Der Abbaumechanismus des Schmiedens von Formen

Gesenkschmieden ist derzeit die fortschrittlichste Schmiedetechnologie, die hauptsächlich für die Massenproduktion von Schlüsselkomponenten von Formen verwendet wird. Der größte Nachteil ist die schlechte Standzeit der Umformwerkzeuge. Nach Angaben des Herausgebers von diecastingcompany.com betragen die Werkzeugkosten 8-15% der Gesamtkosten der Produkte. Wenn man den Zeitaufwand für den Austausch abgenutzter Werkzeuge und den Verlust durch versehentliches Versagen berücksichtigt, können die Kosten sogar zwischen 30 und 50 % betragen. Darüber hinaus führt der Verschleiß des Werkzeugs zu einer erheblichen Verschlechterung der Schmiedequalität. Die häufigsten Fehler, die durch Werkzeugverschleiß verursacht werden, sind Fehler beim Füllen von Kavitäten, d. h. Falten, Grate, Verformungen, Kratzer, Delaminationen sowie Mikro- und Makrorisse.

Diese Mängel wirken sich letztendlich auf die Leistung von geschmiedeten Produkten aus. Aufgrund des starken Wettbewerbs auf dem Markt reduzieren die Hersteller von Gesenkschmiedeprodukten weiterhin ihre Kosten und verbessern gleichzeitig die Qualität der Schmiedestücke. Trotzdem interessieren sie sich immer noch sehr für das Problem der schlechten Werkzeughaltbarkeit.

Die Haltbarkeit eines Werkzeugs wird in der Regel auf verschiedene Weise definiert. In der Produktion wird die Lebensdauer eines Werkzeugs durch die Anzahl der Schmiedestücke ausgedrückt, also die Anzahl der Produkte in der erwarteten Qualität, die mit diesem Werkzeug hergestellt werden können. Nach dieser Definition kann die durchschnittliche Lebensdauer von Werkzeugen zwischen 2,000 und 20,000 Stück variieren. In Bezug auf Werkzeuge hängt die Haltbarkeit mit der Degradation zusammen, daher wird sie als die Fähigkeit definiert, Degradationsphänomenen zu widerstehen. Dieser Artikel verwendet hauptsächlich die zweite Definition. Es sei darauf hingewiesen, dass Schmiedewerkzeuge während des Einsatzes von einer Vielzahl degradierender Faktoren beeinflusst werden und das Zusammenwirken dieser Faktoren die Analyse des Problems erschwert. In der Literatur zu diesem Thema findet man verschiedene Erklärungen für Degradationsphänomene.

Der Hauptgrund für die Außerdienststellung von Schmiedeformen liegt nach den Statistiken vieler Wissenschaftler in veränderten Verschleißmaßen. Der verschleißbedingte Formabfall macht etwa 70 % aus, die plastische Verformung etwa 25 % und Ermüdungsrisse und andere Gründe nur etwa 5 %. Oft treten viele Phänomene gleichzeitig auf und ihr Zusammenspiel hängt von der Gestaltung der Form, den Bedingungen ihres Schmiedens und ihrer Herstellung, der Wärmebehandlung des Formmaterials sowie der Form der Vorform und des Einsatzes ab.

Arbeitsbedingungen von Gesenkschmieden: Beim Gesenkschmieden werden Werkzeuge hauptsächlich aus drei Aspekten einer Degradation ausgesetzt: intensiver Thermoschock, periodische Wechsel der mechanischen Belastung sowie hohe Temperatur und hoher Druck. Um die Streckgrenze von Stahlprodukten beim Warmschmieden zu reduzieren, wird das verformte Metall auf 10,000 bis 2,000 Grad Celsius erhitzt. Im Moment der Materialverformung kann die Temperatur der Werkzeugoberfläche 800 Grad Celsius erreichen, gefolgt von einer intensiven Abkühlung, wodurch das Werkzeug einem großen Temperaturgradienten ausgesetzt wird. Am Querschnitt des Werkzeugs können sich die Werkzeugoberflächentemperatur und die oberflächennahe Temperatur um mehrere hundert Grad Celsius unterscheiden. Die Temperatur des Warmgesenkschmiedens ist niedriger als die des Warmschmiedens, dh die Temperatur der Stahlverformung erreicht etwa 900 Grad Celsius. Dadurch ist die Belastung durch das zyklische Aufheizen und Abkühlen der Werkzeugoberfläche geringer als beim Warmschmieden. Dennoch ist die Standzeit der beim Halbwarmschmieden verwendeten Werkzeuge noch recht kurz. Dies ist hauptsächlich auf den kombinierten Effekt der zyklischen Temperatur und der größeren mechanischen Belastung zurückzuführen. Die mechanische Belastung kommt hauptsächlich durch Kühlung und härtere Materialien.

Degenerationsmechanismus von Schmiedewerkzeugen

Die Standzeit von Schmiedewerkzeugen hängt hauptsächlich von deren Konstruktion, Vorbereitung, Wärmebehandlung der Werkzeugwerkstoffe, deren Schmiedebedingungen, der Form von Vorformlingen und Kernblöcken usw. ab. In der Literatur finden wir viele Informationen zum Abbau. Diese Mechanismen sind in verschiedene Kategorien unterteilt. Forschungsergebnisse zeigen, dass an der Oberfläche von Schmiedewerkzeugen hauptsächlich folgende Verschleißmechanismen auftreten: abrasiver Verschleiß, thermomechanische Ermüdung, plastische Verformung, Ermüdungsrisse, Adhäsionsverschleiß und Oxidation. Die Form des Arbeitseindrucks des Werkzeugs bestimmt die Kontaktzeit, den Druck, den Reibungsweg und die Temperaturänderungen, die die Häufigkeit des Auftretens des speziellen Degradationsmechanismus bestimmen.

