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EFB-Forschungsbericht Nr. 148

Laserstrahlhärten und -legieren von Schneidkanten in Verbindung mit Dünnschichttechnologie

efb148.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.mult. Heinz Haferkamp, Dipl.-Ing. Karl Lindemann, Laser Zentrum Hannover e.V., Prof. Dr.-Ing. Volker Thoms, Dipl.-Ing. Sven Bräunling, Institut für Produktionstechnik, Umform- und Urformtechnik der Technischen Universität Dresden

158 Seiten (sw 62, teils farbige Abb., 54 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-277-9

Preis (Digital) EUR 77,00

Preis (Print) EUR 86,70

Zusammenfassung

Ziel der durchgeführten Arbeiten am Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) war das Laserstrahlhärten und -legieren von Schneidkanten in Verbindung mit CVD Dünnschichten zu untersuchen. Ergänzend fand an der Professur für Umform- und Urformtechnik des Institutes für Produktionstechnik der TU Dresden eine Charakterisierung des Verschleißverhaltens von lasermodifizierten Schneidwerkzeugen im Vergleich zu konventionellen Schneidwerkzeugen statt.

Zunächst wurden grundlegende Untersuchungen zu den Schwerpunkten Eignung des Werkzeugwerkstoffes, Gefügeausbildung und Härtegrade, Verfahrensparameter und Fertigungstechnologie sowie Funktions- und Verschleißverhalten absolviert. Die dabei durchgeführten Härtungsversuche decken ein großes Parameterfeld ab. Mit der Anpassung einer leistungsfähigen Prozessregelung der Temperatur ist es gelungen, eine prozessstabile Parameterführung zu gewährleisten. Es wurde nachgewiesen, dass das partielle Nachhärten CVD-beschichteter Werkzeugaktivelemente mittels temperaturgeregelter Laserbehandlung realisierbar ist. Standmengenuntersuchungen zeigen für rotationssymmetrische Schneidstempel, dass die Verschleißbeständigkeit laserstrahlnachgehärteter Schneidkanten das Niveau konventioneller vakuumnachgehärteter Schneidkanten erreicht.

Eine weitere Variante zur Schneidwerkzeugoptimierung stellt das Auflegieren unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen als Alternative zu CVD-Beschichtungen dar. Es wurde nachgewiesen, dass ein gezieltes Auflegieren des Werkzeugstahls X155CrVMo12-1 mit dem kobaltbasierten Hartstoff WC/Co realisierbar ist. Die Verschleißfestigkeit der laserlegierten Werkzeuge ist im Vergleich zur Referenzvariante, die aus einem vakuumnachgehärteten CVD-beschichteten X155CrVMo12-1-Schneidstempel bestand, geringer.

Die Ergebnisse der Standmengenuntersuchungen bilden eine geeignete Grundlage für die Auswahl von Bearbeitungsstrategien mittels Laserbehandlung, sowohl für Laserstrahlhärtungs- als auch für Laserstrahllegierprozesse. Die Versuchsergebnisse dienen zur Ausrichtung fortführender Entwicklungsarbeiten zur Prozessauslegung. An Praxiswerkzeugen wurde die Machbarkeit der Modifizierung von Schneidwerkzeugen mittels Laserstrahlhärten und -legieren für Realbauteile überprüft. Für die praktische Anwendung empfiehlt sich nach derzeitigem Erkenntnisstand das temperaturgeregelte Laserstrahlhärten als Variante für große Werkzeuge, da hier verzugsarm und örtlich begrenzt gehärtet werden kann. Das Verfahren des Laserstrahllegierens kann als Variante zur Leistungssteigerung unbeschichteter Werkzeuge zur Anwendung kommen.

Für Unternehmen des Werkzeugbaus und Zulieferer für Blechteile sowie für Laserlohnfertiger, überwiegend KMU' s, ergibt sich die Möglichkeit, eine anforderungsgerechte Schneidkantenbearbeitung von Schneidwerkzeugen durchzuführen.

