Angepasste Randschichtmodifikation zur Reduzierung des thermoschockbedingten Verschleißes bei Schmiedegesenken

Das Forschungsziel dieses Projektes ist die Entwicklung thermoschockbeständiger Randschichtmodifikationen zur Erhöhung der Standmenge von Schmiedegesenken. Es sind eine Vielzahl wirksamer Oberflächenbehandlungen zur Reduzierung des Werkzeugverschleißes beim Schmieden bekannt, diese wirken sich jedoch häufig negativ auf die Thermoschockbeständigkeit der Schmiedewerkzeuge aus. Dies führt auf der Werkzeugoberfläche zu einer ausgeprägten Rissbildung und damit verbunden zu einem Funktionsverlust der Verschleißschutzbehandlung. Dieser Effekt tritt besonders nach sehr langen und intensiven Nitrierprozessen auf, die eigentlich benötigt werden, um thermisch hochbelastete Bereiche durch die erzielten hohen Nitrierhärtetiefen zu stabilisieren. Ein grundlegendes Verständnis der auftretenden Effekte und die Charakterisierung unterschiedlicher Nitrierbehandlungen in Kombination mit der darauf aufbauenden Entwicklung thermoschockbeständigerer Behandlungen bietet die Möglichkeit, die verschleißinitiierende Wirkung der Risse zu reduzieren und dadurch die Standmenge der Werkzeuge deutlich zu verbessern. Hierzu wird eine Modellumgebung mit schmiedeüblichen Aufheiz- und Abkühlraten entwickelt, die die thermomechanische Wechselbeanspruchung ohne Überlagerung weiterer Belastungen abbildet. Vor allem tribologische Belastungen, die durch fortschreitenden Materialabtrag das zu detektierende Rissbild verändern, sind zu vermeiden. Die isolierte Betrachtung ermöglicht umfangreiche Untersuchungen zu den mikrostrukturellen Vorgängen sowie zu den Veränderungen der Eigenspannungstiefenprofile in der Werkzeugrandschicht unter schmiedetypischen Belastungen. Dafür sind zyklische thermomechanische Wechselbelastungen in der Modellumgebung vorgesehen. Als Lösungsansätze für thermoschockbeständige Behandlungen sind angepasste Nitrierbehandlungen und vor allem nachgeschaltete Wärmebehandlungen der erzeugten Nitrierschichten vorgesehen, um das Eigenspannungsprofil der oberflächennahen Bereiche günstig zu beeinflussen. Durch die Wärmebehandlung kann die Diffusion in der Randschicht reaktiviert und damit das Stickstoffprofil verändert werden, um ggf. duktilere Oberflächen mit günstigeren Eigenspannungsprofilen und reduzierter Rissneigung zu erzeugen.

Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse aus der Modellumgebung auf einen realen Schmiedeprozess gewährleisten zu können, sind Validierungsversuche im Serienschmiedeprozess vorgesehen. Die umfassende Auswertung dieser Versuche erlaubt die Bewertung der entwickelten Behandlungen unter realen Prozessbedingungen. Dabei werden etwaige Wechselwirkungen der thermoschockresistenten Behandlungen mit anderen Verschleißerscheinungen herausgearbeitet und anschließend eine Behandlungsrichtlinie erarbeitet, um die einfache Implementierung der Projektergebnisse in die industrielle Praxis zu ermöglichen.