Entwicklung von chrom- und borbasierten Verschleißschutzschichten für die Warmmassivumformung

Peter Dültgen, Helmut Brand

Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW)

Bernd-Arno Behrens, Timur Yilkiran

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Leibniz Universität

Günter Bräuer, Hanno Paschke, Martin Weber

Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)

Die überwiegend mittelständisch geprägten Unternehmen der Warm­massiv­um­formung unterliegen einem hohen internationalen Kostendruck, um auf dem Weltmarkt konkurrenzfähig bleiben zu können. Dadurch ergeben sich Forderungen zur Senkung der Fertigungskosten und zur höheren Wertschöpfung durch die Produktion von Werkstücken mit zunehmender Komplexität. Durch zunehmende Automatisierung konnten die Prozesskosten bereits stark gesenkt werden. Daher wird in vielfältigen aktuellen Arbeiten die Reduzierung der Werkzeugkosten als weiterer Optimierungsschritt der Werkzeugkosten angesehen. Schmiedegesenke unterliegen prozessbedingt starkem Verschleiß, der einen signifikanten Einfluss auf die erzielbaren Standmengen und damit auf die stückzahlbezogenen Kosten ausübt.

Eine Standmengenerhöhung durch die Verwendung von Verschleißschutzschichten ist das Ziel der hier dargestellten Arbeiten.

Einleitung

Schmiedewerkzeuge unterliegen hohen Beanspruchungen durch die extremen Prozessbedingungen, die thermisch sowie mechanisch-tribologisch geprägt sind. Die notwendigen hohen Umformkräfte zur Formänderung der Rohteile in die gewünschte Bauteilgeometrie können mit zunehmender Werkstücktemperatur abgesenkt werden. Im Prozessablauf besteht dadurch die erhöhte Gefahr, dass es zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Werkzeug­werkstoffes und damit zu einem Festigkeitsverlust durch Anlasseffekte kommt. Hier ist die Druckberührzeit, während der das Werkzeug, bei Übertragung der Umformkräfte zur Aufbringung der erforderlichen Fließspannungen, mit dem erwärmten Schmiedestück in Kontakt steht, ausschlaggebend. Die den Umformzyklus abschließende Sprühkühlung erzeugt weiterhin ausgeprägte thermische Wechsel­belastungen auf der Gesenkoberfläche und kann dadurch Rissbildung bis hin zu dadurch initiierten Werkstoffausbrüchen verursachen.

Auf der Oberfläche und in den oberflächennahen Bereichen des Werkzeugs überlagern sich durch die genannten Vorgänge sowohl mechanische, thermische als auch tribologische Beanspruchungen. Dieses führt in Abhängigkeit von den geschmiedeten Stückzahlen zu unterschiedlichen charakteristischen Schadensformen des Gesenks. Erreicht die Schädigung  des Werkzeuges einen kritischen Wert, bei dem die Maßhaltigkeit und Qualität der geschmiedeten Bauteile abnimmt, bedeutet dies in der Regel das Erreichen des Standzeitendes für das Gesenk.

Die Verschleißreduzierung ist eine der wichtigsten Stellgrößen, um die Standmengen von Schmiedegesenken und damit die Wirtschaftlichkeit von Schmiede­verfahren zu beeinflussen. Eine Anhebung der Verschleiß­festigkeit der oberflächennahen Gesenk­bereiche kann bereits durch eine einfache Gasnitrierbehandlung erreicht werden, was zum heutigen Stand der Technik zählt. In vielen Fällen sind die erzielbaren Stand­mengen für eine wirtschaftliche Fertigung aber immer noch ungenügend.

Verschleißschutzschichten, die in der Kalt-, Halbwarm- und Blechumformung eine weite Verbreitung gefunden haben, können in der Warmmassiv­umformung bisher nur vereinzelt eingesetzt werden. Ein wesentlicher Grund dafür sind die nicht vergleichbaren Belastungen der Werkzeuge.

