe Wärmeleitfähigkeit mit hoher Verschleißbeständigkeit kombiniert (gradierter Schichtaufbau auf Kupfer(Legierungen), hier Cu-Ni-Cr-Al-Mischkristall mit fein verteilten Hartphasen wie Silizide, Boride, Karbide); 3. Gradientenwerkstoff, der gute Korrosionsbeständigkeit mit ausreichender Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit kombiniert (Werkzeugstähle mit hohem Cr-Gehalt, zur Oberfläche hin ansteigend). Ein neuer Ansatz ist der generative Aufbau eines Volumenkörpers aus verschiedenen Werkstoffen in Verbund- bzw. Gradientenstruktur. Die Gradientenwerkstoffe wurden auf massiven Werkzeugkernen aus Stahl und Kupferlegierungen aufgebaut, außerdem auch auf Preforms mit konturangepaßten Kühlkanälen (hergestellt mittels SLM = selektives Laserschmelzverfahren). Beim Auftragen Fe-basierter Werkstoffe auf Kupfer ist eine Bindeschicht (mit hohem Ni-Anteil, vorteilhaft: Invar-Legierung Fe33Ni) nötig. Gradientenschichten können mit soanenden Verfahren bearbeitet werden. Die Dicke der Gradientenschichten variiert zwischen 0,8 und 2 mm, die Schichtdicke pro Lage ist 0,2 bis 0,3 mm. Alle Fe-basierten Schichten sind unempfindlich gegen zyklisch Temperaturschwankungen (20 - 500 Grad C); bei Verschleißtests für den Spritzgießprozeß war ein Fe-basierter Gradientenwerkstoff resistent, ein Cu/Ni-basierter nur bedingt. Verfahrensparameter und Bearbeitungsstrategie müssen immer an die jeweilige Bauteilgeometrie angepaßt werden. Über Feldversuche mit beschichtetem Formkern für Spritz-und Druckgießen wird berichtet. Entnommen aus <a_href="http://www.fiz-technik.de/db/b_tema.htm" target="_blank">TEMA</a>