Keramikwerkzeuge in der Umformtechnik
Keramikwerkzeuge in der Umformtechnik
Keramikwerkzeuge in der Umformtechnik
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<strong>Keramikwerkzeuge</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Umformtechnik</strong><br />
Hochleistungskeramiken s<strong>in</strong>d recht junge<br />
Werkstoffe, die aus synthetisch hergestellten,<br />
hochre<strong>in</strong>en Grundstoffen hergestellt werden.<br />
Typischerweise handelt es sich hierbei um<br />
Verb<strong>in</strong>dungen zwischen Metallen und<br />
Nichtmetallen o<strong>der</strong> Halbmetallen. In <strong>der</strong><br />
Regel s<strong>in</strong>d die e<strong>in</strong>zelnen Atome keramischer<br />
Werkstoffe durch ionische o<strong>der</strong> kovalente<br />
B<strong>in</strong>dung verbunden. Daraus resultieren ihre<br />
hohe Steifigkeit und Härte, jedoch auch ihr<br />
sprödes Bruchverhalten. Um möglichst<br />
defektarme Werkstoffe und damit <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />
bessere mechanische Eigenschaften zu<br />
erzielen, wurde die Gefügefe<strong>in</strong>heit <strong>in</strong> den vergangenen<br />
Jahren immer weiter erhöht – e<strong>in</strong>e<br />
Entwicklung, wie sie ähnlich auch bei den<br />
Hartmetallen zu beobachten ist.<br />
Bei <strong>der</strong> Herstellung keramischer Bauteile<br />
wird das Ausgangspulver zunächst zu e<strong>in</strong>er<br />
gieß- o<strong>der</strong> preßfähigen Masse verarbeitet.<br />
Diese wird zu e<strong>in</strong>em sogenannten Grünl<strong>in</strong>g<br />
geformt, <strong>der</strong> bei höheren Stückzahlen <strong>in</strong><br />
Formwerkzeugen entsprechend <strong>der</strong> Endgeometrie<br />
des Bauteils hergestellt wird. Bei klei-<br />
Zur Endbearbeitung von Keramik werden hauptsächlich das Schleifen,<br />
Honen und Läppen e<strong>in</strong>gesetzt<br />
nen Stückzahlen geht man von e<strong>in</strong>fach<br />
geformten Grünl<strong>in</strong>gen aus, die durch spanende<br />
Bearbeitung vorbearbeitet werden.<br />
Anschließend werden die Grünl<strong>in</strong>ge ges<strong>in</strong>tert,<br />
wobei <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel Genauigkeiten nicht<br />
besser als 0,1 mm erreicht werden. Die meisten<br />
Anwendungen im Bereich des Masch<strong>in</strong>enbaus<br />
erfor<strong>der</strong>n jedoch höhere Genauigkeiten<br />
und machen daher e<strong>in</strong>e Endbearbeitung<br />
<strong>der</strong> ges<strong>in</strong>terten Bauteile unumgänglich.<br />
Die Endbearbeitung als letzter Schritt zum<br />
fertigen Bauteil ist von großer Bedeutung für<br />
Kosten und Qualität. Zur Endbearbeitung von<br />
Keramik werden <strong>in</strong>dustriell im wesentlichen<br />
das Schleifen, Läppen, Honen und <strong>in</strong> e<strong>in</strong>igen<br />
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001<br />
FACHBEITRÄGE<br />
Fällen auch die Funkenerosion und die<br />
Laserbearbeitung angewandt. Der E<strong>in</strong>satzbereich<br />
des jeweiligen Verfahrens orientiert<br />
sich <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie an den erzielbaren Abtragraten<br />
und den zu erzeugenden Geometrien.<br />
E<strong>in</strong> weiteres Kriterium für die Verfahrensauswahl<br />
ist die erreichbare Bauteilqualität.<br />
Dies schließt Dimensions- und Formgenauigkeit<br />
ebenso e<strong>in</strong> wie Oberflächenrauheit und<br />
Bauteilfestigkeit.<br />
Aus dem Bild geht hervor, daß die Verfahrenspalette<br />