Durch angepasste Verschleißschutzsysteme können den mittelständischen Gesenkschmieden Ansätze für eine wirtschaftlichere Fertigung bereitgestellt werden.

Ansätze zur Werkzeugverschleißreduzierung

Plasmanitrieren

Randschichthärteverfahren wie z. B. das Gasnitrieren von Gesenken als Maßnahmen zur Verschleißreduzierung sind in der Schmiedeindustrie bereits etabliert. Diese stellen den bestimmenden Schritt für die Einstellung der mechanischen Eigenschaften der randnahen Zone bei Werkzeugen dar.

Bei der Plasmanitrierbehandlung erfolgt die Randschichtmodifizierung, indem mole­kularer Stickstoff (N2) aus der Prozessgasatmosphäre in einer Glimmentladung angeregt und zerlegt wird, um atomaren Stickstoff zu erhalten, der in der Lage ist in das Grundmaterial zu diffundieren.

Dadurch wird, wie beim Gasnitrieren auch, der Randbereich des Werkzeugs primär durch Ausscheidungsbildung der Nitride bildenden Legierungselemente (Chrom, Molybdän, Wolfram etc.) in der so genannten Diffusionszone mit Stickstoff angereichert. Gleichzeitig erhöht sich im Randbereich das spezifische Volumen, wodurch Druckeigenspannungen erzeugt werden, die zu einer erheblichen Steigerung der Dauerfestigkeit führen können. Außerdem steigt mit der zunehmenden Konzentration an Nitriden vom Kern zur Randzone auch die messbare Härte. Dieser Härteübergang kann in der Qualität des Gradienten (steil oder flach) ebenfalls die mechanischen Eigenschaften der Randzone, z. B. in Bezug auf eine Rißanfälligkeit, beeinflussen. In Abbildung 1 sind exemplarisch realisierbare Nitrierhärteprofile für den verwendeten Warmarbeitsstahl 1.2343 dargestellt.

Bei einem hohen Stickstoffangebot in der Behandlungsatmosphäre können an der Oberfläche zusätzlich Eisennitridphasen mit unterschiedlichem Stickstoffgehalt entstehen (Fe2-3N, Fe4N), die eine wenige µm dicke, harte und chemisch beständige Schicht – die sogenannte Verbindungsschicht bilden.

Die Struktur und Phasenzusammensetzung der Randschichten kann beim Plasmanitrieren durch die Parameter der Glimmentladung, den Prozessgaszustand und das Beladungsregime sehr gezielt eingestellt werden. Außerdem ergeben sich sehr konturentreue und gut reproduzierbare Behandlungsergebnisse.

Abbildung 1:Qualitativ unterschiedliche Nitrierbehandlungen, die sich durch Variation von Temperatur, Stickstoffgehalt im Gasgemisch und Plasmaintensität (Tastverhältnis) ergeben

Abbildung 1: Qualitativ unterschiedliche Nitrierbehandlungen, die sich durch Variation von Temperatur, Stickstoffgehalt im Gasgemisch und Plasmaintensität (Tastverhältnis) ergeben

Es sind sowohl reine Diffusionsbehandlungen als auch Kombinationsbehandlungen (so genannte Duplexprozesse) möglich, die aus einem Nitrierschritt und nachfolgender Hartstoffbeschichtung bestehen.

Beschichtungssysteme

Weitere Ansätze zur Reduzierung des Werkzeugverschleißes an Schmiedegesenken existieren durch Verwendung dünner Hartstoffschichten, die mit Abscheidetechnologien auf Basis der physikalischen bzw. plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PVD bzw. PACVD) aufgebracht werden.

