Beschreibung
P 1322 – Entwicklung eines Auslegungskonzepts für mehrachsige beanspruchte Werkzeuge aus karbidreichem Werkzeugstahl für den Anwendungsfall Kaltarbeit
Für Kaltarbeitsanwendungen werden karbidreiche, hochlegierte Werkzeugstähle sehr häufig als Schneid-, Stanz-, Kaltumform- oder Presswerkzeuge verwendet. Zur Steigerung der Effizienz und Produktivität von Umformprozessen müssen die Lebensdauern von Kaltarbeitswerkzeugen sukzessive erhöht werden. Die spezifische Entwicklung von karbidreichen, hochverschleißbeständigen Legierungen hat über die letzten Jahrzehnte die Standzeiten bzw. Standmengen von Kaltarbeitswerkzeugen immer weiter gesteigert, sodass oft mehrere Millionen Belastungszyklen (oder mehr) im Betrieb eines Werkzeugs erreicht werden können.
Das breite Anforderungsprofil an Werkzeugstähle erweitertet sich daher um einen zusätzlichen, entscheidenden Faktor: die zyklischen Festigkeiten bzw. Ermüdungsfestigkeiten hochkarbidhaltiger Werkzeugstähle. Besonders der Werkzeugbau und die -anwender sind in Deutschland stark klein- und mittelständisch (KMU) organisiert und würden von erhöhten Werkzeugstandmengen, einem grundlegenden, statistischen Verständnis der Einflussfaktoren auf die Schwingfestigkeit und einer verbesserten, zielgerichteten Konstruktion und Auslegung von Kaltarbeitswerkzeugen profitieren. Einerseits kann die Attraktivität und hohe Qualität Ihrer Produkte dadurch weiter gesteigert werden und andererseits entstehen neue, innovative Potentiale für KMU bei der Neu und Weiterentwicklung von spezifischen Kaltarbeitswerkzeugen. Für die Hersteller von Werkzeugstählen in Deutschland entstehen ebenfalls dynamische Möglichkeiten und neue Potentiale auf dem Gebiet der gezielten Legierungsentwicklung von Werkzeugstählen mit verbesserten zyklischen Festigkeiten und Verschleißeigenschaften.
Insgesamt kann hier ein signifikanter Beitrag zur Aufrechterhaltung und Steigerung der Konkurrenzfähigkeit insbesondere der deutschen KMU auf den europäischen und internationalen Märkten geleistet werden. Die deutschen KMU im industriellen Anlagen- und Werkzeugbau bündeln einen Großteil der Erfahrung sowie des Wissens zur Auslegung und Konstruktion von Werkzeugen und Werkzeugstählen, wobei sich diese meistens nicht an standardisierten Normen oder Auslegungswerken, z.B. die FKM-Richtlinien [1, 2, 3] oder die DIN EN ISO 4957 [4], orientieren, wie sonst im Maschinenbau typisch, sondern meistens auf langjährig aufgebauten Erfahrungswerten und Praxis-Testreihen beruhen. Zudem existieren keine auslegungsrelevanten Bemessungsgrößen oder zyklischen (und statische) Kennwerte für Werkzeugstähle in Normen oder Richtlinien.
Werkzeugstahl ist die am häufigsten eingesetzte Werkstoffgruppe im Bau von Kaltarbeitswerkzeugen und unterliegt einem sehr breiten Anforderungsprofil. Dabei dominieren die Anforderungen hohe Härte, Verschleißwiderstand und Festigkeit (wird über die Wärmebehandlung sowie den Hartphasengehalt und -typ eingestellt), ausreichend gute Zähigkeit sowie unter Umständen für spezifische Anwendungen auch zusätzlich gute Warmhärte, Anlassbeständigkeit und Korrosionswiderstand. In der Praxis muss dabei erfahrungsgemäß immer ein Kompromiss eingegangen werden, um für jeden individuellen Anwendungsfall die geeignete Balance zwischen diesen unterschiedlichen, teils gegensätzlichen Anforderungen zu realisieren. Für Werkzeugbauer und -konstrukteure ergeben sich über die chemische Legierungszusammensetzung, die Herstellungsroute (Blockguss, Strangguss, Pulvermetallurgie), konstruktive Anpassungen der Geometrie und die folgende Wärmebehandlung vielfältige Möglichkeiten zur Einstellung spezifischer Gefüge und Werkzeugeigenschaften, worüber maßgeblich die Werkzeugstandmengen bestimmt werden.
