Optimierung von Warmarbeitswerkzeugen: Fortschrittliche Wärme- und Oberflächenbehandlungstechniken

Die Leistung des Werkzeugs wird durch die Wärmebehandlungstechnologie beeinflusst, da die Zähigkeit des Werkzeugstahls durch Wärmebehandlung erhöht werden kann, wodurch die Standzeit des Werkzeugs erheblich verbessert wird. Die Arbeitsbedingungen von Warmarbeitswerkzeugen sind extrem anspruchsvoll und komplex, da sie alle in direkten Kontakt mit dem erhitzten Rohling oder der flüssigen Schmelze kommen und während des gesamten Prozesses wiederholt erhitzt und abgekühlt werden. Gleichzeitig wirken Stoßbelastungen. Daher sind die Leistungsanforderungen an Warmarbeitswerkzeugstähle äußerst streng, um den Einsatzanforderungen gerecht zu werden. Durch Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlungstechnologie können die Leistungskennzahlen des Werkzeugs verbessert und somit die Standzeit erhöht werden.

Was ist Wärmebehandlung?

Wärmebehandlung ist ein thermisches Bearbeitungsverfahren für Metalle. Darunter versteht man das Erhitzen, Halten und Abkühlen von Werkstoffen im festen Zustand, um die gewünschte Struktur und Eigenschaften zu erhalten.

Die Metallwärmebehandlung ist einer der wichtigsten Prozesse in der Maschinenfertigung. Im Gegensatz zu anderen Verfahren ändert die Wärmebehandlung grundsätzlich weder die Form noch die Gesamtchemische Zusammensetzung des Werkstücks. Sie dient dazu, die Werkstoffeigenschaften durch Veränderung der inneren Mikrostruktur oder der chemischen Zusammensetzung der Werkstückoberfläche zu verleihen oder zu verbessern. Wärmebehandlung verbessert die innere Qualität des Werkstücks – diese Veränderung ist generally nicht mit bloßem Auge sichtbar.

Warmarbeitswerkzeugstahl

Warmarbeitswerkzeugstahl wird zur Herstellung von Werkzeugen verwendet, die Metalle im erhitzten Zustand umformen, einschließlich Warm Schmiedewerkzeuge, Warm Extrusionswerkzeuge, Druckgussformen und Hochgeschwindigkeits-Schmiedewerkzeuge.

Arbeitsbedingungen und Leistungsanforderungen an Warmarbeitswerkzeugstahl

Das Warmarbeitswerkzeug muss während der Arbeit große Stoßkräfte aufnehmen, die Werkzeughöhle steht in Kontakt mit heißem Metall und wird wiederholt erhitzt und abgekühlt – die Einsatzbedingungen sind hart. Um den Anforderungen an Warmarbeitswerkzeuge gerecht zu werden, sollte Warmarbeitswerkzeugstahl folgende Eigenschaften aufweisen: hohe Warmfestigkeit und gute Zähigkeit. Gute Verschleißfestigkeit und hohe thermische Stabilität. Ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit und hohe Durchhärtbarkeit. Gute Wärmeleitfähigkeit und gute Umformbarkeit.

Legierungsbehandlung

Der Kohlenstoffgehalt in Warmarbeitswerkzeugstahl wird allgemein zwischen 0,3 % und 0,6 % C gehalten, um die erforderliche Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit zu erreichen. Ist der Kohlenstoffgehalt zu hoch, nehmen Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ab; ist er zu niedrig, lassen sich Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit nur schwer gewährleisten.

Chrom verbessert die Durchhärtbarkeit und die Anlassbeständigkeit. Das Zusammenwirken von Nickel und Chrom kann nicht nur die Durchhärtbarkeit verbessern, sondern auch die gesamten mechanischen Eigenschaften optimieren. Mangan erhöht Durchhärtbarkeit und Festigkeit, verringert aber die Zähigkeit. Molybdän, Wolfram, Vanadium etc. können Sekundärhärtung bewirken, die Rotglühhärte, Anlassbeständigkeit, Thermoschockbeständigkeit und Kornverfeinerung verbessern.

Wärmebehandlungsprozess

Der Wärmebehandlungsprozess umfasst grundsätzlich drei Phasen: Erhitzen, Halten und Abkühlen, manchmal nur Erhitzen und Abkühlen. Diese Phasen sind miteinander verbunden und dürfen nicht unterbrochen werden.