Im ebenen Bereich ist die Kontaktzeit zwischen Werkzeug und Thermomaterial am längsten und dort tritt auch der maximale Druck auf. Thermomechanische Ermüdung ist der Hauptabbaumechanismus.

Der Innenradius der Rundung wird durch die zyklische Zugbelastung beeinflusst, die durch die Zunahme der äußeren Belastung verursacht wird, die hauptsächlich auftritt, wenn die Verformung während des Schmiedeprozesses dazu neigt, sich zu konzentrieren. Infolgedessen entwickeln sich Ermüdungsmikrorisse während des Betriebs des Werkzeugs zu großen Rissen und treten an diesen Stellen auf. Der Außenradius der Formbeule und die Stelle, an der der Formabdruck aufgrund der Materialschwächung unter Hochtemperaturbedingungen in die Gratbrücke eintritt, desto niedriger ist die Streckgrenze des Materials, was zu einer plastischen Verformung führt. Der dichte Strom verformter Werkstoffe verursacht in diesen Bereichen abrasiven Verschleiß, der durch die Hartoxide, die sich beim Hochtemperatur-Oxidationsprozess an der Oberfläche des Schmiedematerials des Werkzeugs bilden, noch verstärkt wird.

Adhäsiver Verschleiß des Degradationsmechanismus von Schmiedegesenken

Adhäsivverschleiß tritt im Bereich der plastischen Verformung der Oberflächenschicht auf, insbesondere dort, wo die Oberfläche unregelmäßig ist. Es tritt normalerweise unter Hochdruck- und relativ niedrigen Geschwindigkeitsbedingungen auf, hauptsächlich aufgrund ähnlicher Materialwechselwirkungen oder Materialien mit chemischer Affinität (typische Schmiedeverarbeitungsbedingungen). Unter höheren Druckbedingungen gleitet das Materialformteil entlang der Oberfläche des Werkzeugs, entfernt die Oxidschicht und lässt die frische Oberfläche des Werkzeugs frei. Dies geschieht hauptsächlich im unregelmäßigen Bereich der Oberflächenprojektion (dem Spitzenteil der rauen Oberfläche).

Wenn die Materialien an diesen Stellen dicht aneinander gelegt werden, so dass die interatomaren Kräfte zu wirken beginnen, werden lokale Metallbindungen gebildet. Dann, als sich die Oberflächen weiter zueinander verschoben, wurde die Metallbindung zerstört. Dabei entsteht eine plastische Verformung der Oberflächenschicht. Das Aufbrechen der Metallbindung führt zum Ablösen der Metallpartikel, die dazu neigen, an der Oberfläche zu haften.

Abrasiver Verschleiß des Abbaumechanismus von Schmiedegesenken

Materialverlust wird in der Regel auf abrasiven Verschleiß zurückgeführt. Die Größe der geschälten Partikel hängt hauptsächlich vom Schmiedekoeffizienten und den Eigenschaften der Werkzeugoberflächenschicht ab. Ein Beispiel für adhäsiven Verschleiß ist die zweite Stufe des Schmiedens des CV-Kreuzgelenkgehäuses, wie in der Abbildung gezeigt. Die Temperatur, bei der sich das Material bei diesem Prozess verformt, liegt bei etwa 900 °C, dh sie ist in der Regel viel niedriger als beim traditionellen Warmschmiedeverfahren, das zu dieser Art von Verschleiß neigt. Der adhäsive Verschleiß haftet am Material selbst oder am Werkzeug, wo die Querschnittsfläche reduziert wird.

Abrasiver Verschleiß ist das Ergebnis von Materialverlust und wird hauptsächlich durch das Ablösen von Material von der Oberfläche erreicht. Schleifverschleiß tritt auf, wenn lose oder fixierte Schleifpartikel vorhanden sind oder wenn unregelmäßige Abschnitte von Vorsprüngen auf der Wechselwirkungsoberfläche vorhanden sind. Beim Schmiedewerkzeug ist seine Härte viel höher als die des verformten Materials. Wenn in diesem Fall abrasive Partikel im Kontaktteil zwischen dem Schmiedewerkzeug und dem verformten Material auftreten, tritt abrasiver Verschleiß auf. Der abrasive Verschleiß wird durch das Auftreten von Hartoxidpartikeln verschlimmert, die sich auf der Oberfläche kleiner Partikel bilden, die von dem Schmiedeteil und der Form und der Formoberfläche unter Hochtemperaturbedingungen getrennt sind. Durch diesen Mechanismus entstehen Rillen entlang der Richtung, in der sich die Verformung des Materials ändert.

Ihre Form und Tiefe hängen hauptsächlich von den Schmiedebedingungen ab. Der hervorstehende Teil ist besonders verschleißanfällig und wird im weiteren Einsatz schnell von der Oberfläche des Werkzeugs abgetragen, was zu Materialverlust und Veränderungen der Materialgeometrie führt. Besonders leicht zu bildender abrasiver Verschleiß und auch besonders empfindlich gegenüber abrasivem Verschleiß ist die Stelle, an der bei der Verformung des Materials der längste Schlupf auftritt. Am gebräuchlichsten ist der Außenradius des Formhohlraums, wo die Form in die Gratbrücke eintritt.

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