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EFB-Forschungsbericht Nr. 499

Modifikation von Umformwerkzeugen durch Laserstrahllegieren

efb499

Verfasser:
M.Sc. Niklas Gerdes, Dr.-Ing. Jörg Hermsdorf, Dr.-Ing. Stefan Kaierle, Laser Zentrum Hannover e.V. - M. Sc. Swenja Kamper, Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, Technische Universität Clausthal

90 Seiten (sw, 58 teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-551-0

Preis (Digital) EUR 55,59

Preis (Print) EUR 69,67

Zusammenfassung

Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Modifikation von Umformwerkzeugen durch das Laserstrahllegieren zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit. Das grundlegende Ziel ist, die Werkzeuge an den hauptsächlich von Verschleiß betroffenen Funktionsbereichen lokal zu modifizieren. Hinsichtlich Homogenität der Phasenbildung, Härte, Schichthomogenität und Oberflächentopographie hat sich Ferrovanadium als der für die Zielanwendung geeignetste Zusatzwerkstoff ergeben. Auch durch die Einbringung von Ferromolybdän ließen sich homogene Karbidschichten erzeugen, wobei dabei vermehrt Risse auftraten.

Eine induktive Vor- bzw. Nachwärmung, die eine richtungsunabhängige Bearbeitung der Oberflächen ermöglichte, konnte erfolgreich in den Prozess integriert werden, wodurch eine Rissausbildung minimiert bzw. verhindert werden soll. Beim Laserlegieren mit FeMo-Pulver konnte diese allerdings nicht verhindert werden.

Durch ein nachgeschaltetes Laserpolieren konnte die Oberflächenrauheit der laserlegierten Oberflächen maßgeblich verringert werden, so dass die vom projektbegleitenden Ausschuss geforderten Rauheiten erreicht werden konnten. Allerdings wird durch das Laserpolieren ein erheblich tieferer Einbrand erhalten.

Die verschleißtechnische Untersuchung hat gezeigt, dass insbesondere die mit Vanadium legierten Schichten in Hinblick auf abrasiven Verschleiß bei dem durchgeführten Pin-on-Table-Test G132 die größte Verschleißbeständigkeit aufweisen. Die adhäsiven Verschleißuntersuchungen bei trockener Reibung konnten kein nennenswertes Verschleißen der Schichten nachweisen. Die im begrenzten Probenumfang durchgeführten Streifenziehversuche, die unter geschmierter Reibung stattfanden, zeigten ebenfalls keine großen Verschleißerscheinungen an den Schichten.

Die Umsetzbarkeit des Laserlegierens konnte anhand der Beschichtung einer Werkzeuggeometrie demonstriert werden.

Das IGF-Vorhaben „Modifikation von Umformwerkzeugen durch Laserstrahllegieren" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18325N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 499 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The research project deals with the modification of forming tools by laser beam alloying to improve wear resistance. The basic goal is to locally modify the tools in the functional areas mainly affected by wear. With regard to homogeneity of phase formation, hardness, layer homogeneity and surface topography, ferrovanadium has proved to be the most suitable additive material for the target application. The addition of ferromolybdenum also made it possible to produce homogeneous carbide layers, with increased cracks occurring in the process.

An inductive pre- and post-heating, which enabled a direction-independent machining of the surfaces, could be successfully integrated into the process, whereby a crack formation is to be minimized or prevented. This could not be prevented, while laser alloying with FeMo powder. With help of a laser polishing follow-up the surface roughness of the laser-alloyed surfaces could be significantly reduced so that the roughness required by the project committee could be achieved. However, laser polishing results in a considerably deeper penetration.

The wear analysis has shown that the coatings alloyed with vanadium in particular have the highest wear resistance with regard to abrasive wear in the G132 pin-on-table test. The adhesive wear tests with dry friction could not prove any significant wear of the coatings. The strip drawing tests carried out to a limited extent under lubricated friction also showed no major signs of wear on the layers.

The feasibility of laser alloying could be demonstrated by coating a tool geometry.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand von Technik und Forschung
2.1 Werkzeugbau
2.2 Oberflächenmodifizierung mit Laserstrahlung
2.3 Induktive Prozessunterstützung in der Lasermaterialbearbeitung
2.4 Laserpolieren
2.5 Erzielter Stand im Vorläufervorhaben
3 Forschungsziel
4 Ergebnisse und Ausblick
4.1 Arbeitspaket 1: Material, Probenkörperfertigung und Anlagentechnik
4.2 Arbeitspaket 2: Laserlegieren von unterschiedlichen Materialkombinationen
4.3 Arbeitspaket 3: Integration einer induktiven Vor- bzw. Nachwärmung
4.4 Arbeitspaket 4: Laserpolieren legierter Oberflächen
4.5 Arbeitspaket 5: Probenanalyse
4.6 Arbeitspaket 6: Legieren von Verschleißproben
4.7 Arbeitspaket 7: Verschleißuntersuchungen
4.7.1 Adhäsive Verschleißuntersuchungen
4.7.2 Abrasive Verschleißuntersuchungen
4.7.3 Streifenziehversuche
4.8 Arbeitspaket 8: Legieren von Werkzeuggeometrien
4.9 Arbeitspaket 9: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und Dokumentation
4.10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
5 Literatur