Neue Werkstoffkonzepte für erhöhte Standzeiten und verbesserte Funktionalität von Werkzeugen und Formen

von Andreas Weisheit

Der Werkzeug- und Formenbau für urformende und umformende Verfahren steht in Deutschland großen Herausforderungen gegenüber. Einerseits drängen asiatische Werkzeugbauer auf den europäischen Markt und andererseits erwarten die Kunden eine immer komplexere Funktionalität (z. B. lokal unterschiedliches Wärmemanagement, oder lokal unterschiedliche Anforderungen an Verschleiß- und Korrosionsschutz) und kürzere Zykluszeiten bei höherer Werkzeugverfügbarkeit. Zudem steigt die  Geometriekomplexität der Bauteile, die umgeformt, gegossen oder gespritzt werden sollen, um z. B. spätere Fügeoperationen zu vermeiden.

Die Hersteller von Werkzeugstählen tragen diesen Entwicklungen durch eine ständige Weiterentwicklung ihrer Produkte Rechnung. Jedoch stößt die Legierungsentwicklung an Grenzen, da ineinem homogenen Werkstoffe nicht immer alle geforderten Eigenschaften durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung und der Wärmbehandlung in optimaler Weise kombiniert werden können.

Eigenschaften wie Zähigkeit und Festigkeit, oder Verschleißbeständigkeit gegen Abrasion und Ermüdungsfestigkeit sind teilweise gegenläuig und lassen sich nur bedingt in einem Werkstoff miteinander vereinen. Hinzu kommt, dass in einem Werkzeug häufig lokal sehr unterschiedliche thermische, mechanische, korrosive und tribologische Belastungen auftreten. In der Regel muss daher immer ein der spezifischen Anwendung angepasster Kompromiss gefunden werden. Um dieses Dilemma aufzuheben, sind neue Werkstoffkonzepte erforderlich, die das Werkzeug nicht mehr als homogene Einheit betrachten, sondern als ein aus Modulen aufgebautes Bauteil, in dem jedes Modul ein optimal angepasstes Eigenschaftsprofil aufweist.

Dünne Schichten verbessern die Verschleißbeständigkeit

Eine Randschichtbehandlung – lokal oder auf der gesamten Oberß äche – ist eine Möglichkeit, das Eigenschaftsprofil anzupassen. Schon seit vielen Jahren eingesetzt werden das Laserhärten und Nitrieren. Diese Verfahren erhöhen die Härte der Randschicht des Werkzeuges durch Martensit- bzw. Nitridbildung. Das Härten ist jedoch nur für die Kaltumformung geeignet. Bei Werkzeugen, die zyklisch oder permanent höheren Temperaturen ausgesetzt sind, sinkt die Randschichthärte aufgrund von Anlasseffekten rasch wieder ab. Nitrierschichten sind dagegen anlassbeständig und werden z. B. in der Schmiedetechnik eingesetzt. Allerdings können nitrierte Werkzeuge nur mit großem Aufwand durch Auftragschweißen repariert werden, da die Nitridschicht und die Diffusionszone vollständig abgetragen werden müssen, um riss- und porenfrei Auftragschweißen zu können.

Zahlreiche Forschungsarbeiten befassen sich mit dem Auftragen von Einzeloder Viellagenschichten aus Nitriden und Karbiden durch PVD oder CVD (z. B. TiC/TiCN/TiN oder CrN) mit typischen Dicken von 1 – 6 µm. Hierbei kann eine Randschichthärte von über 3000 HV eingestellt werden. Um das rasche Abplatzen der Schichten im Betrieb zu vermeiden („Eierschaleneffekt“), kann diese Behandlung mit dem Plasmanitrieren kombiniert werden, wodurch eine verfestigte Stützschicht erzeugt wird. Für Schmiedegesenke wurde an einfachen Modellgesenken eine Reduzierung des Verschleißes größer 50 % gegenüber einer nitrierten Schicht nachgewiesen.

Aufgrund der großen Sprödigkeit der Schichten kann jedoch die Rissbildung in kritischen Radien nicht verhindert werden. In höchstbelasteten Bereichen eines Werkzeuges führt die große Sprödigkeit sogar zu einem erhöhten Verschleiß.

Hybride Werkzeuge als Alternative

Ein weiterer Lösungsansatz sind Werkzeugeinsätze aus Keramik wie Siliziumnitrid. Die Einsätze werden in den hoch belasteten Bereichen eines Stahlgesenkes durch Aktivlöten eingebracht. Ein reduzierter Verschleiß konnte bereits in Modellversuchen nachgewiesen werden.

Derartige Hybridgesenke stehen jedoch noch am Anfang der Entwicklung. Zu untersuchen ist u. a., wie sich die unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften von Keramik und Stahl auf die Temperaturwechselbeständigkeit auswirken.

