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Der Grundkörper

Der Grundwerkstoff des Tribosystems ist in der Kaltumformung der Werkzeugwerkstoff. Werkzeuge der Kaltumformung sind höchsten mechanischen wie tribologischen Belastungen ausgesetzt [351]. Das umzuformende Metall weist im kalten Zustand eine hohe Fließspannung auf, die auch bei den Temperaturerhöhungen, die durch die eingebrachte Umformenergie während des Prozesses auftreten, nicht wesentlich absinkt [371]. Die Vergleichsspannungen im Werkzeug sind dabei im Prozeß um den Faktor 3-10 höher als die Fließspannung des Werkstückwerkstoffes.

Die Werkzeugwerkstoffe müssen hohe Festigkeiten besitzen, um unter diesen Einsatzbedingungen keine plastische Verformung zu erleiden [65], die die Maßhaltigkeit der erzeugten Werkstücke verschlechtert, aber auch zum totalen Werkzeugausfall durch Gewaltbruch führen kann. Folgende Werkstoffe werden als Werkzeugwerkstoffe eingesetzt [370]:

Kaltarbeitsstähle:
Hierbei handelt es sich um mit 8-12% Chrom legierte, ledeburitische Kaltarbeitsstähle. Die Härte (= Festigkeit) dieser Stähle resultiert aus der vollen Martensithärte sowie aus der Härte der Chromkarbide. Der hohe Chromgehalt führt des weiteren zu einer guten Durchhärtung dieser Stähle [56].

Schnellarbeitsstähle:
Hierbei handelt es sich um hochlegierte, ledeburitische Werkzeugstähle. Die Legierung mit Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt und Chrom führt zur Bildung von Sonderkarbiden [56]. Schnellarbeitsstähle sind sehr anlaßbeständig. Bei den Schnellarbeitsstählen ist ein Trend zur pulvermetallurgischen Herstellung im Vergleich zur konventionellen Erschmelzung, an die sich ein Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) anschließen kann, zu verzeichnen. Pulvermetallurgische Stähle weisen eine feinere Verteilung der Karbide auf und besitzen deshalb eine höhere Zähigkeit [96,224]. Aus tribologischer Sicht besitzt die feinere Karbidverteilung ebenfalls Vorteile, da die Oberflächenschichten homogener sind: Es ist nicht zu erwarten, daß große Karbide direkt an der Oberfläche sitzen und damit gegenüber der Matrix divergente Eigenschaften der Oberfläche erzeugen.

Hartmetalle:
Bei den Hartmetallen handelt es sich um Wolframkarbidpartikel mit Größen zwischen 0,5 und mehreren Mikrometern, die in einer Kobaltmatrix versintert sind. Es können auch Karbide des Titans, Tantals oder Niob im Hartmetall eingesetzt werden [200]. Hartmetalle besitzen eine größere Festigkeit als Schnellarbeitsstähle (> 3000MPa). Sie sind damit aber auch anfälliger gegen Sprödbruch. Erfahrungswerte zeigen, daß sich heutzutage erhältliche Hartmetalle aber bis zu 20% ihrer Druckfestigkeit auf Zug belasten lassen [352].

Die Auswahl des Werkzeugwerkstoffes beeinflußt schon in entscheidendem Maße die Eigenschaften des Tribosystems. Die Härte der im Kontakt stehenden Werkstoffe hat direkten Einfluß auf den Verschleiß, wobei diese Aussage sehr differenziert auf die jeweiligen tribologischen Bedingungen getroffen werden muß [138]. In Kombination mit den anderen Partnern des Tribosystems ergeben sich zahlreiche weitere gegenseitige Wechselwirkungen: Die chemischen Eigenschaften des Werkstoffes beeinflussen seine Reaktionen mit dem Schmierstoff, seine Bearbeitbarkeit wirkt sich auf die Gestalt der Oberfläche aus, und seine thermischen Eigenschaften bestimmen die Temperaturen, die letztlich im Kontakt entstehen. Die Frage der Beschichtbarkeit eröffnet noch ein weiteres großes Parameterfeld. Die Auswahl des Werkzeugwerkstoffes wird im derzeitigen Stand der Technik bestimmt durch den Kompromiß aus Festigkeit (Widerstand gegen plastische Verformung und abrasiven Verschleiß) und Bruchgefährdung, durch die werkstoffbestimmte Herstellbarkeit der Geometriemerkmale [208] sowie durch die Werkstoffkosten. Im Werkzeugwerkstoff liegt aber sicherlich ein Potential zur Verbesserung der Eigenschaften des Tribosystems.


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Hans-Willi Raedt 2002-05-01