Beschichtungssysteme, die für temperierte Umformprozesse geeignet sind, werden derzeit aber nur vereinzelt im Bereich der Halbwarm- und Warmumformung von Stahl, z. B. beim Schmieden, eingesetzt. Als Gründe dafür werden z. T. widersprüchliche Ergebnisse bei Anwendungsversuchen und ein noch unzureichendes Kosten-Nutzen Verhältnis von der Schmiedeindustrie angegeben.

Die beschriebenen Arbeiten wurden mit Beschichtungssystemen durchgeführt, bei denen auf Basis ihrer technologischen Eigenschaften von einem hohen Potenzial für die Anwendung beim Schmieden ausgegangen werden kann.

Borhaltige Mehrlagenbeschichtungen

Im Bereich thermisch beanspruchter Werkzeuge bieten borbasierte Schichtsysteme (Abbildung 2, links) ein hohes Anwendungspotenzial für einen Verschleißschutz gegen abrasiven Verschleiß. Von borhaltigen Schichten ist bekannt, dass sie bei hohen Anwendungstemperaturen niedrige Reibwerte und wegen ihrer hohen Härte auch eine sehr gute Verschleißbeständigkeit aufweisen. Die betrachteten ternären Systeme des Systems Ti-B-N besitzen hochinteressante strukturelle Eigenschaften: Nach der PACVD-Abscheidung werden Nanokomposite aus nanokristallinen Anteilen von TiN und TiB2 sowie amorphen Phasen mit unterschiedlichen Boranteilen gefunden. Im PACVD-Beschichtungsprozess können Gradienten in der Phasenverteilung bezüglich des Bor- und Stickstoffanteils durch das Prozessgasangebot eingestellt werden. Dadurch werden unterschiedliche Mehrlagensysteme möglich, die sich im Design bezüglich der Phasenkomposition (Boranteile) und der Lagenanzahl unterscheiden können.

Dotierte Chromhaltige Schichten

Die gute thermische (bis maximal 700°C) und chemische Beständigkeit von CrN-Schichten erlaubt ihre Anwendung im Applikationsbereich der Halbwarmumformung und im Aluminiumdruckguss. Durch Dotierung mit Vanadium lassen sich die tribologischen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen weiter verbessern. Die Ausscheidung von Vanadiumoxid (V2O5) in Form nadelförmiger Partikel an der Oberfläche der Schicht bei Temperaturen oberhalb von 550°C ermöglicht besonders niedrige Reibwerte. Die Herstellung dieser Schichtsysteme erfolgt über PVD-Verfahren (Magnetron-Sputtern), die eine gezielte Einstellung des Dotierungsgehaltes ermöglichen. Durch die Vanadium-Modifizierung sind Schichthärten von 1.600 – 2.500 HV0,005 bei guter Haftung erreichbar (Abbildung 2 rechts).

Abbildung 2:Gefügeaufbau und Eigenschaften der verwendeten Ti-B-N-Mehrlagen und CrVN-dotierten Schichten in den Versuchsserien

Abbildung 2: Gefügeaufbau und Eigenschaften der verwendeten Ti-B-N-Mehrlagen und CrVN-dotierten Schichten in den Versuchsserien

Untersuchungen und Ergebnisse

Werkzeugbehandlungen und Verschleißuntersuchungen

Die Entwicklung von Behandlungen zur Verschleißreduzierung erfolgte mit besonderem Augenmerk auf die Kombination aus Plasmanitrierung und Schichtsystem. Es wurden daher zunächst umfangreiche Plasmanitriervariationen am Warmarbeitsstahl 1.2343 (X38CrMoV5-1) durchgeführt (vgl. Abbildung 1). Abhängig vom Stickstoffgehalt im Behandlungsgas, der Temperatur und der Plasmaintensität ließen sich bei gleicher Behandlungsdauer qualitativ sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften des randnahen Bereiches bezüglich der Rissempfindlichkeit und thermischen Beständigkeit einstellen. Die Bildung von Verbindungsschichten wurde für die Kombinationsbehandlung durch geeignete Parameterwahl unterdrückt oder vor der anschließenden Beschichtung durch Strahlen entfernt wurde.

