Strangpressen von verschleißbeständigen Metal Matrix Composites (MMC)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Herstellung von hartstoffverstärkten Metal-Matrix Composites (MMC) auf Werkzeugstahlbasis durch direktes Strangpressen von vorgewärmten Kapseln. Dazu wurden zunächst Vorversuche zum Sinter- und Umformverhalten in einem Vakuumofen und einem Umformdilatometer bei einer Temperatur von 1150°C durchgeführt. Auf deren Grundlage war es möglich, das Verdichtungsverhalten des reinen Kaltarbeitsstahlpulvers aus 1.2380 bzw. des Warmarbeitsstahlpulvers aus 1.2344 und den Einfluss einer Dispersion von 10 und 30Vol.-% monolithischem Wolframschmelzkarbid (WSC) oder agglomeriertem Titankarbid (TiC) in diesen Metallmatrixpulvern zu charakterisieren. Mit Hilfe der so gewonnenen Erkenntnisse wurde eine Sintertemperatur von 1150°C bei einer Haltezeit von 2 h für die gekapselten Pulver gewählt. Das direkte Strangpressen dieser Kapseln erfolgte mit einer Glasschmierung bei einem Pressverhältnis von etwa 5 : 1 und einer Stempelgeschwindigkeit von 36 - 38mm/s. Es konnte nachgewiesen werden, dass mit den gewählten Pressparametern zylindrische Langprodukte mit einer relativen Dichte von mehr 97,5% hergestellt werden können und somit ein Einsatz in von abrasivem Verschleiß dominierten Anwendungen möglich ist. Metallographische Untersuchungen lassen erkennen, dass es im Verlauf der Umformung zur Ausrichtung der Hartstoffpartikellängsachsen parallel zur Pressrichtung kommt und eine Abhängigkeit der Hartstoffeinbindung vom zugegebenen Volumenanteil und der Fließfähigkeit der Matrix besteht. Die Anbindung der Hartstoffe an die Matrix wird durch die Ausbildung von Diffusionssäumen beim WSC verbessert, während beim agglomerierten Hartstoff TiC nur eine Vanadiumdiffusion in die Partikel nachweisbar ist und es teilweise zum Zerbrechen der TiC kommt. Die Werkstoffe erreichen nach dem Strangpressen Makrohärten im Bereich von 664HV30 für die reine Warmarbeitsstahlmatrix bis zu 810HV30 für einen MMC auf Kaltarbeitsstahlbasis mit 30Vol.-% WSC bei Luftabkühlung. Der Einfluss der sich aus der Hartstoffausrichtung ergebenden Anisotropie auf die mechanischen Eigenschaften wurde in 3-Punkt-Biegeversuchen an axial und radial aus den verpressten Strängen entnommenen Proben untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der E-Modul von der Entnahmerichtung und dem Hartstoffgehalt abhängt und eine deutliche Abnahme der Biegebruchfestigkeiten mit steigendem Hartstoffgehalt zu verzeichnen ist. Die Richtungsabhängigkeit der mechanischen Kennwerte ist auf die Ausdehnung und Lage der Hartstoffpartikel in der Metallmatrix zurückzuführen. Während die höhere Zähigkeit der Warmarbeitsstahlmatrix die mechanischen Eigenschaften verbessert, resultieren aus dem Fehlen verschleißmindernder Karbide in der Metallmatrix höhere Verschleißraten. Es zeigt sich, dass nur durch die Zugabe von WSC die Verschleißraten wirkungsvoll reduziert werden konnten. Die Sprödigkeit der inneren Grenzflächen im agglomerierten TiC führt bei Kontakt mit einem Abrasiv dazu, dass der Hartstoff bricht und somit die Verschleißrate keine messbare Reduzierung aufweisen. In der zweiten Projektphasen wurden die gewonnenen Erkenntnisse dazu genutzt, um Stahlsubstrate mittels Strangpressen mit verschleißbeständigen MMC zu beschichten. Dazu wurden der unlegierte Baustahl S355 und und der warmfeste Werkzeugstahl 1.2714 als Substratwerkstoffe und der 1.2380 bzw. der 1.2344 mit einem WSC-Zusatz von 10Vol.