Entwicklung und Untersuchung mechanischer Eigenschaften umformtechnisch hergestellter und thermomechanisch behandelter Schmiedewerkzeuge

Abstract

Schmiedestähle sind einem komplexen Belastungskollektiv ausgesetzt, das hohe thermische und mechanische Beanspruchungen beinhaltet. Dieses führt zu Verschleiß, plastischer Defor-mation und Rissbildung am Gesenk. Um die primären Schädigungsmechanismen Rissbildung und Verschleiß zu minimieren ist ein Kompromiss zwischen hoher Härte und hoher Zähigkeit erforderlich. Das Austenitformhärten bietet das Potential durch Kornfeinung diesen Zielkonflikt aufzulösen und eine Aufhärtung ohne Einbußen bei der Duktilität zu erreichen. Zur Ermittlung und Bewertung des Potenzials des Austenitformhärtens von Werkzeugen für die Warmmas-sivumformung wurde eine Prozesskette zur Herstellung von Gesenken entwickelt, mit dem Ziel die Standmenge zu steigern. Der Fokus lag hierbei auf Werkzeuggeometrien mit primär me-chanischer Beanspruchung, welche eine Rissbildung begünstigt. Die Untersuchungen zur An-wendbarkeit des Austenitformhärtens bei der Herstellung von Werkzeugen aus dem Warmar-beitsstahl X38CrMoV5-1 unterteilten sich in die experimentelle Ermittlung geeigneter Prozess-routen sowie die Herstellung und Prüfung einer rissanfälligen Gesenkgravur. Vergleichende mechanische Werkstoffprüfungen sowie optische Analysen der Mikrostruktur wurden zur Be-wertung der Prozesskette eingesetzt. Zunächst wurde die thermische Prozessroute an verein-fachten Stauchversuchen charakterisiert. Basierend darauf wurden mittels Austenitformhärten Näpfe mit unterschiedlichen Umformgraden hergestellt, die unter zyklischer Zug-Schwellbeanspruchung auf die Belastbarkeit in der Hohlkehle geprüft wurden. Mit den daraus abgeleiteten Umformparametern und der thermischen Prozessroute bestehend aus Erwär-mung, Abkühlung und Anlassbedingungen konnten Gesenkeinsätze hergestellt werden. An diesen wurden abschließend Standmengenuntersuchungen durchgeführt, um das Einsatzver-halten hinsichtlich thermomechanischer Ermüdungsrissbildung unter Betriebsbedingungen zu untersuchen. In den Modelluntersuchungen an der vereinfachten Napfgeometrie konnte ge-genüber einer konventionellen Herstellung eine Härtesteigerung durch das Austenitformhärten festgestellt werden, die sich allerdings nachteilig auf die Rissbeständigkeit auswirkte. Die Refe-renzproben, die nur geschmiedet und wärmebehandelt wurden erreichten eine höhere Last-spielzahl. Im Vergleich unterschiedlicher thermomechanischer Prozessrouten konnte festge-stellt werden, dass sich geringere Umformgrade und Anlasstemperaturen vorteilhaft auf die Ermüdungsbeständigkeit auswirken, aber auch zu einer geringeren Härte führen. Durch die Skalierung auf größere Gesenkeinsätze von 7 mm auf 15 mm Bodendicke ergeben sich Unter-schiede in den thermischen Ausgleichsvorgängen und damit im Umwandlungsverhalten und damit den erreichbaren Werkstoffeigenschaften. In der Erprobung in Schmiedeversuchen konnte gezeigt werden, dass durch Austenitformhärten eine signifikant höhere Lebensdauer als mit konventionell und umformtechnisch hergestellten Gesenken erreicht werden kann.