Grundlegende Untersuchungen von gradientenabhängigen nitrierten Schmiedewerkzeugen in der Warmmassivumformung unter zyklischen thermomechanischen Beanspruchungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel war die Entwicklung einer neuen Verschleißmodellierung unter Berücksichtigung der Härteentwicklung in nitrierten Werkzeugen. Dabei lag der Fokus auf der Härteentwicklung in Abhängigkeit der zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen eines Schmiedeprozesses. Da Nitrierungen gradierte Systeme sind, wurden zwei unterschiedliche Nitrierprofile im Vergleich zum unnitrierten Grundwerkstoff 1.2343 analysiert. Da aufgrund hoher Spitzentemperaturen in Kombination mit hohen Abkühlraten aus der Spraykühlung partiell in Schmiedegesenke eine Martensitbildung, sog. Neuhärtung, auftreten kann, wurde das Austenitisierungsverhalten unter überlagerter mechanischer Belastung analysiert. Es zeigte sich, dass die überlagerte mech. Belastung zu einer deutlichen Absenkung der Ac1,b Temperatur führt. Anschließend wurde eine bestehende Prüfmethodik zur Aufbringung von Thermoschockzyklen um die Berücksichtigung einer mechanischen Spannungsüberlagerung erweitert. Mittels spannungsüberlagerten thermischen Belastungsversuchen in praxisnahen Zyklen erfolgte eine Charakterisierung der Härteevolution. Aufbauend auf den Ergebnissen wurde ein Berechnungsframework in die Anwendung Simufact Forming implementiert. So können die Härteund der Verschleiß ortstaufgelöst auf Basis der Materialcharakterisierungsdaten prognostiziert werden. Abschließend wurde das entwickelte Härte- und Verschleißmodell anhand von zwei Laborschmiedeprozessen validiert. Bezüglich des unnitrierten Grundwerkstoffs konnten die Härte-Tiefen-Verläufen nach 100, 500 und 2.000 Zyklen mit hoher Übereinstimmung prognostiziert werden. Die Verschleißberechnung zeigte ebenfalls, unter passender Annahme mehrerer Prozessgrößen, eine gute Übereinstimmung. Zur Validierung der Nitrierschicht-Materialdaten wurde weiterhin eine Härte- und Verschleißprognose durchgeführt. In Bezug auf die Härte konnten dabei gute Übereinstimmungen ab 1.000 Schmiedezyklen im Labormaßstab erzielt werden. Der Verschleiß konnte dabei nur bedingt validiert werden, da das unvorhergesehene Auftreten von Adhäsionseffekten die Anwendbarkeit des Verschleißansatzes nach Archard einschränkt. Abschließend wurde die Nutzbarkeit der erarbeiteten Implementierung im Hinblick auf Härte und Verschleißprognose anhand eines industriellen Schmiedeprozesses demonstriert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental Characterisation of Tool Hardness Evolution Under Consideration of Process Relevant Cyclic Thermal and Mechanical Loading During Industrial Forging. Lecture Notes in Production Engineering, 3-12. Springer Berlin Heidelberg.
Müller, F.; Malik, I.; Wester, H. & Behrens, B.-A.
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Multi-Layer Wear and Tool Life Calculation for Forging Applications Considering Dynamical Hardness Modeling and Nitrided Layer Degradation. Materials, 14(1), 104.
Behrens, Bernd-Arno; Brunotte, Kai; Wester, Hendrik; Rothgänger, Marcel & Müller, Felix
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Hardness Assessment Considering Nitrided Layers Based on Tempering Tests for Numerical Wear Prediction for Forging Processes. Materials, 15(20), 7105.
Behrens, Bernd-Arno; Brunotte, Kai; Wester, Hendrik; Lorenz, Uwe & Müller, Felix
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Perspectives on data-driven models and its potentials in metal forming and blanking technologies. Production Engineering, 16(5), 607-625.
Liewald, Mathias; Bergs, Thomas; Groche, Peter; Behrens, Bernd-Arno; Briesenick, David; Müller, Martina; Niemietz, Philipp; Kubik, Christian & Müller, Felix