Das Auftragschweißen bietet vielfältige Varianten für Werkstoffkonzepte

Ein anderer Ansatz ist das Auftragschweißen von angepassten Schichtwerkstoffen in den hochbelasteten Bereichen eines Werkzeuges. Hierbei können Schichtdicken von einigen Zehntel- bis mehreren Millimetern realisiert werden. Untersuchungen zum Auftragschweißen wurden bereits in den Achtziger Jahren durchgeführt.

Als Verfahren kommen u. a. WIG-Schweißen, Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder Laserauftragschweißen zum Einsatz. Ein verbesserter Verschleißwiderstand kann z. B. durch Eisenbasislegierungen mit erhöhten Gehalten an Karbiden (z. B. Borkarbid, Vanadiumkarbid, Niobkarbid) erzielt werden. Alternativ können die Hartstoffe auch in die Randschicht des Werkzeuges dispergiert werden. Derartige Schichten sind insbesondere dort geeignet, wo überwiegend abrasiver Verschleiß auftritt.

Das Laserauftragschweißen bietet aufgrund der hohen Präzision des Verfahrens über das Aufbringen klassischer Verschleißschutzwerkstoffe hinaus noch weitere Möglichkeiten. So können z. B. Gradientenschichten aufgetragen werden.

Dazu wird in jeder aufgebrachten Lage die Zusammensetzung des Werkstoffes verändert. Dies geschieht durch entsprechende Dosierung zweier unabhängig voneinander zugeführter Werkstoffe. Durch eine hohe Aufmischung von Lage zu Lage wird ein Gradient in der chemischen Zusammensetzung über die gesamte Schichtdicke eingestellt. Da mittels Laserauftragschweißen auch sehr dünne Schichten (0.1 – 0.3 mm) aufgetragen werden können, sind Gradientenschichten von 1 – 2 mm realisierbar.

Auf diese Weise können in einer Schicht Eigenschaften wie z. B. Zähigkeit und Härte kombiniert werden, indem z. B. der Anteil eines hochlegierten Werkzeugstahls von Lage zu Lage erhöht wird und nur an der Oberß äche die höchste Härte und der größte  Karbidanteil für einen optimalen Verschleißschutz eingestellt wird.

Die unteren Lagen weisen aber noch eine ausreichende Festigkeit als Stützwirkung auf und sind zäh genug, um Rissfortschritt zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen. Außerdem werden mit gradierten Schichten Eigenschaftssprünge zwischen Schichtund Substrat vermieden, die häufigg Ursache für das Versagen (z. B. durch Abplatzen der Schicht) sind. Gradierte Schichten eignen sich besonders dort, wo weiche Werkstoffe wie Kupfer- oder Aluminiumlegierungen vor Verschleiß geschützt werden  müssen. Werden auf diese Werkstoffe harte Schichten aufgetragen, sind die Eigenschaftssprünge in der Regel deutlich problematischer als bei artähnlichen Werkstoffen (z. B. Stahl auf Stahl).

Außerdem können Gradientenschichten die Unterschiede in den thermophysikalischen Eigenschaften besser ausgleichen. Gerade bei zyklischer Temperaturbelastung eines Werkzeuges kann dies sonst zu vorzeitigem Versagen führen.

Ein Anwendungsbeispiel sind Kerne in Spritzgießwerkzeugen. Im Hinblick auf den Wärmehaushalt sind Kupferlegierungen der ideale Werkstoff. Die Zykluszeiten können durch eine rasche Wärmeabfuhr verkürzt werden. Der Verschleißwiderstand von Kupfer ist jedoch zu gering. Gradientenschichten in den hochbelasteten Bereichen können hier Abhilfe schaffen.

Ein weiter gehender Ansatz ist die generative Herstellung kompletter Werkzeugeinsätze mit einer chemischen Gradierung. Auch hierfür eignet sich das Laserauftragschweißen. So kann der Kern z. B. aus einem zähen Material aufgebaut werden. Zur Oberß äche hin werden Festigkeit und Härte durch entsprechende Werkstoffänderungen gesteigert.

Die generative Fertigung sollte dabei auf hochbelastete Werkzeugsegmente beschränkt bleiben, um den Aufwand für die generative Fertigung klein zu halten. Derzeit wird dieser Ansatz für Druckgießwerkzeuge erprobt. Auch die in den letzten Jahren forcierte Nanotechnologie bietet Ansätze für eine verbesserte Funktionalität von Werkzeugen und Formen. Die Idee beruht darauf, Nanopartikel (Durchmesser < 100 nm) in einer zum Substratwerkstoff artgleichen Beschichtung zu dispergieren und damit das Eigenschaftsprofil gezielt anzupassen, ohne jedoch die Matrixeigenschaften wesentlich zu verändern. Hierin unterscheidet sich dieser Ansatz auch von den oben genannten Beschichtungsverfahren.

Nanopartikel haben nachweislich eine positive Wirkung auf die Gefügeausbildung (Homogenisierung, Gefügefeinung, Vermeidung von Rissen), wodurch sich positive Effekte auf mechanische, chemische und tribologische Eigenschaften ergeben. Gegenüber Mikropartikeln (typische Durchmesser 5 – 50 µm) bieten Nanopartikel entscheidende Vorteile: Sie weisen ein extrem großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis auf, d. h., dass schon mit geringen Zusätzen von wenigen Volumenprozent in einem Matrixwerkstoff – eine homogene Verteilung vorausgesetzt – eine große Wirkung erzielt werden kann. Vergleichbar ist dies mit dem Effekt, der bei der Ausscheidungshärtung erzielt wird.