Auf Grund der kontinuierlichen Weiterentwicklungen im Bereich der Werkzeugstähle sind mittlerweile Verschleiß oder Korrosion oft nicht mehr lebensdauerbestimmend und bei gewünschten Standzeiterhöhungen richtet sich der Fokus für KMU und Stahlhersteller verstärkt auf das bisher eher unbedeutende Kriterium Schwingfestigkeit, wobei Werkzeuge betriebsbedingt oft nicht-proportional mehrachsigen Ermüdungsbelastungen (veränderliche Hauptspannungsrichtungen) ausgesetzt sind. Aktuell fehlt es an grundlegendem Verständnis welche Faktoren, z.B. Mehrachsigkeit, Mikrostruktur und Belastungsart, konkret die Schwingfestigkeit von Werkzeugstählen beeinflussen. Es mangelt an experimentellen Untersuchungen und einer statistischen Absicherung von Schwingfestigkeitswerten.
Eine sachgerechte Werkzeugauslegung nach Ermüdungskriterien würde für deutsche Werkzeughersteller und -konstrukteure, in einer effizienteren Werkstoffausnutzung und einer optimierten Lebensdauereinschätzung und -vorhersage resultieren sowie eine gezielte Werkstoffweiterentwicklung nach Ermüdungskriterien erlauben. Zukünftig könnte eine statistisch abgesicherte, umfangreiche Datenbasis an Schwingfestigkeitswerten für karbidreiche Werkzeugstähle in entsprechende Normen, Berechnungs- und Auslegungswerke überführt und zur wissenschaftlichen Werkzeugkonstruktion verwendet werden. In diesem Forschungsprojekt werden daher zwei grundlegende Fragestellungen fokussiert:
- Wie wirken sich allgemein Beanspruchungs- und Gefügevariationen quantitativ auf die Schwingfestigkeit von hochkarbidhaltigen Werkzeugstählen aus?
- Auf Grundlage welcher Werkstoffkennwerte und unter Verwendung welcher Versagenshypothesen müssten Kaltarbeitswerkzeuge im Hinblick auf eine nichtproportional mehrachsige Ermüdungsbeanspruchung ausgelegt werden?
Ein Kaltarbeits- und ein Schnellarbeitsstahl werden in der zugrundeliegenden Versuchsmatrix unter einachsigen Ermüdungsbeanspruchungen und systematischer Gefüge- und Belastungsvariation geprüft. Zum bruchmechanischen Verständnis der Ermüdung werden zusätzlich Schwellwert, Langrissfortschritt im Paris-Bereich und die Bruchzähigkeit dieser Werkstoffe analysiert. Die so erhaltenen, zyklischen Werkstoffkennwerte dienen als Grundlage für die Entwicklung eines simulativen Auslegungsansatzes für nicht-proportional mehrachsig, synchron beanspruchte Werkzeuge mit der Quadratischen Versagenshypothese (QVH). Bei nicht-proportional mehrachsigen Belastungen (z.B. unterschiedliche Formen der Schwingbelastungen oder verschiedene statische Mittelspannungen, Frequenz- oder Phasenverschiebungen) müssten im Gegensatz zur proportional mehrachsigen Belastung sowohl betragsmäßig variierende Hauptspannungen als auch wechselnde Hauptspannungsrichtungen explizit durch eine erweiterte Versagenshypothesen, z.B. QVH [5–8, 9–12] oder SIH [13–20], berücksichtigt werden. Zur Validierung des neuen Auslegungsansatzes werden die Ergebnisse der QVH mit denen der Schubspannungsintensitätshypothese (SIH), der FKMRichtlinie [1, 3] sowie der zwei- und dreiachsigen Normalspannungshypothese (NH), Schubspannungshypothese (SH) und Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH) nach von Mises verglichen. Parallel erfolgt eine experimentelle Validierung unter nicht-proportionalvi mehrachsiger, synchroner Ermüdungsbeanspruchung an einem 2-Achsen-Prüfstand (Axialbelastung kombiniert mit überlagerter Torsionsbelastung). Als experimentelle Referenzversuche werden jeweils eine zylindrische Laborgeometrie und jeweils eine werkzeugähnliche, komplex-gekerbte Geometrie pro Werkstoff in statistisch abgesicherten Wöhlerversuchen geprüft. Anhand der Validierungsergebnisse kann eine Weiterentwicklung des Auslegungsansatzes und eine Steigerung der Prognosetreffsicherheit erfolgen.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, dass der primäre Einflussfaktor auf die Schwingfestigkeit von karbidreichen Werkzeugstählen die Defektgröße (Größe von Defekten im bruchmechanischen Sinne) darstellt. Die Größe der mikrostrukturellen, rissauslösenden Defekte wie Karbide oder Einschlüsse muss als maßgeblicher Faktor zur Erhöhung der Schwingfestigkeiten von Werkzeugstählen fokussiert werden. Die Eigenschaften des Gefüges werden hauptsächlich bei der Werkstoffherstellung (und der Wärmebehandlung) eingestellt. In gegossenen Gefügen ist die Karbidgröße der dominierende Faktor und in pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffen die Größe der nicht-metallischen Einschlüsse.
Pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle zeigen auf Grund der viel kleineren, runden Karbide, die sehr homogen verteilt sind, signifikant höhere Schwingfestigkeiten, wobei der Ort der Rissinitiierung nun zum größeren nicht-metallischen Einschluss wechselt. Der Umform- und der Reinheitsgrad sind daher maßgeblich für die Schwingfestigkeit, da diese direkt die Größe und Verteilung der Karbide und Einschlüsse beeinflussen. Der sekundäre Einflussfaktor ist vermutlich die Matrixhärte und der tertiäre die Defektmorphologie, wobei sich diese drei Faktoren gegenseitig beeinflussen und eine komplexe Wechselwirkung zwischen diesen vorliegt, die in Zukunft genauer untersucht werden sollte.
Durch Randschichtnitrieren mit reiner Diffusionsschicht können die Schwingfestigkeiten von karbidreichen Werkzeugstählen merklich verbessert werden, jedoch in Abhängigkeit der Defektgröße und der ursprünglichen Matrixhärte. Besonders die Schwingfestigkeiten von PMWerkzeugstählen (mit vergleichsweise sehr kleinen nicht-metallischen Einschlüssen als rissauslösende Defekte) und deren Streuung der Prüfwerte können über die beim Nitrieren mit Diffusionsschicht eingebrachten hohen Druckeigenspannungen effektiv verbessert werden.
Die Ergebnisse der bruchmechanischen Versuche verdeutlichen, dass der Schwellwert für Langrisswachstum und die Bruchzähigkeit in gegossenen Werkzeugstählen unabhängig vom Spannungsverhältnis R größer sind als in chemisch identischen, pulvermetallurgisch hergestellten Varianten. Gleichzeitig ist die Steigung m der Paris-Geraden für stabiles Langrisswachstum in gegossenen Varianten kleiner. Das bedeutet, dass für die Ermüdung in Werkzeugstählen nur die Rissbildungsphase und eventuell das Mikrorisswachstum eine Rolle spielen. Die deutlich höheren Schwingfestigkeiten der PM-Werkstoffe ist allein auf eine drastisch reduzierte und verzögerte Rissbildungsphase zurückzuführen.
Die experimentellen Ergebnisse der mehrachsigen Validierungsversuche ergeben starke Abweichungen zu den Simulationsergebnissen der QVH. Durch eine Modifizierung der orientierungsabhängigen (anisotropen) Schwingfestigkeitsberechnungen der QVH, konnte zumindest für die zylindrische Laborgeometrie eine deutliche Treffsicherheitsverbesserung bei beiden untersuchten Werkezugstählen erzielt werden. Dazu wurde eine Extrapolation im HaighDiagramm bis zum Spannungsverhältnis R = – unendlich verwendet.
In den meisten Fällen zeigt die Prognoserechnung nach FKM kleinere oder sogar die kleinsten Fehler im Vergleich zu der experimentellen Validierung. Allerdings treten für dievii werkzeugähnlichen Geometrien bei allen betrachteten Versagenshypothesen weiterhin größere Prognosefehler bis ca. 80 % auf. Eine Vorhersage der mehrachsigen Schwingfestigkeiten von komplex-gekerbten, realen Werkzeugen stellt für alle betrachteten Hypothesen weiterhin eine große Herausforderung dar, weshalb eine Treffsicherheitsverbesserung im Fokus zukünftiger Vorhaben stehen sollte.
In Bezug auf eine Normungsrelevanz des Forschungsvorhabens lässt sich zusammenfassen, dass die ermittelten Werkstoffkennwerte (statisch, einachsig zyklisch, mehrachsig zyklisch) sowohl statistisch umfangreich abgesichert und ausgewertet als auch gewissenhaft sowie mit geeigneten Prüfmaschinen entsprechend geltenden Normen geprüft wurden. Daher wird beabsichtigt diese Datenbasis an zyklischen Kennwerten in aktuelle Richtlinien und Normen (FKM-Richtlinie, DIN EN ISO Werkzeugstähle) zu übernehmen, um besonders für KMU eine Verwendung dieser Datenbasis in Zukunft zu ermöglichen und zu erleichtern.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Gleichzeitig wurden aus den hier erarbeiteten Grundlagen und Erkenntnissen neue Forschungshypothesen und Fragestellungen entwickelt, die im Rahmen der Beantragung eines Folgeprojekts realisiert wurden. Das Folgeprojekt FOSTA P 1608 bzw. IGF-Projekt Nr. 22271 N wurde bewilligt und startete zum 01.03.2022.
Veröffentlichung:
August 2022
Autoren:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ch. Broeckmann, M.Sc. L. Scholl
