Keramikwerkzeuge in der Umformtechnik

Keramikwerkzeuge
in der Umformtechnik
Hochleistungskeramiken sind recht junge
Werkstoffe, die aus synthetisch hergestellten,
hochreinen Grundstoffen hergestellt werden.
Typischerweise handelt es sich hierbei um
Verbindungen zwischen Metallen und
Nichtmetallen oder Halbmetallen. In der
Regel sind die einzelnen Atome keramischer
Werkstoffe durch ionische oder kovalente
Bindung verbunden. Daraus resultieren ihre
hohe Steifigkeit und Härte, jedoch auch ihr
sprödes Bruchverhalten. Um möglichst
defektarme Werkstoffe und damit insbesondere
bessere mechanische Eigenschaften zu
erzielen, wurde die Gefügefeinheit in den vergangenen
Jahren immer weiter erhöht – eine
Entwicklung, wie sie ähnlich auch bei den
Hartmetallen zu beobachten ist.
Bei der Herstellung keramischer Bauteile
wird das Ausgangspulver zunächst zu einer
gieß- oder preßfähigen Masse verarbeitet.
Diese wird zu einem sogenannten Grünling
geformt, der bei höheren Stückzahlen in
Formwerkzeugen entsprechend der Endgeometrie
des Bauteils hergestellt wird. Bei klei-
Zur Endbearbeitung von Keramik werden hauptsächlich das Schleifen,
Honen und Läppen eingesetzt
nen Stückzahlen geht man von einfach
geformten Grünlingen aus, die durch spanende
Bearbeitung vorbearbeitet werden.
Anschließend werden die Grünlinge gesintert,
wobei in der Regel Genauigkeiten nicht
besser als 0,1 mm erreicht werden. Die meisten
Anwendungen im Bereich des Maschinenbaus
erfordern jedoch höhere Genauigkeiten
und machen daher eine Endbearbeitung
der gesinterten Bauteile unumgänglich.
Die Endbearbeitung als letzter Schritt zum
fertigen Bauteil ist von großer Bedeutung für
Kosten und Qualität. Zur Endbearbeitung von
Keramik werden industriell im wesentlichen
das Schleifen, Läppen, Honen und in einigen
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2001
FACHBEITRÄGE
Fällen auch die Funkenerosion und die
Laserbearbeitung angewandt. Der Einsatzbereich
des jeweiligen Verfahrens orientiert
sich in erster Linie an den erzielbaren Abtragraten
und den zu erzeugenden Geometrien.
Ein weiteres Kriterium für die Verfahrensauswahl
ist die erreichbare Bauteilqualität.
Dies schließt Dimensions- und Formgenauigkeit
ebenso ein wie Oberflächenrauheit und
Bauteilfestigkeit.
Aus dem Bild geht hervor, daß die Verfahrenspalette
gegenüber metallischen Werkstoffen
eingeschränkt ist. Beispielsweise kann
fertiggesinterte Keramik
nicht gedreht, gebohrt
oder gefräst werden,
und auch die funkenerosiveBearbeitung
oder Laserbearbeitung
ist nur an
wenigen keramischen
Werkstoffen möglich.
Diese Restriktionen
haben grundlegende
Konsequenzen für die
Anwendungsmöglichkeiten
von Keramik, da
sie die Breite realisierbarer
Geometrien stark
einschränken.
Für einen erfolgreichen
Keramikeinsatz
ist zusätzlich zu berücksichtigen,
daß die Endbearbeitung die
Festigkeit eines Bauteils erheblich beeinflußt.
Anders als metallische Werkstoffe sind Keramiken
wesentlich empfindlicher gegen bearbeitungsbedingte
Oberflächenschädigungen,
die sich in einer merklichen Herabsetzung der
Bauteilfestigkeit bzw. einer Gefährdung ihrer
Funktionsfähigkeit äußern können. Es ist also
eine keramikgerechte Endbearbeitung unumgänglich.
Keramikwerkzeuge im Bereich der Umformung
Oft werden dem Begriff Keramik lediglich
eine hohe Härte und Druckfestigkeit zugeord-
Dr.-Ing. Andreas Wagemann,
Herzogenrath
Auch im Bereich der
Umformtechnik ist die stete
Weiterentwicklung der Prozeßtechnologie eng verbunden mit
Verbesserungen der eingesetzten Produktionswerkzeuge.
Neue Potentiale eröffnet hier der Einsatz von
Hochleistungskeramiken. Im folgenden werden keramische
Werkstoffe, ihre spezifischen Eigenschaften und ihre
Einsatzmöglichkeiten in der Umformtechnik vorgestellt.
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net. Dies ist jedoch in erster Linie von Bedeutung
für diejenigen Anwendungen, in denen
eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen abrasiven
Verschleiß gefordert ist. Ein mindestens
ebenso wichtiger Faktor sind die tribologischen
Eigenschaften von Keramiken, also ihr
Verhalten im Reibkontakt.
