Ansatz zur numerischen Bestimmung der Härteevolution in der Werkzeugrandschicht aufgrund von thermischen Belastungen beim Formhärten

Beim Tailored Tempering handelt es sich, angelehnt an das Formhärten, um ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Durch den Einsatz von partiell vorerwärmten Werkzeugen wird lokal die kritische Abkühlrate des Platinenwerkstoffes 22MnB5 gezielt unterschritten, um die Martensitbildung im Bauteil zu unterdrücken. Die erhöhte Werkzeugtemperatur und die auftretenden Pressenkräfte führen zu einer hohen thermischen Belastung der Werkzeuggravur und letztlich zu Verschleißerscheinungen, die abhängig von der Härteevolution und auftretenden Anlasseffekten sind. Dies beeinflusst die Maßhaltigkeit der Bauteile und die Werkzeuge müssen kosten- und zeitintensiv überarbeitet oder sogar erneuert werden. In diesem Zusammenhang ist der Wärmeübergang zwischen Werkstück und -zeug ein weiterer wichtiger Aspekt, der zur Berechnung der vorherrschenden Oberflächentemperaturen des Werkzeuges benötigt wird. Um den Wärmeübergang von der Platine in das Werkzeug im Rahmen eines Presshärteprozesses messtechnisch zu erfassen, wurde im ersten Projektabschnitt ein realitätsnaher Modellversuch aufgebaut. In den Versuchswerkzeugen wurden randschichtnahe Thermoelemente platziert, um unter Variation der Flächenpressung Temperaturverläufe im Prozess aufzeichnen zu können. Diese Temperaturverläufe wurden genutzt, um Wärmeübergangskoeffizienten zu bestimmen, mit denen im Projektverlauf oder auch in künftigen Anwendungen die Berechnungsgenauigkeit der Randschichttemperaturen im Rahmen einer FE-Simulation gesteigert werden kann.

Im nächsten Abschnitt wurden auf Basis der experimentell aufgezeichneten Temperaturverläufe thermische Profile definiert, mit denen vier Werkzeugstähle (1.2367, 1.3343, CP2M und CR7V-L) zyklisch in einem Dilatometer belastet wurden. Die Profile wurden so definiert, dass nicht nur das konventionelle Presshärten, sondern mittels einer Variation der Zyklusstarttemperatur auf bis zu 600 °C auch das Tailored Tempering betrachtet werden konnte. Vor allem für das Tailored Tempering konnte so eine deutliche Härteabnahme beobachtet werden, womit der in der industriellen Realanwendung bereits beobachtete, verstärkt auftretende Verschleiß erklärt werden kann. Nach metallographischer Auswertung wurden die aufgenommenen Härtewerte genutzt, um einen analytischen Ansatz zu entwickeln und diesen in eine kommerzielle FE-Anwendung zu implementieren. Dieser erlaubt die lokale Berechnung der Werkzeughärte in Abhängigkeit der Umformzyklen und der vorliegenden Werkzeugtemperatur im Rahmen von Umformsimulationen.

Im letzten Abschnitt erfolgte eine experimentelle Validierung mittels eines an der Forschungsstelle konzipierten und aufgebauten Modellversuches zur Herstellung von Bauteilen mit lokal gesteuerter Härteverteilung. Mit der im Vorhaben entwickelten Software-Implementierung konnte dabei die Härteabnahme im Werkzeug erfolgreich realitätsnah vorhergesagt werden.

Das IGF-Vorhaben „Ansatz zur numerischen Bestimmung der Härteevolution in der Werkzeugrandschicht aufgrund von thermischen Belastungen beim Formhärten“, IGF-Projekt Nr. 19518 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die Allianz Industrie Forschung (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht kann zeitnah bei der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) angefordert werden.