Thermo-mechanische Eigenschaftseinstellung bei der Herstellung von Hohlprofilen kleinster Abmessungen durch das Micro-Dieless-Drawing
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die übergeordnete Zielsetzung des Projektes liegt in der experimentellen Ermittlung der Grundlagen über die Zusammenhänge bei der Herstellung von Kleinstbauteilen mit flexiblen Geometrien sowie eigenschaftsangepassten Gefügestrukturen unter dem Hintergrund gestiegener Anforderungen an Prozessführung und Anlagengenauigkeit. Der Schwerpunkt liegt dabei in einer Erhöhung der Prozessgrenzen hinsichtlich Geschwindigkeit und Variabilität in der Gefüge- und Eigenschaftseinstellung. In den vorangegangenen Berichtszeiträumen lag der Fokus auf der Miniaturisierung der Werkstückabmessungen und der Herstellung variabler Geometrien. Dabei zeigte sich, dass grundsätzlich Abmessungen von unter einem Millimeter (0,7 mm) und bei Anpassung der induktiven Erwärmung auch von 0,5 mm darstellbar sind. Ungenauigkeiten in der Prozessführung der Anlage wirken sich jedoch dabei überproportional stark aus und führen zu vorzeitigem Versagen. Der notwendige Wechsel auf einen Zahnradantrieb mit schlupffreier Erzeugung der Geschwindigkeitsdifferenz wurde in einer neuen Anlage umgesetzt. Dabei konnten durch eine Temperaturregelung, Zugkraftregelung sowie Positionskorrektur der Haspeln die Prozessgrenze hinsichtlich der Prozessgeschwindigkeit um das Dreifache auf 300 mm/min und maximale Einzelumformgrade auf bis zu 0,55 erhöht werden. Erkenntnisse zur Gefügebeeinflussung wurden mit dem wärmebehandelbaren Stahl, 58CrV4 gewonnen werden. Die dabei bei diesen Abmessungen erfolgende Selbstabschreckung durch freie Konvektion hat eine martensitische Umwandlung der zuvor austenitisierten Gefügen zur Folge. Zur Erweiterung des Produktgefügespektrums wurde im folgenden Zeitraum eine verzögerte Abkühlung durch einen Durchlaufofen ergänzt. Vertiefte Untersuchungen der verschiedenen Einflussgrößen während der Erwärmung, der Umformung und der Abkühlung zeigten, dass neben Temperatur, Umformgrad und Abkühlung der Gefügezustand des Ausgangsmaterials bei sonst identischer Zusammensetzung einen Einfluss sowohl auf die Umwandlungsvorgänge bei der Erwärmung aber auch auf die Phasenumwandlung während der Abkühlung und somit auf die Endeigenschaften hat. Form und Anordnung des Zementits bzw. der Karbide beeinflussen über die unterschiedliche Karbidauflösung die Austenitumwandlung sowie die Menge des gelösten Kohlenstoffs. Durch die hohe Erwärmungsgeschwindigkeit, das Fehlen einer Haltezeit sowie der während der Abkühlung überlagerten Umformung werden sehr feine Produktgefüge erhalten. Mit zunehmender Umformtemperatur und mit zunehmender Karbidauflösung nehmen der Austenitanteil und der Anteil an gelöstem Kohlenstoff bei der Umformung zu. In der Folge steigt der Anteil an harten Phasen, wobei mit zunehmend gelösten Kohlenstoff der Anteil der Grad der Gitterverspannung der harten Phasen und somit die Härte zunimmt. Für die Erhöhung der duktilen Eigenschaften durch weichere Gefügephasen kann einerseits die Umformtemperatur in einem Bereich der ausgeprägten dynamische Rekristallisation bei Vermeidung jeglicher Phasenumwandlung gewählt werden oder andererseits bei bewusster Austenitisierung durch eine gebrochene Abkühlung durch einen Durchlaufofen eine Umwandlung in der Perlitstufe ermöglicht werden. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Werkstoffeffekten und Prozessparameter erzeugen Gefüge die sich den gängigen Ansätzen in der Werkstoffwissenschaft entziehen, so dass für ein umfassendes Verständnis metallphysikalische Grundlagenuntersuchungen notwendig erscheinen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Neue Perspektiven und Anwendungen für das freie Längen. In: Steinhoff, K.; Kopp, R. (Edtrs.): Umformtechnik im Spannungsfeld zwischen Plastomechanik und Werkstofftechnik. Bad Harzburg (D): Grips Media GmbH, 2008, pp. 145-163
Weidig, U.; Steinhoff, K.
- Thermo-mechanical Microforming of Wire by Dieless Drawing Process. In: Hirt, G.; Tekkaya, A.E. (Edtrs.): Steel Research International. Special Edition: 10th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2011, Düsseldorf (D): Verlag Stahleisen GmbH, 2011, pp. 308-313
Weidig, U.; Barbakadze, N.; Wagner, S.; Steinhoff K.