Für die folgenden Verschleißuntersuchungen am IFUM wurden Testgesenke (vgl. Abbildung 3 links) mit Kombinationen aus Beschichtungen (CrVN / Ti-B-N) und Plasmanitrierung (schwache Nitrierung mit NHT von 80 µm) sowie nur nitrierte Testgesenke mit einer starken Nitrierung (NHT von 250 µm) einem industrienahen Serienschmiedeprozess eingesetzt. Hierzu wurde eine am IFUM vorhandene vollautomatisierte Schmiedelinie mit einer 3.150 kN Exzenterpresse verwendet. Die untersuchten rotationssymmetrischen Werkzeuge (Obergesenke) verfügen über einen zentralen Dornzapfen mit einem konvexen Radius und gegenüberliegender Gratbahn. Diese Geometrie repräsentiert eine für industrielle Schmiedewerkzeuge typische Werkzeuggeometrie. Die umgeformten Rohteile bestanden aus 1.7225 (42CrMoV4) mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 40 mm.

Zur Beurteilung des Werkzeugverschleißes wurden neben der optischen und taktilen Bewertung der Verschleißerscheinungen umfangreiche Untersuchungen an Querschliffen vorgenommen (Rissuntersuchung im Lichtmikroskop, Aufnahme von Härtetiefenprofilen etc.) sowie die Oberflächen mittels Rasterelektronenmikroskop und EDX-Analysen auf Beschichtungsbestandteile und Rißschädigung untersucht. Zur Quantifizierung des auftretenden wurden taktile Kontur- und Topographievermessungen herangezogen, welche die Abweichungen der Ist-Geometrie nach definierten Schmiedezyklen zur Soll-Geometrie im verschleißfreien Zustand erfassten.

Abschließend wurden die gewonnenen Ansätze zur Verschleißoptimierung in produktions­begleitenden Praxistests in einem Schmiedebetrieb eines Projektpartners in Schmiedeversuchen überprüft. Bei dem Werkzeug handelte es sich um die zweite Umformstufe (Vorschmiedestufe) eines mehrstufigen Umformprozesses für Turbinenschaufeln, da hier die größten Werkzeugbeanspruchungen auftreten. Sowohl Ober- als auch Untergesenk dieses Umformschrittes unterliegen stärkstem Verschleiß.

Abbildung 3:Untersuchte Werkzeugsysteme: Testgesenk (Obergesenk) für Standmengenuntersuchungen am IFUM (links) und Werkzeug (Obergesenk) für den Industrieversuch

Abbildung 3: Untersuchte Werkzeugsysteme: Testgesenk (Obergesenk) für Standmengenuntersuchungen am IFUM (links) und Werkzeug (Obergesenk) für den Industrieversuch

Ergebnisse der Serienuntersuchungen am IFUM

Es wurden mehrere Versuchsserien durchgeführt, die qualitativ unterschiedlich gestaltete Plasmanitrierbehandlungen bezüglich der Intensität der Behandlung, ausgedrückt in der angegebenen NHT, mit unterschiedlichen Beschichtungen (CrVN, Ti-B-N) kombinierten.

Dabei zeigten die Untersuchungen im Fazit, dass zwei tribologisch und thermisch deutlich unterschiedlich belastete Zonen in dem gewählten Testgesenk existieren:

a)    Der konvexe Dornradius, der stark thermisch und abrasiv durch den Materialfluss und die Kontakttemperaturen beansprucht wird,

b)    der Bereich des Gratbahninnenradius, der maßgeblich durch Verschleiß beansprucht wird und eine stark abrasive Komponente aufweist.

