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EFB-Forschungsbericht Nr. 351

Herstellung von kostengünstigen belastungsoptimierten Umformwerkzeugen durch Laserstrahllegieren

efb351

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Jirko Kettner, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Dr. Michael Hustedt, Dipl.-Ing. Sabine Claußen, Laser Zentrum Hannover e.V.

116 Seiten (sw, 73 Abb., 21 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-389-9

Preis (Digital) EUR 52,50

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Das Laserstrahllegieren bietet die Möglichkeit der Oberflächenoptimierung von Werkzeugen aus kosten- und bearbeitungsgünstigen Werkstoffen, um sie zur Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Stahlblechwerkstoffen einzusetzen. Die Herstellung von Umformwerkzeugen ist kosten- und zeitintensiv, deshalb sind die Ergebnisse für Firmen im Bereich Automobilbau und dessen Zulieferern wie z.B. Werkzeugproduzenten, Halbzeugherstellern, Presswerken, Laser- und Anlagenherstellern von großem Interesse, weil das Laserstrahllegieren von niedrig legierten Stählen eine viel versprechende günstige Alternative zu den traditionell hergestellten Werkzeugen darstellt.

Es wurden als kostengünstige und niedrig legierte Werkstoffe der Guss EN-GJS-700-2 und der niedrig legierte Stahl C45E ausgewählt. Aufgrund ihrer Eigenschaften als Karbidbildner sind Molybdän und Vanadium als Legierungszusätze bestimmt worden. Im Guss konnten Molybdängehalte zwischen 3 und 40 Gew.% und Härten bis 69 HRC bei einer Einlegierungstiefe von 600 µm erreicht werden, wobei bei höheren Gehalten vertikale Risse in der Legierungszone auftraten. Im C45E waren Gehalte zwischen 3 und 30 Gew.% Molybdän, Härten bis 60 HRC und Legierungstiefen bis 800 µm möglich. Vanadium wurde als Ferrovanadium-Pulver mit 9 bis 20 Gew.% und Härten bis 64 HRC in den Gusswerkstoff einlegiert. Bei Gehalten von 1 bis 12 Gew.% Vanadium sank die Härte bis auf 15 HRC und lag sogar unterhalb der Härte des unbehandelten Substrats, was vermutlich im niedrigeren Kohlenstoffgehalt der C45E-Substrate gegenüber dem Gussmaterial begründet liegt. Daher wurde in weite-ren Versuchen Vanadiumpulver mit Kohlenstoff gemischt zugeführt, wobei Gehalte bis 7 Gew.% und Härten bis 61 HRC erzielt werden konnten.

Für Verschleißversuche (Stift-Scheibe / Stift-Platte) wurden Probenkörper aus EN-GJS-700-2 mit 5 und 12 Gew.% Molybdän sowie 4 und 9 Gew.% Vanadium legiert. In Probenkörper aus C45E wurden zwischen 5 und 15 Gew.% Molybdän sowie 3 bis 7 Gew.% Vanadium einlegiert. Reibbacken erfuhren eine Legierungsbehandlung mit 5 bzw. 15 Gew.% Molybdän für die Reibwertermittlung. Die Verbindungsfestigkeit der Legierungszonen zum Substrat wurde an Gussprobenkörpern mit 5, 15 und 30 Gew.% Molybdän verifiziert.

Im Stift-Platte-Test nach ASTM G132-96 für den EN-GJS-700-2 betrug die Verringerung des Verschleißabtrags von 35 bis 47% (5 / 12 Gew.% Molybdän) und 45 bis 58% (3 / 7 Gew.% Vanadium) gegenüber dem gehärteten Substrat. Im C45E ver-schlechterte sich der Verschleißabtrag (33 / 56% Vergrößerung für 5 / 15 Gew.% Mo-lybdän). Die mit Vanadium + Kohlenstoff legierten C45E-Proben zeigten dagegen ei-nen um 47 bzw. 59% (3 / 7 Gew.% Vanadium + Kohlenstoff) kleineren Abtrag als die gehärteten Vergleichsproben.

Im Stift-Scheibe-Test mit HCT600X-Platinen als Verschleißpartner ergaben sich schwieriger zu interpretierende Ergebnisse, da teilweise das Verschleißverhalten der legierten Probenkörper schlechter war als bei den gehärteten Substraten. Die Ver-größerung des Verschleißabtrags betrug zwischen 0% (Guss + 4 Gew.% Vanadium) und 1500% (C45E + 15 Gew.% Molybdän). Nur mit dem Guss + 9 Gew.% Vanadium konnte eine signifikante Verringerung des Abtrags um 83% erzielt werden. Es ist davon auszugehen, dass bei diesem Versuchsmodus die im System verbleibenden Verschleißprodukte in großem Maße das Ergebnis beeinflussten.