Das Forschungsvorhaben „Laserstrahlhärten und -legieren von Schneidkanten in Verbindung mit Dünnschichttechnologie“ wurde unter der Fördernummer AiF 11159B von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 148 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

0. Formelzeichen
1. Einleitung
2. Ziel des Vorhabens
2.1 Problemstellung I Problemanalyse
2.2 Wissenschaftlicher Lösungsansatz
3. Stand der Technik
3.1 Chemieal-Vapar-Deposition (CVD)-Verfahren
3.2 Lasermateriallbearbeitung
3.2.1 Laserstrahl härten
3.2.2 Laserstrahllegieren
3.3 Prozessregelung in der Lasermaterialbearbeitung
3.4 Schneidwerkzeuge
4. Werkstoffe und Versuchstechnik
4.1 Werkzeuggrundwerkstoffe
4.2 CVD-Beschichtungswerkstoffe
4.3 Zusatzwerkstoffe beim Laserstrahllegieren
4.4 Blechwerkstoffe
4.5 Laserstrahlquelle
4.6 Handhabungssysteme
4.7 Pulverzuführungseinheit ..
4.8 Erfassung der Prozesstemperatur mittels Pyrometrie
4.9 Prozessregelung 
4.1 0 Stanz-Nibbei-Anlage
5. Arbeitsprogramm
5.1 Vorbereitung von Anlagen und Proben
5.2 Arbeitsprogramm für planare Probengeametrien
5.3 Arbeitsprogramm für zylindrische Probengeometrien
5.4 Arbeitsprogramm für Modellschneidstempel
6. Untersuchungen zum Laserstrahlhärten und -legieren
6.1 Absorptionsgrad von TiN- und TiC-CVD-Schichten
6.2 Charakterisierung des Laserstrahls
6.3 Ermittlung der Pulverkennlinie
6.4 Reglerparameter zum Laserstrahlhärten
6.5 Grundlegende Untersuchungen an gehärteten ebenen Proben
6.5.1 Einfluss der Prozesstemperatur beim Laserstrahlhärten
6.5.2 Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit beim Laserstrahlhärten
6.5.3 Optimale Parameter zum Laserstrahlhärten CVD-beschichteter Bauteile
6.5.4 Werkstoffkundliche  Gefügeuntersuchung
6.6 Untersuchungen der gehärteten zylindrischen Proben
6.7 Untersuchung der Härtungsergebnisse an Modellschneidstempeln
6.8 Grundlegende Untersuchungen an laserstrahllegierten ebenen Proben
6.8.1 Einfluss der Prozessparameter auf die technologischen Eigenschaften
6.8.2 Untersuchung des laserlegierten Gefüges von 16MnCr5
6.8.3 Untersuchung des laserlegierten Gefüges von X155CrVMo12-1
6.9 Untersuchungen der legierten zylindrischen Proben
6.10 Untersuchungen der legierten Modellschneidstempel
7. Untersuchungen zur Verschleißcharakterisierung
7.1 Verschleiß an Schneidwerkzeugen
7.2 Modellschneidversuche
7.2.1 Vorgehensweise
7.2.2 Analyse des Verschleißbildes
7.2.3 Bewertung von Verschleißmarken
7.2.4 Schneidteilqualität
7.2.5 Vergleich unterschiedlich behandelter Schneidstempel
7.3 Praxiseinsatz
7.3.1 Werkzeug bei Thyssen Krupp Stahl AG
7.3.2 Werkzeug bei Kermi GmbH
8. Bewertung der Versuchsergebnisse
8.1 Erreichter Entwicklungsstand
8.2 Einschätzung der praktischen Umsetzbarkeit
8.3 Vorschlag für geeigneten Anwendungsfall
9. Zusammenfassung
10. Literaturverzeichnis
11. Bildverzeichnis
12. Anhang