Strukturkonservierende Hartstoffschichten

Strukturkonservierende Hartstoffschichten

Tribologisch belastete Gesenke mit unterschied­lichen Topographien o.r. hart und u.r. weich gedreht bzw. o.l. mittel und u.l. grob gestrahlt.
© Fraunhofer IST
Tribologisch belastete Gesenke mit unterschied­lichen Topographien o.r. hart und u.r. weich gedreht bzw. o.l. mittel und u.l. grob gestrahlt.
Die gedrehte Ober­fläche nach 100 Schmiedezyklen zeigt (links) im unbehandelten Zustand starke abrasive Verschleißmarken und (rechts) im duplexbehandelten Zustand eine Konservierung der Topographie.
© Fraunhofer IST
Die gedrehte Ober­fläche nach 100 Schmiedezyklen zeigt (links) im unbehandelten Zustand starke abrasive Verschleißmarken und (rechts) im duplexbehandelten Zustand eine Konservierung der Topographie.

Bei Umformprozessen wie beispielsweise der Warmmassivumformung spielt die Struktur der Oberfläche eine maßgebliche Rolle. So treten bei unstrukturierten Oberflächen während des Umformprozesses meist hohe tribologische Belastungen auf, was zu starkem Materialabtrag führt. Durch den Einsatz von Schmierstoffen sollen die Reibkräfte zwischen Gesenkoberfläche und Schmiedeteil verringert werden. Eine zusätzliche Strukturierung der Oberfläche sorgt dabei für eine verbesserte Haftung der Schmierstoffe und darüber hinaus für eine Reduzierung der Traganteile. Sie muss jedoch möglichst effektiv gegen Einebnungsmechanismen, verursacht durch den plastischen oder abrasiven Verschleiß im tribologischen Kontakt, geschützt werden. Am Fraunhofer IST konnten nun Voraussetzungen für eine optimale Gesenk­oberflächengestaltung und deren erfolgreiche Konservierung definiert werden.

Topographie und Verschleißentwicklung

In einem ersten Schritt wurden unterschiedliche spanende Verfahren zur Werkzeugfertigung – teilweise in Kombination mit wirtschaftlichen Strahlverfahren – hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens untersucht. Mittels Serienschmiedeversuchen konnte der Verschleißfortschritt durch taktile Vermessungen der Gesenkoberflächen ermittelt werden. Zur Auswertung wurden mit Hilfe der Abbott-Firestone-Kurve dreidimensionale Oberflächenkennwerte wie der arithmetische Mittenrauwert Sa bestimmt. Die Versuche zeigten, dass vor allem bei tribologisch hoch belasteten Gesenken deutliche Zusammenhänge zwischen der Oberflächenstruktur und der Verschleißentwicklung bestehen.

Erfolgreiche Konservierung mittels Plasmatechnologien

Zum Erhalt der eingestellten Strukturen wurde eine sogenannte Duplex-Behandlung der Werkzeuge durchgeführt, bei der die Oberflächen zunächst mittels Plasmanitrieren behandelt und anschließend mit einer Hartstoffbeschichtung versehen werden. Dadurch können die Randschicht- und Oberflächenhärte sowie gleichzeitig die Warmfestigkeit des Substrats gesteigert werden. Diese Eigenschaften beeinflussen die Beständigkeit gegenüber plastischen Verformungen und in hohem Maße auch die abrasive Verschleißfestigkeit. Untersuchungen ergaben darüber hinaus, dass die beständigste Oberflächenstruktur gegen vorwiegend tribologische Beanspruchung auch die geringsten Verschleißwerte aufweist. Diese Topographie konnte mittels Strahlen auf einen arithmetischen Rauheitswert von Sa = 1,5 µm eingestellt werden und weist für die Bindung der Schmiermittel auf Wasser-Graphit-Basis optimale Eigenschaften auf. Hohe Reibkräfte während der Umformung und der dadurch begünstigte abrasive Verschleiß lassen sich somit durch die gezielte Oberflächenkonditionierung maßgeblich verringern. Gleichzeitig bietet diese Oberfläche ausreichend Tragfähigkeit, um nicht aufgrund hoher Flächenpressung eingeebnet zu werden. Die Duplex-Behandlung der Werkzeuge unterstützt dies zusätzlich.

Industrieller Nutzen

Um das in den Serienschmiedeversuchen an Modellgesenken festgestellte Verschleißverhalten auch unter industriellen Bedingungen in der Produktion eines Schmiedebetriebs zu evaluieren, wurden Schmiedegesenke eines Projektpartners mit der entwickelten Verschleißschutzmethode bearbeitet: Industriegesenke wurden strukturiert und mit einer kombinierten Duplex-Behandlung aus Plasmanitrierung und PACVD Hartstoffbeschichtung behandelt. Trotz typischer Schwankungen der erreichten Standmengen zeigten sich positive Effekte der Modifikation. Im Vergleich zu den lediglich gasnitrierten Gesenken der Serienproduktion wiesen die modifizierten insbesondere in tribologisch hoch belasteten Bereichen deutliche Verbesserungen bezüglich des abrasiven Verschleißes auf. Darüber hinaus konnte durch eine deutliche Reduktion mechanisch bedingter Risse eine Erhöhung der Standmengen erreicht werden.

Ausblick

Dem verbesserten Verschleißverhalten und der damit einhergehenden Standmengensteigerung tribologisch hoch belasteter Schmiedegesenke steht derzeit noch ein erhöhter Aufwand durch die Oberflächenkonditionierung mit konservierender Duplex-Behandlung gegenüber. Damit dieses Vorgehen auch in wirtschaftlicher Hinsicht eine Alternative darstellen kann, muss die Lebensdauer der modifizierten Gesenke durch die Beschichtung deutlich gesteigert werden. Die bisher vielversprechenden Ergebnisse müssen daher zukünftig noch in weiterführenden Versuchsreihen bestätigt werden.

 

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