gegenüber metallischen Werkstoffen<br />
e<strong>in</strong>geschränkt ist. Beispielsweise kann<br />
fertigges<strong>in</strong>terte Keramik<br />
nicht gedreht, gebohrt<br />
o<strong>der</strong> gefräst werden,<br />
und auch die funkenerosiveBearbeitung<br />
o<strong>der</strong> Laserbearbeitung<br />
ist nur an<br />
wenigen keramischen<br />
Werkstoffen möglich.<br />
Diese Restriktionen<br />
haben grundlegende<br />
Konsequenzen für die<br />
Anwendungsmöglichkeiten<br />
von Keramik, da<br />
sie die Breite realisierbarer<br />
Geometrien stark<br />
e<strong>in</strong>schränken.<br />
Für e<strong>in</strong>en erfolgreichen<br />
Keramike<strong>in</strong>satz<br />
ist zusätzlich zu berücksichtigen,<br />
daß die Endbearbeitung die<br />
Festigkeit e<strong>in</strong>es Bauteils erheblich bee<strong>in</strong>flußt.<br />
An<strong>der</strong>s als metallische Werkstoffe s<strong>in</strong>d Keramiken<br />
wesentlich empf<strong>in</strong>dlicher gegen bearbeitungsbed<strong>in</strong>gte<br />
Oberflächenschädigungen,<br />
die sich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er merklichen Herabsetzung <strong>der</strong><br />
Bauteilfestigkeit bzw. e<strong>in</strong>er Gefährdung ihrer<br />
Funktionsfähigkeit äußern können. Es ist also<br />
e<strong>in</strong>e keramikgerechte Endbearbeitung unumgänglich.<br />
<strong>Keramikwerkzeuge</strong> im Bereich <strong>der</strong> Umformung<br />
Oft werden dem Begriff Keramik lediglich<br />
e<strong>in</strong>e hohe Härte und Druckfestigkeit zugeord-<br />
Dr.-Ing. Andreas Wagemann,<br />
Herzogenrath<br />
Auch im Bereich <strong>der</strong><br />
<strong>Umformtechnik</strong> ist die stete<br />
Weiterentwicklung <strong>der</strong> Prozeßtechnologie eng verbunden mit<br />
Verbesserungen <strong>der</strong> e<strong>in</strong>gesetzten Produktionswerkzeuge.<br />
Neue Potentiale eröffnet hier <strong>der</strong> E<strong>in</strong>satz von<br />
Hochleistungskeramiken. Im folgenden werden keramische<br />
Werkstoffe, ihre spezifischen Eigenschaften und ihre<br />
E<strong>in</strong>satzmöglichkeiten <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Umformtechnik</strong> vorgestellt.<br />
22<br />
net. Dies ist jedoch <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie von Bedeutung<br />
für diejenigen Anwendungen, <strong>in</strong> denen<br />
e<strong>in</strong>e hohe Wi<strong>der</strong>standsfähigkeit gegen abrasiven<br />
Verschleiß gefor<strong>der</strong>t ist. E<strong>in</strong> m<strong>in</strong>destens<br />
ebenso wichtiger Faktor s<strong>in</strong>d die tribologischen<br />
Eigenschaften von Keramiken, also ihr<br />
Verhalten im Reibkontakt.<br />
Keramiken unterscheiden sich von Hartmetallen<br />
und Stählen grundlegend durch ihren<br />
nichtmetallischen B<strong>in</strong>dungscharakter. Tribologisch<br />
gesehen bedeutet dies e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>gere<br />
stoffliche Ähnlichkeit <strong>der</strong> Reibpartner und<br />
damit e<strong>in</strong>e schwächere Adhäsionsneigung<br />
zwischen Metallen und Keramiken. Übertragen<br />
auf den Umformprozeß bedeutet dies<br />
ger<strong>in</strong>gere Reibkräfte, e<strong>in</strong>e schwächere Neigung<br />
zum Kaltverschweißen und e<strong>in</strong>en niedrigeren<br />
adhäsiven Verschleiß.<br />
Gerade <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Umformtechnik</strong> bietet Hochleistungskeramik<br />
damit technologische und<br />
wirtschaftliche Vorteile gegenüber den aktuell<br />