Erhitzen

Das Erhitzen ist einer der wichtigsten Prozesse der Wärmebehandlung, es gibt viele Erhitzungsmethoden. Früher wurden Holzkohle und Kohle als Wärmequelle verwendet, heute flüssige und gasförmige Brennstoffe. Die Anwendung von Elektrizität macht das Erhitzen leicht steuerbar und umweltfreundlich.

Da das Werkstück beim Erhitzen der Luft ausgesetzt ist, treten häufig Oxidation und Entkohlung auf, was den Oberflächeneigenschaften nach der Wärmebehandlung schadet. Daher sollte das Metall in kontrollierter Atmosphäre, Schutzgas, im Schmelzsalzbad, im Vakuum oder durch schützende Beschichtungen und Verpackungsmethoden erhitzt werden. Die Erhitzungstemperatur ist einer der wichtigsten Prozessparameter, ihre Auswahl und Kontrolle sind entscheidend für die Wärmebehandlungsqualität.

Halten

Die Erhitzungstemperatur variiert je nach Wärmebehandlungszweck und zu behandelndem Werkstoff, liegt aber generally über der Umwandlungstemperatur, um eine Hochtemperaturstruktur zu erhalten. Die Umwandlung benötigt jedoch Zeit, daher muss das Werkstück, sobald die Oberfläche die erforderliche Temperatur erreicht hat, für eine bestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten werden, bis die Innen- und Außentemperaturen ausgeglichen und die Mikrostruktur vollständig umgewandelt sind. Diese Zeit wird als Haltezeit bezeichnet.

Abkühlen

Das Abkühlen ist ebenfalls ein unverzichtbarer Schritt im Wärmebehandlungsprozess. Die Abkühlmethode variiert je nach Verfahren, im Wesentlichen wird die Abkühlgeschwindigkeit gesteuert. Generally ist die Abkühlgeschwindigkeit beim Glühen am langsamsten, beim Normalisieren schneller und beim Härten am schnellsten. Unterschiedliche Stahlsorten können jedoch unterschiedliche Anforderungen stellen.

Oberflächenbehandlungstechnologie für Werkzeugstahl

Gängige Oberflächenverfestigungstechniken sind chemische Wärmebehandlung, Hochenergie-Strahl-Oberflächenverfestigung und physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung.

Übliche chemische Wärmebehandlungen sind Aufkohlen, Nitrieren, Borieren etc. Diese Oberflächenbehandlungsverfahren sind traditionelle Prozesse, die sich durch niedrige Kosten und hohe Zuverlässigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren auszeichnen und viele Optionen bieten.

Die Hochenergie-Strahl-Oberflächenverfestigung zeichnet sich durch schnelle Erwärmung, geringe Werkstückverformung, fehlendes Kühlmittel, gute Steuerbarkeit und leichte Automatisierbarkeit aus. Unter diesen Technologien findet die Laser-Oberflächenmodifikation die meiste Forschungsanwendung. Aktuell konzentriert sich die Forschung auf die Kombination der guten Steuerbarkeit dieser Technologie mit geringem Substrateinfluss und anderen Verfahren für neue Prozessentwicklungen.

Gasphasenabscheidung unterteilt sich in chemische (CVD) und physikalische (PVD) Gasphasenabscheidung. Diese Methoden dienen hauptsächlich dazu, eine keramische Beschichtung auf der Werkzeugoberfläche zu erzeugen. Das Hauptproblem keramischer Beschichtungen ist jedoch, dass ihre thermische Ausdehnung nicht mit der des Werkzeugstahl-Grundwerkstoffs übereinstimmt, was zu frühzeitigem Rissversagen der Beschichtung führt. Daher ist das Plasmanitrieren vor der keramischen Beschichtung eine wirksame Methode, um die Haftfestigkeit zwischen keramischer Beschichtung und Substrat zu verbessern und die Standzeit von Warmarbeitswerkzeugen signifikant zu erhöhen. Da verschiedene keramische Beschichtungen – ob ein- oder mehrlagig oder mit Nitrieren kombiniert – unvermeidlich Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zum Grundwerkstoff aufweisen, beeinträchtigen sie die Thermoschockfestigkeit des Werkzeugs. Daher ist ein Verbundbeschichtungssystem erforderlich. Dieses kann der Druckgussformoberfläche Funktionen wie Anlötfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Verschleißschutz verleihen. Das Hauptmerkmal dieses Beschichtungssystems ist die Reduzierung des Wärmeeintrags in das Werkzeug, die Verlangsamung der Temperaturänderung und die Verbesserung der Thermoschockfestigkeit des Werkzeugstahls.

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