Bereits vor den Versuchen durchgeführte Belastungsanalysen auf Basis der FEM zeigen diese lokal unterschiedlich beanspruchten Zonen. Numerisch bestimmte Kontakttemperaturen und Gleitwege zeigen für den Dornradius ein Maximum für thermische und tribologische Beanspruchungen. Der Bereich des Innen­grat­bahn­radius wird als zweite Hauptbelastungszone identifiziert wobei hier die tribologische Komponente dominiert.

Alle eingesetzten Werkzeuge wurden nach definierten Versuchsintervallen von 100 Schmiedezyklen aus der Anlage ausgebaut und auf den entstehenden Verschleiß untersucht. Abbildung 4 zeigt exemplarisch die Ergebnisse von zwei unterschiedlich behandelten Werkzeugen nach der maximalen Beanspruchung von 1.500 Schmiedezyklen.

Abbildung 4:Qualitativ unterschiedliche Behandlungen an Versuchsgesenken mit den jeweiligen Auswirkungen in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen

Abbildung 4: Qualitativ unterschiedliche Behandlungen an Versuchsgesenken mit den jeweiligen Auswirkungen in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen

Auf der linken Seite (Abbildung 4a und c) ist ein mit einer Kombinationsbehandlung aus schwacher Plasmanitrierung (NHT von 80 µm) und CrVN-Schicht behandeltes Gesenk abgebildet. Die rechte Seite (Abbildung 4b und d) zeigt ein nur nitriertes Gesenk mit starker Plasmanitrierung (NHT 250 µm).

Am Dornradius zeigt sich das Potential einer angepassten Plasmanitrierbehandlung sehr deutlich: Die schwache Nitrierung bei der Kombinationsbehandlung führt zu einem hohen Verschleiß durch Einebnung bzw. Abtrag des Radius, begünstigt durch eine Entfestigung des Grundwerkstoffes in Folge thermischer Überlastung. Dies zeigen auch entsprechende Untersuchungen der Härteprofile in diesem Bereich. Das stark nitrierte Werkzeug zeigt kaum Geometrieänderungen, auffällig ist allerdings die Ausbildung eines Rissnetzwerkes in Richtung des Materialflusses. Dies tritt als Folge der Thermoschock-Beanspruchung während der Sprühkühlphase auf und ist ein Indikator für die gesteigerte Rißempfindlichkeit, die Ausgangspunkte für einen verstärkten abrasiven Abtrag sein können. Insgesamt überwiegt im Dornbereich jedoch die Anforderung eines gegen die thermisch dominierten Beanspruchungen stabil ausgelegten Nitrierprozesses.

Das Verschleißverhalten der Stirnfläche des zentralen Dorns wurde sowohl durch optische Beurteilung als auch durch taktile Vermessung beurteilt. Die Verwendung von Kenngrößen des flächenhaften Materials, maßgeblich die Kernrauheit sk, ermöglichte eine Beurteilung der Beständigkeit gegen Rissbildung und damit der Stabilität der Topografie. Die besten Ergebnisse konnten in diesem Bereich mit einer CrVN-Beschichtung mit 13% V in Kombination mit einer geringen Nitrierhärtetiefe erzielt werden.

Der Bereich des konvexen Gratbahninnenradius zeigt im Fall der beschichteten Variante einen deutlich reduzierten Abtrag gegenüber der nur nitrierten Variante, bei der das hier entstandene Rissnetzwerk offensichtlich die auftretende Abrasion begünstigt. REM- und EDX-Untersuchungen zeigen hier noch nach 1.500 Zyklen vorhandene und verschleißreduzierende Schichtbestandteile (CrVN). Dies zeigt das hohe Potential für den Einsatz thermisch stabiler Hartstoffschichten in diesem Beanspruchungsfall.