üblichen Werkzeugwerkstoffen. Allerd<strong>in</strong>gs<br />
setzt e<strong>in</strong> erfolgreicher E<strong>in</strong>satz von Keramik<br />
voraus, daß die werkstoffspezifischen Eigenarten<br />
des Werkstoffs berücksichtigt werden.<br />
Ähnlich wie Hartmetalle können Keramiken<br />
mechanische Überlastungen nicht<br />
durch Fließvorgänge ausgleichen. Als sprödharte<br />
Werkstoffe s<strong>in</strong>d sie beson<strong>der</strong>s empf<strong>in</strong>dlich<br />
gegen Zugspannungen. Konstruktiv bedeutet<br />
dies beispielsweise die Vermeidung<br />
von Spannungsüberhöhungen o<strong>der</strong> die Erzeugung<br />
von Druckvorspannungen. Pr<strong>in</strong>zipiell<br />
s<strong>in</strong>d die entsprechenden Regeln hierzu vom<br />
Hartmetall bekannt, jedoch ist bei <strong>der</strong><br />
Auslegung keramischer Komponenten wegen<br />
<strong>der</strong> deutlich ger<strong>in</strong>geren Bruchfestigkeiten<br />
wesentlich genauer vorzugehen.<br />
Pr<strong>in</strong>zipiell eignen sich Keramiken als<br />
Werkzeugbaustoff für das gesamte Feld <strong>der</strong><br />
<strong>Umformtechnik</strong>. In <strong>der</strong> Drahtherstellung ist<br />
<strong>der</strong> E<strong>in</strong>satz keramischer Ziehkonen beispielsweise<br />
technischer Standard und zum Walzen<br />
von Draht werden Keramikrollen erfolgreich<br />
e<strong>in</strong>gesetzt. Mittlerweile haben sich Keramikkomponenten<br />
darüber h<strong>in</strong>aus <strong>in</strong> <strong>der</strong> Drahtverarbeitung<br />
beispielsweise <strong>in</strong> Richte<strong>in</strong>heiten,<br />
zur Drahtklemmung etc. etabliert.
Vorteile keramischer Matrizen Bil<strong>der</strong>: BeaTec<br />
Auch <strong>in</strong> <strong>der</strong> Blechumformung s<strong>in</strong>d Hochleistungskeramiken<br />
aus wirtschaftlichen und<br />
technologischen Gründen e<strong>in</strong>e <strong>in</strong>teressante<br />
Alternative zu Werkzeugstählen und Hartmetallen.<br />
Keramiken senken die erfor<strong>der</strong>lichen<br />
Umformkräfte und erzeugen bei vielen Blechwerkstoffen<br />
bessere Oberflächen am erzeugten<br />
Produkt. Keramische Ziehwerkzeuge<br />
eröffnen die Perspektive, Schmierstoff e<strong>in</strong>zusparen<br />
und zusätzlich Umformschritte zusammenzufassen<br />
und dadurch Folgeverbundwerkzeuge<br />
e<strong>in</strong>facher zu gestalten .<br />
E<strong>in</strong> weiteres <strong>in</strong>teressantes Feld für den E<strong>in</strong>satz<br />
keramischer Werkzeuge ist <strong>der</strong> Bereich<br />
<strong>der</strong> Kaltmassivumformung. Hier treten sehr<br />
hohe Kontaktspannungen und Werkzeug<strong>in</strong>nendrücke<br />
auf, die verstärkt die Bildung von<br />
Verschweißungen zwischen Werkstück und<br />
Werkzeug bzw. adhäsiven Verschleiß bed<strong>in</strong>gen.<br />
Gerade hier bietet Keramik große Vorteile.<br />
Im Produktionse<strong>in</strong>satz hat sich gezeigt, daß<br />
<strong>Keramikwerkzeuge</strong> bei entsprechen<strong>der</strong> Auslegung<br />
<strong>der</strong> Armierung die auftretenden Werkzeug<strong>in</strong>nendrücke<br />
problemlos ertragen und<br />
Standzeiten erreichen, die drei- bis fünfmal so<br />
hoch s<strong>in</strong>d wie bei Hartmetall-Werkzeugen.<br />
Die oft geäußerten Vorbehalte gegenüber <strong>der</strong><br />
mechanischen Belastbarkeit von Keramik<br />
werden hier e<strong>in</strong>deutig wi<strong>der</strong>legt.<br />
Warmmassivumformung mit <strong>Keramikwerkzeuge</strong>n<br />
