Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen

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1 Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen Bernd-Arno Behrens, Conrad Frischkorn Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover *Korrespondenzautor: Dipl.-Ing. Conrad Frischkorn Abteilung Massivumformung Tel: , Fax: Die Standzeiten von Werkzeugen und Bauteilen beeinflussen in einem hohen Maß die Wirtschaftlichkeit und Produktivität der eingesetzten technischen Anlagen. Insbesondere bei Werkzeugsystemen, die einem starken Verschleiß ausgesetzt sind, lassen sich durch den Einsatz verschleißfester Materialien die Lebensdauer erhöhen und damit die Intervalle für einen Werkzeugwechsel verlängern. Die bisher eingesetzten Monowerkstoffe stoßen allerdings in technologischer Hinsicht an ihre werkstoffspezifischen Grenzen. Der Einsatz von hochverschleißfesten Werkzeugen/Bauteilen aus partikelverstärkten MMC-Werkstoffen bietet somit ein enormes Einsparpotenzial die Produktions- und Fertigungskosten zu senken. Einleitung Schlüsselwörter: Pulvermetallurgie, partikelverstärkte Stahlwerkstoffe, drucküberlagertes Umformen Der Industrie entstehen jedes Jahr hohe wirtschaftliche Verluste durch Verschleiß an Bauteilen und Werkzeugen. Insbesondere in der Stahlherstellung, im Berg- und Maschinenbau, in der Landwirtschaft sowie in der Recyclingindustrie können durch die Entwicklung neuer verschleißfester Materialien Einsatzzeiten der Bauteile und Werkzeuge erhöht und damit Fertigungskosten gesenkt werden. Gegenwärtig werden in diesen Bereichen hauptsächlich Monomaterialwerkstoffe wie Werkzeugstähle und Manganstähle eingesetzt. Der Einsatz von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen, sogenannten MMC (Metall Matrix Composites), bietet die Möglichkeit die Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe zu kombinieren und auf diese Weise Materialsysteme mit höherer Härte und Festigkeit sowie verbesserter Verschleißbeständigkeit zu er- Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.1/10

2 zeugen. Da die Bauteile in vielen Fällen jedoch einer starken dynamischen Beanspruchung ausgesetzt sind, ist eine Kombination aus ausreichender Zähigkeit und hoher Verschleißbeständigkeit notwendig. Eine große Herausforderung zur Fertigung von derartigen MMC-Bauteilen besteht in der Umformung dieser Materialien, die sich aus komplexen tribologischen Wechselwirkungen zwischen der metallischen Matrix und der eingebrachten Verstärkungsphase ergibt. Innerhalb dieser Arbeit wird das grundlegende Umformverhalten von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen, die durch die pulvermetallurgische (PM) Route erzeugt werden, untersucht. Stand der Technik und Forschung Die Entwicklung der Metal Matrix Composite (MMC) hat in den letzten Jahrzenten zur Herstellung von hochfesten und steifen Materialien geführt, die eine vergleichsweise geringe Dichte aufweisen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus einem höheren Verschleißwiderstand auch bei höheren Einsatztemperaturen. Aufgrund des daraus resultierenden Leichtbaupotenzials werden diese Werkstoffe vorwiegend in der Luftund Raumfahrt sowie im Automobilbau eingesetzt [1,2]. Bei den hierbei eingesetzten Matrixwerkstoffen handelt es sich insbesondere um Leichtmetalle, die durch keramische Partikel (z. B. SiC, Al 2 O 3 etc.) oder Kurzfasern verstärkt werden. In den letzten Jahren wurden aber auch härtbare Stähle und Legierungen als Matrixwerkstoffe eingesetzt, denen keramische Partikel, wie z. B. Al 2 O 3, SiC, TiC und TiB 2, beigemischt wurden [3-5]. Zur Herstellung von MMC werden vereinzelt spezielle Verfahren verwendet bzw. entwickelt, wie die Karbothermische Reduktion (Liquid Metal Carbide Particulate Mixing) [6] oder verschiedene in-situ-verfahren zur Produktion von Dispersoiden [5]. Das verbreitetste Verfahren ist die PM-Route, vor allem das heiß-isostatische Pressen (HIP). Der Hauptnachteil des HIP-Verfahrens sind dessen Kosten und der Zeitaufwand, da die Dauer der einzelnen Verfahrensschritte bis zu mehreren Stunden betragen kann. Demgegenüber steht jedoch im Vergleich mit schmelzmetallurgischen MMC eine höhere Homogenität der Verstärkungspartikel und die wesentlich geringere Nachbearbeitung der Halbzeuge [7]. Weitere Verfahren nutzen das Sprühkompaktieren, bei dem die Pulvermischungen im geschmolzenen Zustand auf ein Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.2/10

