Neue Stähle und Verfahren für innovative Produkte

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1 Innovationsdrehscheibe Bergisches Land Knipex C. Gustav Putsch KG, Neue Stähle und Verfahren für innovative Produkte Prof. Dr.-Ing. Sebastian Weber Fachbereich D, Abteilung Maschinenbau Lehrstuhl für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe Folie 1

2 Folie 2 Stiftungsprofessur in Solingen 2. Etage: Bergisches Institut 1. Etage: Stiftungslehrstuhl Sockelgeschoss: Labor BI und BUW

3 Folie 3 Ausgewählte Stahl-Entwicklungsthemen Karosseriestahl Werkzeugstahl Multi-Phasen TWIP Presshärten Korr.-Best. Stahl Bainitisieren Beschichten Th.-Phys. Eigenschaften PM-Stahl Warmfestigkeit C+N-Legierungskonzept H 2 -Versprödung high Mn steels PM-Beschichtungen Additive Fertigung

4 Folie 4 Inhalt Einleitung Presshärteverfahren Werkstofftechnische Anforderungen Beispiel: 40CrMnMo7 CALPHAD-Methode Entwicklung eines neuen Stahls Zusammenfassung Ausblick

5 Folie 5 Einleitung PKW-Gewichtsreduktion durch Leichtbau Ziel: Verbrauchs- und CO 2 -Emissions-Reduktion Stoff-, Formgebungs- und Fertigungsleichtbau Trend zu einem Multi-Material-Mix (TK InCar plus) Trend zum Einsatz von mehr Presshärtestahl Quelle: VDEh / Volkswagen

6 Folie 6 Presshärteverfahren Schematischer Ablauf des Presshärteprozesses Ziel: Hochfestes, umgeformtes Blech mit a -Struktur Standardstahl: 22MnB5-[AlSiFe] / T Aus =920 C Umformung erfolgt im warmen, austenitischen Zustand Vorteil: Verformungsvermögen, Rückfederung Herausforderungen an das Umformwerkzeug: R p0.2 / W ab / l Innovationspotential durch Werkzeugstahl-Entwicklung

7 Folie 7 Werkstofftechnische Anforderungen Schnelle Abfuhr der Wärme => hohes l des Werkzeugs Einfluss l auf Produktivität und Bauteileigenschaften AlSiFe-Beschichtung der Platine => Umwandlung in IMP IMP hart und spröde => Verschleiß des Werkzeugs Ziel: Härte H und Verschleißwiderstand W ab -1 Einfluss Wärmebehandlung auf l von Werkzeugstählen? AlSiFe 22MnB5 Quelle: AP&T

8 Folie 8 Beispiel: 40CrMnMo7 (Kunststoffformenstahl) Chemische Analyse des untersuchten Werkzeugstahls Zustand gehärtet: ~ alle Elemente in Lösung (a ) Gehärtet & angelassen: a + Karbide Wärmeleitung erfolgt durch Elektronen und Phononen a : l el ( ), l ph ( ) // Karbide: l el ( ), l ph ( ) Deutlicher Einfluss des Wärmebehandlung zu erwarten

9 Folie 9 Beispiel: 40CrMnMo7 (Kunststoffformenstahl) gehärtet (Q) 692 HV30 30,0 Wm -1 K -1 Q+200 C 669 HV30 30,5 Wm -1 K -1 Q+400 C 476 HV30 36,6 Wm -1 K -1 Q+600 C 323 HV30 44,8 Wm -1 K -1 REM-Gefügebilder des Stahls 40CrMnMo7 (a mit Anlasskarbiden, überwiegend Fe 3 C)

10 Folie 10 CALPHAD: 40CrMnMo7 T Aus T Anl C Cr Mn Si Ni Mo Cu Fe Ferrit 0,002 0,261 0,812 0,227 0,064 0,031 0,050 Rest M 7 C 3 8,562 33,38 14,66-0,005 3,00-40,38 Ferrit 0,001 0,451 0,866 0,230 0,064 0,137 0,050 Rest M 3 C 6,801 23,29 10,88-0,005 0,567-58,46 Mit CALPHAD berechnete Gleichgewichte des Stahls 40CrMnMo7 für T=600 C Calculation of Phase Diagrams ( computational thermodynamics ) Erlaubt die Berechnung von Gleichgewichts-Zuständen Berechnung von Phasendiagrammen für Mehrstoffsysteme

11 Folie 11 Entwicklung eines neuen Stahls: 60MoCrW CALPHAD-Berechnungen Härte-Anlass-Diagramme Wilzer, Weber, Escher, Theisen, Werkstofftechnische Anforderungen an Presshärtewerkzeuge am Beispiel der Werkzeugstähle X38CrMoV5-3, 30MoW33-7 und 60MoCrW HTM J. Heat Treatm. Mat. (demnächst)

12 Folie 12 Entwicklung eines neuen Stahls: 60MoCrW Wärmeleitfähigkeit / Wärmebehandlung Abrasiver Verschleiß Deutlicher Einfluss des Anlassens auf l Neu entwickelter Stahl: W ab -1 ( ) und l ( ) Ideale Eigenschaftskombination für Presshärtewerkzeuge

13 Folie 13 Zusammenfassung Stahlentwicklung ist immer noch aktuell. Zahlreiche Erkenntnisse lassen sich transferieren. Nutzung von Grundlagenergebnissen ist machbar. l von Werkzeugstahl abhängig von Wärmebehandlung. CALPHAD-Methode als nützliches Werkzeug. Verwendung in Lehre & Forschung auch an der BUW. Weiterführende Literatur für Interessierte: Wilzer, Lüdtke, Weber, Theisen, The influence of heat treatment and resulting microstructures on the thermophysical properties of martensitic steels, Journal of Materials Science (2013) 48, DOI /s (open access)

14 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT UND IHRE FRAGEN Prof. Dr.-Ing. Sebastian Weber Folie 14

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