Zu den bereits dargestellten Vorteilen im<br />
Bereich <strong>der</strong> Kaltumformung kommt beim<br />
Schmieden die Hochtemperaturbeständigkeit<br />
keramischer Werkstoffe zum Tragen. So gibt<br />
es bei Keramik ke<strong>in</strong>e Probleme mit Anlaßeffekten<br />
und dem damit verbundenen Verlust<br />
von Festigkeit und Härte des Werkzeugs.<br />
Auch bezüglich <strong>der</strong> Thermoschockbelastung<br />
<strong>der</strong> Werkzeuge durch den Wechsel zwischen<br />
heißem Werkstück und kaltem Schmierstoff<br />
s<strong>in</strong>d bei Keramik bisher ke<strong>in</strong>e Probleme<br />
aufgetreten, obwohl die Belastung zum<strong>in</strong>dest<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> Werkzeugrandzone hoch ist.<br />
Das Bild oben zeigt die Keramikmatrize<br />
e<strong>in</strong>es Werkzeugs zum Warmfließpressen. Die<br />
bisherigen E<strong>in</strong>satzerfahrungen mit solchen<br />
FACHBEITRÄGE<br />
und ähnlichen Werkzeugen<br />
haben analog<br />
zur Kaltumformung<br />
das günstige tribologische<br />
Verhalten bestätigt.<br />
So konnten die<br />
Umformkräfte verglichen<br />
mit nitrierten<br />
Stahlwerkzeugen bei<br />
gleichem Schmierstoff<br />
und teilweise sogar<br />
reduzierter Schmierstoffmenge<br />
um bis zu<br />
40 % reduziert werden.<br />
Dies ist <strong>in</strong>sofern sehr<br />
<strong>in</strong>teressant, als <strong>der</strong><br />
durch Wandreibung<br />
verursachte Kraftanteil relativ zum Anteil des<br />
Stoffflusses offensichtlich recht hoch ist.<br />
Durch den gleichmäßigen, riefenfreien<br />
Verschleiß <strong>der</strong> Keramikmatrizen blieb auch<br />
die Produktoberfläche über die Standzeit konstant<br />
gut.<br />
Die bisher im E<strong>in</strong>satz bef<strong>in</strong>dlichen <strong>Keramikwerkzeuge</strong><br />
haben ausschließlich rotationssymmetrische<br />
Formen, da nur diese durch<br />
Schleifen wirtschaftlich herstellbar s<strong>in</strong>d. Wie<br />
bereits e<strong>in</strong>leitend dargestellt, s<strong>in</strong>d die bei<br />
Hartmetall und Stahl gängigen Verfahren<br />
Erodieren und Hartzerspanung (nur bei Stahl)<br />
bei den umformtechnisch relevanten Keramiken<br />
noch nicht e<strong>in</strong>setzbar. Es wird jedoch<br />
<strong>in</strong>tensiv daran gearbeitet, erodierbare Werkstoffe<br />
<strong>in</strong> <strong>der</strong> erfor<strong>der</strong>lichen Qualität herzustellen,<br />
um auch komplexere Gravuren bzw.<br />
E<strong>in</strong>sätze herstellen zu können.<br />
Wegen <strong>der</strong> Belastung <strong>der</strong> Schmiedewerkzeuge<br />
kommen Keramikmatrizen nur armiert<br />
zum E<strong>in</strong>satz, wobei die Armierung aufwendiger<br />
gestaltet ist als bei Matrizen aus Werkzeugstahl.<br />
Dies ist jedoch nur bed<strong>in</strong>gt als<br />
Wettbewerbsnachteil zu werten, da die Armierungen<br />
bei entsprechen<strong>der</strong> Auslegung mehrfach<br />
wie<strong>der</strong>verwendbar s<strong>in</strong>d und lediglich <strong>der</strong><br />
Keramikkern getauscht werden muß.<br />
Verglichen mit Beschichtungen s<strong>in</strong>d bei <strong>der</strong><br />
Warmumformung die Vorteile keramischer<br />
Werkzeuge noch deutlicher als bei <strong>der</strong><br />
Kaltumformung. Beim Schmieden s<strong>in</strong>d e<strong>in</strong>erseits<br />
aufgrund <strong>der</strong> hohen Arbeitstemperaturen<br />
die Probleme durch unterschiedliche thermische<br />
Dehnung von Substrat und Beschichtung<br />
erheblich. An<strong>der</strong>erseits bed<strong>in</strong>gen bei Werkzeugen<br />