Keramiken unterscheiden sich von Hartmetallen
und Stählen grundlegend durch ihren
nichtmetallischen Bindungscharakter. Tribologisch
gesehen bedeutet dies eine geringere
stoffliche Ähnlichkeit der Reibpartner und
damit eine schwächere Adhäsionsneigung
zwischen Metallen und Keramiken. Übertragen
auf den Umformprozeß bedeutet dies
geringere Reibkräfte, eine schwächere Neigung
zum Kaltverschweißen und einen niedrigeren
adhäsiven Verschleiß.
Gerade in der Umformtechnik bietet Hochleistungskeramik
damit technologische und
wirtschaftliche Vorteile gegenüber den aktuell
üblichen Werkzeugwerkstoffen. Allerdings
setzt ein erfolgreicher Einsatz von Keramik
voraus, daß die werkstoffspezifischen Eigenarten
des Werkstoffs berücksichtigt werden.
Ähnlich wie Hartmetalle können Keramiken
mechanische Überlastungen nicht
durch Fließvorgänge ausgleichen. Als sprödharte
Werkstoffe sind sie besonders empfindlich
gegen Zugspannungen. Konstruktiv bedeutet
dies beispielsweise die Vermeidung
von Spannungsüberhöhungen oder die Erzeugung
von Druckvorspannungen. Prinzipiell
sind die entsprechenden Regeln hierzu vom
Hartmetall bekannt, jedoch ist bei der
Auslegung keramischer Komponenten wegen
der deutlich geringeren Bruchfestigkeiten
wesentlich genauer vorzugehen.
Prinzipiell eignen sich Keramiken als
Werkzeugbaustoff für das gesamte Feld der
Umformtechnik. In der Drahtherstellung ist
der Einsatz keramischer Ziehkonen beispielsweise
technischer Standard und zum Walzen
von Draht werden Keramikrollen erfolgreich
eingesetzt. Mittlerweile haben sich Keramikkomponenten
darüber hinaus in der Drahtverarbeitung
beispielsweise in Richteinheiten,
zur Drahtklemmung etc. etabliert.

Vorteile keramischer Matrizen Bilder: BeaTec
Auch in der Blechumformung sind Hochleistungskeramiken
aus wirtschaftlichen und
technologischen Gründen eine interessante
Alternative zu Werkzeugstählen und Hartmetallen.
Keramiken senken die erforderlichen
Umformkräfte und erzeugen bei vielen Blechwerkstoffen
bessere Oberflächen am erzeugten
Produkt. Keramische Ziehwerkzeuge
eröffnen die Perspektive, Schmierstoff einzusparen
und zusätzlich Umformschritte zusammenzufassen
und dadurch Folgeverbundwerkzeuge
einfacher zu gestalten .
Ein weiteres interessantes Feld für den Einsatz
keramischer Werkzeuge ist der Bereich
der Kaltmassivumformung. Hier treten sehr
hohe Kontaktspannungen und Werkzeuginnendrücke
auf, die verstärkt die Bildung von
Verschweißungen zwischen Werkstück und
Werkzeug bzw. adhäsiven Verschleiß bedingen.
Gerade hier bietet Keramik große Vorteile.
Im Produktionseinsatz hat sich gezeigt, daß
Keramikwerkzeuge bei entsprechender Auslegung
der Armierung die auftretenden Werkzeuginnendrücke
problemlos ertragen und
Standzeiten erreichen, die drei- bis fünfmal so
hoch sind wie bei Hartmetall-Werkzeugen.
Die oft geäußerten Vorbehalte gegenüber der
mechanischen Belastbarkeit von Keramik
werden hier eindeutig widerlegt.
Warmmassivumformung mit Keramikwerkzeugen
Zu den bereits dargestellten Vorteilen im
Bereich der Kaltumformung kommt beim
Schmieden die Hochtemperaturbeständigkeit
keramischer Werkstoffe zum Tragen. So gibt
es bei Keramik keine Probleme mit Anlaßeffekten
und dem damit verbundenen Verlust
von Festigkeit und Härte des Werkzeugs.
Auch bezüglich der Thermoschockbelastung
der Werkzeuge durch den Wechsel zwischen
heißem Werkstück und kaltem Schmierstoff
sind bei Keramik bisher keine Probleme
aufgetreten, obwohl die Belastung zumindest
in der Werkzeugrandzone hoch ist.
Das Bild oben zeigt die Keramikmatrize
eines Werkzeugs zum Warmfließpressen. Die
bisherigen Einsatzerfahrungen mit solchen
FACHBEITRÄGE
und ähnlichen Werkzeugen
haben analog
zur Kaltumformung
das günstige tribologische
Verhalten bestätigt.
So konnten die
Umformkräfte verglichen
mit nitrierten
Stahlwerkzeugen bei
gleichem Schmierstoff
und teilweise sogar
reduzierter Schmierstoffmenge
um bis zu
40 % reduziert werden.