3 Substrat gesprüht werden und anschließend zur weiteren Verdichtung stranggepresst oder geschmiedet werden [8]. Neuere Methoden nutzen das Flüssigphasensintern (Liquid Phase Sintering) zur Herstellung von MMC, bei denen das Matrixmaterial teilweise oder komplett in die flüssige Phase erwärmt wird. Hierdurch kommt es zur Teilchenumordnung im Sinterkörper, so dass die Dichte und damit der Verschleißwiderstand gegenüber konventionell gesinterten Werkstoffen erhöht werden kann [9,10]. Eine große Herausforderung bei MMC-Werkstoffen stellt trotz stetiger Weiterentwicklung der Werkstoffe und Fertigungsverfahren die Bearbeitung dieser Materialien dar. Insbesondere die starke abrasive Belastung bei der Weiterbearbeitung führt zu einem hohen Werkzeugverschleiß und damit zu überproportional hohen Fertigungskosten. Die generelle Umformbarkeit von Al-MMC Werkstoffen wurde in den letzten Jahren in unterschiedlichen Forschungsprojekten untersucht. Insbesondere aluminiumbasierte MMC standen hier im Mittelpunkt der Forschung [11-13]. Abouelmagd [13] konnte nicht nur eine Steigerung der Härte und der Druckfestigkeit durch die Erhöhung des Partikelgehalts erzielt werden, sondern es wurde ebenfalls ein Anstieg der Härte von 30 % aufgrund des Umformprozesses beobachtet. Der positive Einfluss des Schmiedens auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von MMC wurde von Ceschini [14] nachgewiesen. Hier wurde durch die Umformung eines Al-MMC (20 % Al 2 O 3 Partikel) eine deutliche Kornfeinung im Werkstoff festgestellt, die nicht nur zu einer deutlich höheren Zugdehnung sondern darüber hinaus zu einer Erhöhung der Härte, der Zugfestigkeit und des E-Moduls gegenüber des Ausgangsmaterials führte. Innerhalb dieser Arbeit wird zur Herstellung der Stahl-MMC die pulvermetallurgische Route gewählt, bei der die Proben erst gepresst und anschließend gesintert werden. Dieses Verfahren zeichnet sich gegenüber dem heißisostatischen Pressen durch geringere Kosten und kürzere Prozesszeiten aus. Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.3/10

4 Auswahl der Pulverwerkstoffe Zur Herstellung der Stahl-MMC werden als Matrixwerkstoffe ein Eisenpulver (Atomet 1001) mit 0,7 % Graphit und ein hochlegiertes Stahlpulver (HS 6-5-2) verwendet. Beide Pulver werden über die pulvermetallurgische Route durch Wasserverdüsen hergestellt und besitzen eine spratzige Kornform. Als keramische Verstärkungsphase wird Titancarbid (TiC) verwendet. Abbildung 1: REM-Aufnahmen der verwendeten Pulverwerkstoffe In den Abbildungen 1 und 2 sind REM-Aufnahmen sowie die Ergebnisse einer EDX- Analyse der eingesetzten Pulverpartikel dargestellt. Beide Stahlpulver weisen trotz ihrer unterschiedlichen Legierungszusammensetzung eine ähnliche Kornform und Größenverteilung auf, wohingegen sich das Titancarbidpulver aus kleineren und scharfkantigeren Körnern zusammensetzt. Abbildung 2: EDX-Analyse Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.4/10

5 Herstellung der MMC Die Stahlpulver werden mit dem Titancarbid in unterschiedlichen Fraktionierungen miteinander gemischt und durch uniaxiales Pressen bei 450 MPa kompaktiert. Jede Probe besitzt jeweils ein Gewicht von 40 g und einen Durchmesser von 20 mm. Infolge der unterschiedlichen Pressbarkeit der beiden Metallpulver werden dem Atomet 1001-Pulver 0-20 Gew.-% (0 %, 5 %, 10 %, 15 %, 20 %) und dem HS Pulver 0-10 % (0 %, 3 %, 5 %, 7 %, 10 %) Gew.-% TiC-Partikel beigemischt. Hierdurch wird jeweils eine ausreichende Grünlingstabilität für das Auspressen und den anschließenden Sinterprozess gewährleistet. Anschließend werden die Presslinge über einen Zeitraum von 60 Minuten bei einer Temperatur von 1100 C unter Vakuum gesintert. Zur Charaktisierung des Kompaktierungsgrads der jeweiligen Pulverkombination werden die Höhe und die relative Dichte unter Berücksichtigung des TiC Anteils der Proben bestimmt (Gleichungen 1, Abbildung 3). d MMC = ρ ρ MMC 0MMC = x ρ ρ + x MMC * ρ St * St TiC TiC (Gleichung 1) d MMC: Relative Dichte des MMC ρ MMC: Dichte des MMC ρ 0 MMC: Bezugsdichte des MMC x St: Prozentualer Gewichtsanteil des Stahlpulvers Prozentualer Gewichtsanteil des Titancarbids x TiC: Hier ist bei beiden Stahlpulvern mit zunehmendem TiC-Gehalt nicht nur ein Ansteigen der Probenhöhe sondern jeweils auch infolge der schlechteren Verpressbarkeit eine Reduzierung der relativen Dichte bzw. Erhöhung der Porosität zu beobachten. Höhe [mm] Atomet ,85 0,83 0,81 0,79 0,77 0,75 0,73 0,71 20 Höhe 0,69 relative Dichte 0, , TiC [%] relative Dichte Höhe [mm] HS ,85 0, , ,79 0, ,75 0, , ,69 Höhe 0,67 relative Dichte 19 0, TiC [%] relative Dichte Abbildung 3: Höhen und relative Dichteverläufe der gesinterten Proben in Abhängigkeit des TiC-Gehalts Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.5/10