aus Werkzeugstahl Anlaßeffekte e<strong>in</strong>e<br />
Verr<strong>in</strong>gerung <strong>der</strong> Substrathärte und begünstigen<br />
damit den sog. Eierschaleneffekt bzw. das<br />
Abplatzen <strong>der</strong> Schicht.<br />
Darüber h<strong>in</strong>aus s<strong>in</strong>d an Schmiedewerkzeugen<br />
<strong>in</strong> den meisten Fällen relativ große<br />
Verschleißbeträge zulässig. Hierdurch s<strong>in</strong>d<br />
monolithische Keramike<strong>in</strong>sätze mit ihrer<br />
durchgehend gleichen Härte und ihrem glatten<br />
Verschleißbild noch länger e<strong>in</strong>setzbar.<br />
Neben Matrizen s<strong>in</strong>d auch Dorne <strong>in</strong> sehr<br />
vielen Schmiedewerkzeugen zu f<strong>in</strong>den; auch<br />
hier s<strong>in</strong>d Keramiken als Werkzeugwerkstoff<br />
<strong>in</strong>teressant. In e<strong>in</strong>em laufenden Forschungsvorhaben<br />
werden verschiedene ausgewählte<br />
Keramiksorten und Hartmetalle als Gesenke<strong>in</strong>sätze<br />
im Schmiedeprozeß getestet. Ziel <strong>der</strong><br />
vergleichenden Untersuchungen ist es, die<br />
Vorteile keramischer Werkstoffe im Vergleich<br />
zu Hartmetallen und Stahl e<strong>in</strong>zugrenzen.<br />
Diese grundlegenden Untersuchungen werden<br />
an e<strong>in</strong>em Modellwerkzeug (Bild unten)<br />
durchgeführt, bei dem <strong>der</strong> verschleißkritische<br />
Dornbereich durch e<strong>in</strong>en Keramik- o<strong>der</strong> Hartmetalle<strong>in</strong>satz<br />
ersetzt wird. Es s<strong>in</strong>d damit die<br />
Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften<br />
dieser Werkstoffe und ihrem Verhalten beim<br />
Schmieden zu ermitteln.<br />
Nach den bisherigen Forschungsarbeiten<br />
zeigen die Hartstoffe<strong>in</strong>sätze <strong>in</strong> den Schmiedeversuchen<br />
nach 1000 Zyklen ke<strong>in</strong>en bzw.<br />
kaum mit dem Auge erkennbaren Verschleiß.<br />
Auch hier hat sich damit gezeigt, daß die getesteten<br />
Werkstoffe für den Gesenkbau geeignet<br />
s<strong>in</strong>d und e<strong>in</strong> großes Potential zur Standmengenerhöhung<br />
erschließen. Analog zu den<br />
Erfahrungen mit Fließpreßmatrizen treten an<br />
den Keramikdornen ke<strong>in</strong>e Verschleißriefen<br />
auf.<br />
Versuchswerkzeug für<br />
Modellversuche Bild: IFUM<br />
Diese Veröffentlichung berichtet auch<br />
über Ergebnisse aus folgenden geför<strong>der</strong>ten<br />
F+E-Projekten zum Schmieden mit<br />
<strong>Keramikwerkzeuge</strong>n: BMBF-Projekt Nr.<br />
03N5022 (CFI, BeaTec, Hirschvogel<br />
<strong>Umformtechnik</strong>, Fimitol, IFUM Uni<br />
Hannover) und AiF-Projekt 12087B<br />
(IFUM Uni Hannover, Inst. f. Werkstoffkunde<br />
Uni Hannover, Fraunhofer-IKTS<br />
Dresden). Das Forschunsgprojekt Nr. AiF<br />
12087B wird aus Mitteln des Bundesm<strong>in</strong>isteriums<br />
für Wirtschaft (BMWi) über<br />
die Arbeitsgeme<strong>in</strong>schaft <strong>in</strong>dustrieller<br />
Forschungsvere<strong>in</strong>igungen „Otto von<br />
Guericke“ e. V. (AiF) und die Forschungsgesellschaft<br />
Stahlverformung<br />
e. V. (FSV) im Rahmen <strong>der</strong> vorwettbewerblichen<br />
Geme<strong>in</strong>schaftsforschung geför<strong>der</strong>t.<br />
Die Langfassung des Abschlußberichts<br />
kann bei <strong>der</strong> FSV, Goldene Pforte<br />
1, 58093 Hagen, angefor<strong>der</strong>t werden.<br />
23 SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001