-% als Beschichtung gewählt. Die Kerne mit einem Durchmesser von 30mm bzw. einer Kantenlänge von 21mm weisen nach dem Strangpressen einen Durchmesser von 15 - 16mm bzw. eine Kantenlänge von 11mm auf. Die koextrudierten Verbunde zeigen eine porenfreie Anbindung der Beschichtung an die Substrate, mit einer Hartstoffausrichtung parallel zur Umformrichtung. In umfangreichen mikrostrukturellen Untersuchungen sowie begleitenden Diffusionsrechnungen konnte die Entwicklung der Grenzfläche während des Prozesses nachgewiesen werden. Die Charakterisierung der Grenzfläche mittels Zug-, Biege- und Scherversuchen zeigt eine ausgezeichnete Haftung der Beschichtungen, deren Haftfestigkeit durch eine abgestimmte Wärmebehandlung in allen Versuchen gesteigert werden kann. Durch Zugversuche wurde nachgewiesen, dass die Beschichtungen unter einer Zugbelastung senkrecht zur Grenzfläche im MMC versagen und somit die Festigkeit durch den hartstoffverstäkten MMC geprägt wird. In 4-Punkt-Biegeversuchen wird deutlich, dass Verbunde mit S355 eine starke Verformung mit geringen Biegebruchfestigkeiten und Verbunde mit 1.2714 geringe Verformungen und hohe Biegebruchfestigkeiten erreichen. Die Scherversuche zeigen, dass die Grenzfläche von Beschichtung und Substrat der Scherbelastung widersteht. In Verbunden mit Baustahlkern kann der Kernwerkstoff auf Grund seiner geringen Festigkeit geschert werden, während bei Verbunden mit einem 1.2714-Kern das Versagen im MMC eintritt, weil die Festigkeiten des Substrates und der Grenzfläche höher als die des MMC sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hermann Markus Karlsohn: Strangpressen von verschleißbeständigen Hartstoff-Metallmatrix-Verbunden auf Fe-Basis, Ruhr-Universiät Bochum, Institut für Werkstoffe (Karlsohn, M., Strangpressen von verschleißbeständigen Hartstoff-Metallmatrix-Verbunden auf Fe-Basis, Fortschr.-Ber. VDI, Reihe 5, Nr. 733, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2008)
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Karlsohn M., Theisen W. .: Gefüge und Eigenschaften stranggepresster MMC auf Eisenbasis, Sonderbände der Praktischen Metallografie 37, 2005
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Karlsohn M., Theisen W.: Strangpressen von verschleißbeständigen Fe-Basis MMC, Mat.-wiss. und Werkstofftechn., 2007, 38, Nr. 6, S. 453-458
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Karlsohn, M., Theisen, W., Röttger, A., Silva, P.A., Weber, S., Pyzalla, A.R., Reimers, W.: Hot Direct Extrusion of Abrasion Resistant Fe-base Metal Matrix Composites - Part 1: Microstructure and Wear Properties, Tagungsband zu "Friction, Wear and Wear Protection", 9.-11.4.2008, Aachen
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Karlsohn, M., Weber, S., Alavi Zaree, S.R., Müller, S., Theisen, W., Reimers, W., Pyzalla, A.R.: Manufacturing, microstructure and wear resistance of novel hot extruded Fe based metal matrix composites, Powder Metallurgy, Volume 51, Number 1, 2008, pp. 31-37
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Silva, P.A., Weber, S., Karlsohn, M., Theisen, W., Reimers, W., Pyzalla, A.R.: Hot Direct Extrusion of Abrasion Resistant Fe-base Metal Matrix Composites - Part 2: Interface Characterization and Mechanical Properties of Co-Extruded Layered Structures, Tagungsband zu "Friction, Wear and Wear Protection", 9.-11.4.2008, Aachen
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Theisen W. .: Herstellung verschleißbeständiger Metallmatrix-Verbunde auf Fe-Basis, Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 36 (2005), S. 360-364
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Theisen W., Karlsohn M.: Hot Direct Extrusion - a Novel Method to Produce Abrasion Resistant Metal-Matrix Composites, Wear 263 (2007), S 896-904
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Weber S., Theisen W.: Quantitative Analyse der Grenzflächenreaktion und Verdichtung an drucklos gesinterten Metall-Matrix-Kompositen, Sonderbände der praktischen Metallografie 36, Werkstoff-Informationsgesellschaft mbH, Frankfurt, 2004, S. 79-84, ISBN 3-88355-336-0