Die Verbindungsfestigkeit der Legierungszonen zum Substrat wurde mittels zyklischer Belastungstests verifiziert. Eine Ablösung bzw. makroskopische Rissbildung fand nicht statt. Das Forschungsziel wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Herstellung von kostengünstigen belastungsoptimierten Umformwerkzeugen durch Laserstrahllegieren“ wurde unter der Fördernummer AiF 16219N1 von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 351 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Laser alloying offers the possibility of surface optimization of tools made of cost and manufacturing effective materials which can therefore be used for the forming of parts from high strength steel sheets. The manufacturing of deep drawing tools is cost and time expensive wherefore the results of this research project are of high interest to automotive companies and their suppliers like tool manufacturers, sheet steel manufacturers, press shops, laser and equipment manufacturers, because laser alloying of low alloyed materials is a most promising cheap alternative to traditionally produced tools.

As cost effective and low alloyed materials EN-GJS-700-2 and C45E have been cho-sen. Molybdenum and vanadium have been used as alloying elements. In the cast material molybdenum concentrations between 3 and 40 wt.%, hardness values of up to 69 HRC and alloying depths of 600 µm have been achieved. For higher concentrations problems with vertical cracks within the alloyed zones occurred. In C45E concentrations of 3 to 30 wt.%, hardness values of approx. 60 HRC and depths of 800 µm could be realized. Vanadium has been applied into En-GJS-700-2 using ferrovanadium powder to the amount of 3 to 30 wt.% and hardness values up to 64 HRC. In the C45E the bonding of carbon into carbides lowered the carbon content to that amount that not enough carbon was available for the hardening of the complete matrix. For concentrations of 1 to 12 wt.% vanadium hardness values decreased to values down to 15 HRC even below these of the untreated base material. For that reason vanadium powder has been blended with a carbon content for further investigations and concentrations of up to 7 wt.% vanadium and hardness values of approx. 61 HRC have been achieved.

For wear tests (pin-on-plate / pin-on-disc) cast specimen have been alloyed with 5 and 12 wt.% molybdenum and 4 and 9 wt.% vanadium, C45E specimen with 5 and 15 wt.% molybdenum and 3 resp. 7 wt.% vanadium. Friction test specimen received an alloying treatment with 5 and 15 wt.% molybdenum respectively. The connection toughness of alloyed areas to the base material has been verified using cast specimen with amounts of 5, 15 and 30 wt.% molybdenum.

The pin-on-plate test acc. to ASTM G132-96 revealed a decrease of wear for cast specimen of 35 to 47% (5 / 12 wt.% molybdenum) and 45 to 58% (3 / 7 wt.% vanadium) with respect to the performance of the only hardened base material. An increase of wear has been found for the molybdenum alloyed C45E specimen (33 / 56% for 5 / 12 wt.% molybdenum). C45E specimen alloyed with vanadium + carbon displayed a significant lower wear like 47 to 59% for 3 / 7 wt.% vanadium + carbon.

The results of the pin-on-disc test using HCT600X discs as wear system partners have been more difficult to interpret. The wear behavior of the alloyed specimen has been worse than this of the only hardened parts. The increase of wear measured between 0% (cast material + 4% vanadium) and 1500% (C45E + 15 wt.% molybdenum). Only the cast material + 9 wt.% vanadium showed a significant decrease in wear of 83%. Using this test method wear particles and products remaining in the system presumably influenced the test results to a great extent.

The connection toughness of alloyed areas to the base material has been verified using cyclic load tests. Delamination or macroscopic cracking did not occur.

Inhalt

1. Zusammenfassung
2. Einleitung
3. Forschungsziel
4. Angestrebte Forschungsergebnisse
5. Stand der Forschung
5.1 Blechwerkstoffe
5.2 Werkzeugwerkstoffe und Stand der Beschichtungstechnik
5.3 Tribologie und Verschleiß
5.3.1 Tribologie
5.3.2 Reibung
5.3.3 Verschleißarten, deren Ermittlung und Bewertung
5.4 Legierungselemente und deren Einfluss auf die Verschleißbeständigkeit
5.5 Laserstrahllegieren
5.6 Vorarbeiten
5.6.1 Vorbereitende Arbeiten am IFUM
5.6.2 Vorbereitende Arbeiten am LZH
6. Bearbeitung des Forschungsprojekts
6.1 Werkstofforganisation und Probenkörperfertigung (IFUM, LZH)
6.1.1 Blech- und Werkzeugwerkstoffe
6.1.2 Legierungselemente
6.1.3 Schmierstoffe
6.1.4 Probenkörper
6.2 Prozessparameteruntersuchungen zum temperaturgeregelten Laserstrahlauflegieren (LZH)
6.2.1 Versuchstechnik
6.2.2 Substratwerkstoff EN-GJS-700-2
6.2.3 Substratwerkstoff C45E
6.2.4 Kombination von Legierungselementen
6.3 Laserlegieren von Verschleißproben
6.3.1 Legieren von Verschleißstiften
6.3.2 Reibbacken
6.4 Durchführung von Reibversuchen (IFUM)
6.5 Verschleißversuche (IFUM)
6.5.1 Verschleißuntersuchungen im Stift-Scheibe-Modus
6.5.2 Verschleißuntersuchungen im Stift-Platte-Modus nach ASTM G132-96
6.5.3 Dauereindrückversuche zur Untersuchung der zyklischen Belastbarkeit
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Literaturverzeichnis