Aus den Erkenntnissen der Serienschmiedeversuche lässt sich schließen, dass für einen optimalen Verschleißschutz die Behandlung auf die lokal unterschiedlich ausgeprägten Belastungskollektive und den daraus resultierenden lokal wirkenden Verschleißmechanismen angepasst werden muss. Eine für die betrachtete Gesenkgeometrie optimale Behandlung sollte aus einer intensiven Nitrierung für den Dornbereich (> 200 µm Nht) und einer schwachen Nitrierung (75 µm Nht) in Kombination mit einer Hartstoffbeschichtung (CrVN) für den Gratbahnbereich bestehen.

Ergebnisse des industriellen Großserienschmiedeprozess

Eine Überprüfung der gewonnen Ansätze erfolgte in einem produktions­begleitenden Versuch, der in Produktionsprozessen von Turbinenschaufeln (Abbildung 5a und b) durchgeführt wurde. Diese Industrieversuche bestätigten im Wesentlichen die bereits an den Versuchsgesenken ermittelten Erkenntnisse.

Der erste Behandlungsansatz erfolgte auf Basis einer Standardbehandlung durch einheitliche Nitrierung der gesamten Gesenkkontur mit einer Nitrierhärtetiefe von 200 µm mit zusätzlicher CrVN-Beschichtung. Dadurch zeigte sich eine hohe Rissanfälligkeit der Oberfläche nach der Behandlung (Abbildung 5c), welche die Standmenge der Gesenke schließlich durch die unzureichende Oberflächenqualität der Schmiedeteile begrenzte. Dies zeigte sich in der stark zerrütteten Oberfläche. Die beschädigten Radien zeigen aber gleichzeitig die Notwendigkeit, eine hohe Nitrierhärtetiefe zu verwenden, um eine Stabilisierung der thermisch hoch belasteten Radien zu erreichen.

Abbildung 5:Darstellung des Industrieversuches

Abbildung 5: Darstellung des Industrieversuches

Ein optimierter Ansatz bestand daraufhin in einer partiellen Behandlung, in der die rissgefährdeten Bereiche während der Behandlung mit Pasten abgedeckt wurden und somit von der Nitrierbehandlung ausgenommen wurden. Dadurch ließ sich eine intensive partielle Nitrierung in Kombination mit einer Hartstoffbeschichtung der gesamten Gesenkkontur realisieren. In Abbildung 5d ist der Erfolg dieser Strategie für den betrachteten Gesenkbereich ersichtlich: Die Rissbildung ließ sich in den kritischen Bereichen weitgehend unterdrücken bei gleichzeitigem Schutz der hoch belasteten Radien.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der dargestellten Ergebnisse wurden in Serienschmiedeversuchen unterschiedlich behandelte Werkzeuge auf ihr Verschleißverhalten hin untersucht.

 

Folgende generelle Aussagen zu den Verschleißschutzmaßnahmen lassen sich daraus ableiten:

  • Einer Entfestigung durch Überhitzung sollte durch eine intensive Nitrierung mit großer Nitrierhärtetiefe begegnet werden.
  • Rissbildung in Folge einer Thermoschockbelastung (Sprühkühlung) kann durch eine hohe Duktilität des Grundwerkstoffes verringert werden. Dies bedeutet, eine möglichst schwache Nitrierung mit geringer Nitrierhärtetiefe anzuwenden.
  • Zur Reduzierung abrasiven Verschleißes erscheint die Applikation einer Hartstoffbeschichtung (CrVN, Ti-B-N-Systeme) besonders zielführend.

Diesen teilweise gegensätzlichen Anforderungen und lokal sehr unterschiedlich ausgeprägten Beanspruchungen bei Werkzeugen der Warm­massiv­umformung kann für einen optimalen Verschleißschutz nur eine partielle Behandlung gerecht werden.

Danksagung

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), welches das IGF-Vorhaben (16205 N) „Entwicklung chrom- und borbasierter Verschleißschutzschichten für die Warmmassivumformung – Einfluss des Schichtdesigns auf die Werkzeugstandmengen“ der Forschungsvereinigung (Werkstoffe und Werkzeuge) über die 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 hat.

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