Verbesserung des Einsatzverhaltens von Werkzeugen der Warmformgebung durch nitriergerechte Auswahl von Warmarbeitsstählen

Das Nitrieren als thermochemisches Verfahren ermöglicht es, die Anwendungseigenschaften eines Stahls in der Randschicht umfassend zu verändern. Positive Eigenschaftsänderungen sind z. B. die Steigerung der Härte, insbesondere der Warmhärte.

Negative Eigenschaftsänderungen sind eine verringerte Duktilität und Risszähigkeit, eine verstärkte Rissempfindlichkeit sowie eine reduzierte Oxidationsbeständigkeit wie z. B. bei Schmiedegesenken oder Druckgussformen. Ferner entstehen durch die Nitrierung Eigenspannungen in der Randzone, die sich nachteilig auf das Einsatzverhalten eines Stahls auswirken können. In eigenen Vorarbeiten wurde die Ausbildung von Zugeigenspannungen an der Oberfläche nach einer thermischen Belastung im Bereich der typischen Kontakttemperaturen von Schmiedegesenken nachgewiesen. Diesem Aspekt wurde bisher kaum Beachtung geschenkt. Die oben genannten Eigenschaftsänderungen sind im Wesentlichen auf das Bilden von Nitriden aus den Legierungselementen des Stahls zurückzuführen. Durch die Bildung von fein verteilten Nitriden kommt es vorwiegend durch Ausscheidungsvorgänge zur Steigerung der Härte und Festigkeit und bedingt durch die Temperaturbeständigkeit der Ausscheidungen zu einer Steigerung der Warmhärte und -festigkeit. Durch diesen Prozess wird ein Großteil der Legierungselemente des Stahls im Randbereich gebunden. Chrom wird in Warmarbeitsstählen zulegiert, um harte Chromkarbide mit hoher thermischer Beständigkeit zu bilden und gleichzeitig die Oxidationsbeständigkeit durch eine Passivschichtbildung zu steigern. Molybdän dient der Karbidbildung und zur Vermeidung der Anlassversprödung, Silizium der Verbesserung der Zunderbeständigkeit. Diesen Aufgaben können die im Nitrid gebundenen Elemente nicht mehr nachkommen.

Die rissinitiierenden Vorgänge innerhalb der Nitrierschicht sowie die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen und den auftretenden Schädigungsmechanismen sind zum derzeitigen Stand nicht bekannt. Im Rahmen dieses Projektes soll ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Materialeigenschaften kommerzieller Warmarbeitsstähle vor und nach der Nitrierung und deren Auswirkung auf das Einsatzverhalten bei der Warmformgebung erarbeitet werden. Ziel dieser Untersuchungen ist es, die zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit eingesetzte Anwendung von Nitrierbehandlungen an Warmarbeitsstählen in Prozessen der Warmformgebung zu bewerten. Auf Basis einer umfassenden Analytik der belastungsspezifischen Oberflächen- und Randzonenveränderungen sollen Erklärungs- und Optimierungsansätze abgeleitet werden, um durch eine nitriergerechte und anwendungsbezogene Auswahl von Warmarbeitsstählen das Einsatzverhalten von Werkzeugen in der Warmformgebung zu verbessern.