6 Experimentelle Untersuchung und Ergebnisse Um eine Vergleichbarkeit der Proben beim Stauchen zu gewährleisten, werden alle Proben auf eine Höhe von 18 mm abgedreht. Die Proben werden anschließend in einem Thermobehälter auf 1000 C erwärmt und in einem servohydraulischen Umformsimulator (Plastometer) umgeformt. Der Umformgrad lag bei ϕ = 0,7 bzw. die Endhöhe der Proben bei 9 mm. Nach der Umformung lassen sich deutliche Defekte in Form von Rissen oder abgeplatzten Werkstoffbereichen beobachten. Selbst die Proben, denen kein TiC-Pulver beigemischt wurde, weisen deutliche Defekte im Außenbereich auf. In Abbildung 4 sind beispielhaft die umgeformten MMC-Proben mit dem Matrixpulver aus Atomet 1001 dargestellt. Abbildung 4: Freies Stauchen der MMC-Proben (Atomet 1001) ohne Hülse Es ist deutlich zu erkennen, dass die umgeformten Atomet 1001-Proben mit einem TiC Gehalt von 0-10 % im Außenbereich deutliche Risse aufweisen und ab einem Anteil von 15 % TiC eine komplette Trennung des Werkstoffverbundes vorliegt. Bei den gestauchten HS Proben tritt dieser Effekt der Werkstofftrennung bereits bei einem Partikelgehalt von 3 % TiC ein. Dieses schlechte Umformverhalten lässt sich einerseits auf das generell sehr spröde Materialverhalten von Stahl-MMCs aber auch auf die bestehenden Restporositäten von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen zurückführen. Die kleinen Hohlräume (Restporosität) innerhalb des Materialgefüges und eingelagerte TiC-Partikel stellen Schwachstellen dar, die ein Entstehen der Risse hervorrufen und deren weitere Ausbreitung beschleunigen können. Um dennoch einen Umformgrad von ϕ = 0,7 zu realisieren, wurden die Stahl-MMC Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.6/10

7 gemäß Abbildung 5 mit einer Stahlhülse ummantelt und gemeinsam umgeformt. Hierdurch wird während der Umformung ein überlagerter Druck auf die Proben ausgeübt, so dass ein hoher Umformgrad ohne Defekte möglich ist. Abbildung 5: Prozessroute für eine ummantelte Probe In Abbildung 6 sind sowohl die eingesetzten Stahlhülsen und gesinterten MMC als auch die gestauchten MMC-Proben mit Hülse für beide Stahlpulver dargestellt. Äußerlich weisen alle umgeformten Proben sowohl vom Atomet 1001 als auch die Proben des HS eine rissfreie Oberfläche auf. Abbildung 6: Gestauchte MMC-Proben mit Hülse In einer anschließend durchgeführten metallographischen Untersuchung wurden jedoch deutliche makroskopische Risse bereits bei kleinen TiC-Anteilen bzw. ohne Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.7/10

8 TiC-Anteil in den Proben mit dem hochlegierten Matrixpulver (HS 6-5-2) festgestellt. Die MMC-Proben mit dem Matrixwerkstoff Atomet 1001 weisen hingegen bis zu einem Anteil von 20% TiC keine makroskopische Schädigung auf (Abbildung 7). Abbildung 7: Schliffbilder der umgeformten Proben (Atomet 1001) mit Hülse Ausblick In weiterführenden Untersuchungen werden am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover weitere Verfahren zur Formgebung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen entwickelt und untersucht. Hierzu sollen beispielsweise die Verfahren Pulvermetallurgie und Thixoschmieden miteinander kombiniert werden, um auf diese Weise höhere Umformgrade und eine rissfreie Umformung ohne Ummantelung der MMC-Proben zu ermöglichen. Es soll zudem untersucht werden, inwieweit sich durch diese Verfahrenskombination der Sinterprozess verkürzen oder komplett substituieren lässt. Des Weiteren bietet die pulvermetallurgische Route die Möglichkeit nur partielle Bereiche mit keramischen Partikeln zu verstärken. Auf diese Weise lassen sich speziell an den Belastungsfall angepasste Bauteile herstellen. Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.8/10

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10 Autoren: Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens studierte Maschinenbau an der Universität Hannover und promovierte am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen(IFUM) in Hannover. Seit Oktober 2003 ist er Leiter des IFUM der Leibniz Universität Hannover. Dipl.-Ing. Conrad Frischkorn studierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover. Seit Mitte 2010 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Massivumformung am IFUM und forscht im Bereich des partikelverstärkten Thixoformings. Behrens, B.-A.; Frischkorn, C.: Herstellung und Umformung von partikelverstärkten Stahlwerkstoffen S.10/10