Mit kleinen Volumenanteilen können Eigenschaften selektiver beeinß usst werden. Bei Mikropartikeln müssen relativ große Volumenanteile eingebracht werden (> 30 Vol.-%), um z. B. die Verschleißbeständigkeit signiÞ kant zu verbessern.

Dadurch werden aber auch andere Eigenschaften wie die thermische Ausdehnung stark verändert, wodurch bei Temperaturzyklen im Betrieb thermische Spannungen zwischen Substrat und Randschicht auftreten, die die Rissbildung fördern. Die Risse können zu einer unzulässigen Oberß ächengüte des Werkstückes führen, oder zu Schichtausbrüchen, wodurch die Standzeit wiederum verringert wird. Kleinere Volumenanteile nanopartikulärer Zusätze lassen hier jedoch eine wesentlich geringe Änderung erwarten. Die Randschicht besteht überwiegend aus dem Substratmaterial und weist auch dessen thermo-physikalische Eigenschaften auf. Hier liegt auch ein entscheidender Vorteil gegenüber Hartstoff-Beschichtungen (z. B. TiN). Ein weiterer Vorteil liegt in der Nachbearbeitung der Schichten. Auftraggeschweißte Schichten können nicht auf Endmaß genau aufgetragen werden und müssen daher mit einem Aufmaß versehen werden (typisch sind 0.2 – 0.4 mm), damit anschließend das Endmaß durch spanende Bearbeitung hergestellt werden kann. Weichen die Eigenschaften der Schicht stark von denen des Substrates ab, sind hierzu häufig andere Fräs- oder Erodierparameter erforderlich als für den Substratwerkstoff.

Der spanende Prozess muss dann für jeden Schichtwerkstoff angepasst werden. Das Fräsen muss evtl. sogar durch ein anderes Verfahren (z. B. Schleifen) ersetzt werden. Dies erhöht die Fertigungskosten. Wird der Substratwerkstoff jedoch in seiner Zusammensetzung nur geringfügig verändert, so ist zu erwarten, dass beschichtete und unbeschichtete Bereiche eines Gesenkes mit demselben Verfahren endbearbeitet werden können. Die sphärischen Nanopartikel beeinß ussen den spanabhebenden Prozess nur geringfügig.

Ein weiteres Problem in vielen Werkzeugen ist ein örtlich ungleicher Wärrmehaushalt, der zu ungleichmäßiger Schwindung, Verzug und Spannungen im Bauteil führen kann. Diesem Problem kann man z. B. durch eine konturangepasste Kühlung/Temperierung im Werkzeug begegnen.

Hier hat sich das pulverbettbasierte generative SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) mittlerweile etabliert. Durch den schichtweisen Aufbau des Werkzeuges bestehen nahezu keine geometrischen Grenzen in der Fertigung. Ein weiterer Lösungsansatz  sind hybride Werkzeuge.

Ein Beispiel hierfür ist ein Formkern aus einer Kupferlegierung mit konturangepassten Kühlkanälen, hergestellt mit SLM, der in verschleißkritischen Zonen mittels Laserauftragschweißen beschichtet wird.

Neue Werkstoffkonzepte erfordern Feldversuche für die Validierung

Die aufgeführten Werkstoffkonzeptezeigen, dass es zahlreiche Ansätze gibt, Standzeiten und Funktionalität von Werkzeugen und Formen zu verbessern. Bisher haben alle aufgeführten Werkstoffkonzepte mit Ausnahme des Laserhärtens und des Nitrierens jedoch noch keinen Eingang in die Serienfertigung gefunden. Dies hängt damit zusammen, dass viele der Ansätze neu sind und die Eigenschaftsverbesserungen noch nicht in ausgedehnten Feldversuchen überprüft wurden. Standardisierte Verschleißtests können die komplexen Vorgänge in Werkzeugen nur sehr bedingt abbilden. Auch Versuche in Modellgesenken oder Modellgießmaschinensind nur begrenzt aussagefähig, da die Schusszahl aus Kostengründen nur ein Bruchteil, wie in der Praxis gefordert, beträgt.

Somit fehlen den Anwendern Daten mit denen wirtschaftliche Vorteile wie verminderter Wartungsaufwand durch Standzeiterhöhungen, erhöhte Produktivität durch Zyklusverkürzung, oder verbesserte Produktqualität durch verbesserte Maßhaltigkeit der Werkzeuge sicher berechnet werden können. Um die neuen Ansätze zu veriÞ zieren ist daher auch mehr Mut der Anwender gefordert, neue Werkstoffkonzepte schneller in der industriellen Praxis zu erproben. Dadurch könnte auch die Weiterentwicklung zielgerichteter erfolgen.

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