Influence of cooling of forging dies on the process-related microstructural changes in the surface zone and their effect on wear behaviour
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens bestand das Primärziel darin, die Gefügeveränderungen in Abhängigkeit verschiedener Abkühlbedingungen zu analysieren und Zusammenhänge zwischen der mikrostrukturellen Gefügeveränderung in der Werkzeugrandzone und dem Verschleißverhalten der Werkzeuge zu ermitteln. Zudem sollte geklärt werden, inwiefern sich eine thermische Beanspruchung überlagerte tribologische oder mechanische Beanspruchung auf die Gefügeveränderungen in der Werkzeugrandzone auswirkt. Hierfür waren Arbeiten in vier Teilbereichen notwendig. In der thermo-mechanischen Werkstoffcharakterisierung erfolgte eine realitätsnahe numerische Abbildung des Materialverhaltens der eingesetzten Werkstoffe (C45, 38MnVS6 und X37CrMoV5-1). Dafür wurden die dehnraten- und temperaturabhängigen Fließkurven durch Zylinderstauchversuche mit konstanten Formänderungsgeschwindigkeiten aufgenommen. Auf Grundlage der gewonnen Kraft-Weg-Verläufe erfolgte die Bestimmung der wirkenden Fließspannung in Abhängigkeit vom Umformgrad, der Formänderungsgeschwindigkeit sowie der Umformtemperatur. Der Fließwiderstand von 38MnVs6-Stahl ist je nach Umformbedingung um 10-20 % höher als der von C45-Stahl. Bei höheren Temperaturen wurde eine ausgeprägtere Verfestigung von 38MnVs6 in Abhängigkeit von der Dehnungsrate festgestellt. Bei der FE-gestützten Auslegung des Werkzeugsystems wurden zur Abbildung randschichttiefenabhängiger Temperaturverläufe Thermoelemente numerisch mit unterschiedlichen Abständen zur Oberfläche angeordnet, wobei die Abstände möglichst nah zur Gravuroberfläche gewählt wurden. Die FEM-Belastungsanalyse ergab den geringst möglichen Abstand sowie die maximal mögliche Anzahl der zu integrierenden Bohrungen in die Werkzeuge. Auf Basis der gewonnen Werkstoffkennwerte aus dem ersten Teilbereich konnten mithilfe der FEM die Belastungszustände in den Werkzeugen quantitativ ermittelt werden. Als Randbedingungen für die Analyse wurden die maximal zu erwartenden thermomechanischen Beanspruchungen am Werkzeug angenommen. Im Dornradius der Gesenkgravur ist die Spitzentemperatur zu erwarten. Zudem wurde aus der Simulation entnommen, dass eine Reduzierung der Umformhublänge (folglich eine höhere Gratdicke) zu einer Reduktion der Werkzeugbelastung führt, weil weniger Material in den Gratspalt verdrängt werden muss. Auf Basis der Ergebnisse der FEM-Simulationen und der experimentellen Testläufe wurden die Werkzeuge für die nachfolgenden Schmiedeversuche gefertigt. Bei den experimentellen Schmiedeversuche wurden die Werkzeuge auf einer voll automatisierten Exzenterpresse beansprucht. Zur Charakterisierung des Abkühlverhaltens der oberflächennahen Randbereiche wurde die Temperaturentwicklung im Schmiedeprozess über integrierte Thermoelemente aufgezeichnet und analysiert. Die Temperatur der Werkzeugoberfläche wurde zudem durch eine Wärmebildkamera vorund nach der Umformung validiert. Zuerst erfolgt die prozessangepasste Einstellung des Abkühlvorgangs, wodurch im stationären Zustand vier unterschiedliche Werkzeuggrundtemperaturen realisiert wurden. Dabei konnte mit den gewählten Parametern unterschiedliche thermische Belastungszustände erreicht werden. Anschließend wurden Schmiedeversuche mit der variablen Wasserkühlung und Bornitridschmierung durchgeführt. Bei der Grundtemperatur 400 °C kam es zum Anhaften von Halbzeugen am Werkzeug. Es stellte sich heraus, dass das Anhaften auf ein Erweichen des Randzonengefüges am Werkzeug durch die Abwesenheit des Kühlmediums Wasser zurückzuführen ist. Danach wurden Schmiedeversuche mit variabler Schmierung und Schmiedeversuche mit Schmiedestählen unterschiedlicher Festigkeiten durchgeführt. Die Schmiedeversuche wurden in verschiedenen Intervallen durchgeführt, um die Gefügeveränderungen und den Verschleißfortschritt an den Werkzeugen in Abhängigkeit der Schmiedezyklen zu dokumentieren. In der Verschleißanalytik und Charakterisierung der Gefügeveränderung wurden die Effekte am höchstbelasteten Werkzeugbereich durch verschiedene Untersuchungsmethoden erfasst. Versuchsbegleitend erfolgte vor und nach jedem Intervall eine zerstörungsfreie Erfassung des Werkzeugverschleißes durch optische Oberflächenanalysen. Abschließend erfolgten nach jeder Schmiedeserie zerstörende Untersuchungen zur ergänzenden Bewertung Werkzeugrandbereiche. Bei höheren Grundtemperaturen kommt es zur Adhäsion an den Dornen. Die höheren Werkzeugtemperaturen und längeren Versuchsserien führen zum Anstieg der Mittenrauwerte. Auftretende Gefüge- und Härteveränderungen wurden durch metallografische, elektronenmikroskopische und röntgenografische Analyseverfahren nachgewiesen. Nach 1000 Schmiedezyklen wiesen die Werkzeuge eine Rissbildung samt Wachstum bis ins Grundgefüge auf. Eine erhöhte Werkzeuggrundtemperatur führt zudem zu einer höheren Randzonenaufhärtung.
Publications
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INFLUENCE OF COOLING PARAMETERS ON THE SURFACE LAYER STRUCTURE OF HOT WORKING TOOLS. METAL Conference Proeedings, 2022, 233-238. TANGER Ltd..
BEHRENS, Bernd-Arno; BRUNOTTE, Kai; PEDDINGHAUS, Julius & LORENZ, Uwe
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Investigation on adhesion-promoting process parameters in steel bulk metal forming. Konferenz: WGP-Jahreskongress, Stuttgart.
Lorenz, U., Brunotte, K., Peddinghaus, J. & Prof. Dr.-Ing. Behrens, B.-A.
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Design of a forging process to individually examine thermal, mechanical and tribological stress in the tool surface zone. Konferenz: Esaform, Kraków.
Prof. Dr.-Ing. Behrens, B.-A., Müller & F., Lorenz, U.