Dies ist insofern sehr
interessant, als der
durch Wandreibung
verursachte Kraftanteil relativ zum Anteil des
Stoffflusses offensichtlich recht hoch ist.
Durch den gleichmäßigen, riefenfreien
Verschleiß der Keramikmatrizen blieb auch
die Produktoberfläche über die Standzeit konstant
gut.
Die bisher im Einsatz befindlichen Keramikwerkzeuge
haben ausschließlich rotationssymmetrische
Formen, da nur diese durch
Schleifen wirtschaftlich herstellbar sind. Wie
bereits einleitend dargestellt, sind die bei
Hartmetall und Stahl gängigen Verfahren
Erodieren und Hartzerspanung (nur bei Stahl)
bei den umformtechnisch relevanten Keramiken
noch nicht einsetzbar. Es wird jedoch
intensiv daran gearbeitet, erodierbare Werkstoffe
in der erforderlichen Qualität herzustellen,
um auch komplexere Gravuren bzw.
Einsätze herstellen zu können.
Wegen der Belastung der Schmiedewerkzeuge
kommen Keramikmatrizen nur armiert
zum Einsatz, wobei die Armierung aufwendiger
gestaltet ist als bei Matrizen aus Werkzeugstahl.
Dies ist jedoch nur bedingt als
Wettbewerbsnachteil zu werten, da die Armierungen
bei entsprechender Auslegung mehrfach
wiederverwendbar sind und lediglich der
Keramikkern getauscht werden muß.
Verglichen mit Beschichtungen sind bei der
Warmumformung die Vorteile keramischer
Werkzeuge noch deutlicher als bei der
Kaltumformung. Beim Schmieden sind einerseits
aufgrund der hohen Arbeitstemperaturen
die Probleme durch unterschiedliche thermische
Dehnung von Substrat und Beschichtung
erheblich. Andererseits bedingen bei Werkzeugen
aus Werkzeugstahl Anlaßeffekte eine
Verringerung der Substrathärte und begünstigen
damit den sog. Eierschaleneffekt bzw. das
Abplatzen der Schicht.
Darüber hinaus sind an Schmiedewerkzeugen
in den meisten Fällen relativ große
Verschleißbeträge zulässig. Hierdurch sind
monolithische Keramikeinsätze mit ihrer
durchgehend gleichen Härte und ihrem glatten
Verschleißbild noch länger einsetzbar.
Neben Matrizen sind auch Dorne in sehr
vielen Schmiedewerkzeugen zu finden; auch
hier sind Keramiken als Werkzeugwerkstoff
interessant. In einem laufenden Forschungsvorhaben
werden verschiedene ausgewählte
Keramiksorten und Hartmetalle als Gesenkeinsätze
im Schmiedeprozeß getestet. Ziel der
vergleichenden Untersuchungen ist es, die
Vorteile keramischer Werkstoffe im Vergleich
zu Hartmetallen und Stahl einzugrenzen.
Diese grundlegenden Untersuchungen werden
an einem Modellwerkzeug (Bild unten)
durchgeführt, bei dem der verschleißkritische
Dornbereich durch einen Keramik- oder Hartmetalleinsatz
ersetzt wird. Es sind damit die
Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften
dieser Werkstoffe und ihrem Verhalten beim
Schmieden zu ermitteln.
Nach den bisherigen Forschungsarbeiten
zeigen die Hartstoffeinsätze in den Schmiedeversuchen
nach 1000 Zyklen keinen bzw.
kaum mit dem Auge erkennbaren Verschleiß.
Auch hier hat sich damit gezeigt, daß die getesteten
Werkstoffe für den Gesenkbau geeignet
sind und ein großes Potential zur Standmengenerhöhung
erschließen. Analog zu den
Erfahrungen mit Fließpreßmatrizen treten an
den Keramikdornen keine Verschleißriefen
auf.
Versuchswerkzeug für
Modellversuche Bild: IFUM
Diese Veröffentlichung berichtet auch
über Ergebnisse aus folgenden geförderten
F+E-Projekten zum Schmieden mit
Keramikwerkzeugen: BMBF-Projekt Nr.
03N5022 (CFI, BeaTec, Hirschvogel
Umformtechnik, Fimitol, IFUM Uni
Hannover) und AiF-Projekt 12087B
(IFUM Uni Hannover, Inst. f. Werkstoffkunde
Uni Hannover, Fraunhofer-IKTS
Dresden). Das Forschunsgprojekt Nr. AiF
12087B wird aus Mitteln des Bundesministeriums
für Wirtschaft (BMWi) über
die Arbeitsgemeinschaft industrieller
Forschungsvereinigungen „Otto von
Guericke“ e. V. (AiF) und die Forschungsgesellschaft
Stahlverformung
e. V. (FSV) im Rahmen der vorwettbewerblichen
Gemeinschaftsforschung gefördert.
Die Langfassung des Abschlußberichts
kann bei der FSV, Goldene Pforte
1, 58093 Hagen, angefordert werden.
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