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Werkstoffanforderungen für die Bauteile und Werkzeuge in

der Kaltmassivumformung

M. Grafa, K. Kittnerb, S. Gukb, B. Awiszusa, R. Kawallab

a TU Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Professur Virtuelle Fertigungstechnikb TU Bergakademie Freiberg, Institut für Metallformung

Bauteil: UKM Fahrzeugteile GmbH

Werkstoffanforderungen für die Bauteile und Werkzeuge in der

Kaltmassivumformung

Aspekte der Kaltmassivumformung

Kostenreduzierung

Bildquellen: Wikipedia, Springer, VDI, UK, CIOSteigende Formenvielfalt

Festigkeitsanforderungen

Leichtbauanforderungen

Kaltmassivumformung

Quelle: Massiver Leichtbau, IMU Extra-Info


Kaltmassivumformung



Kaltmassivumformung

Quelle: Industrieverband Massivumformung (IMU)

Anteil Kaltfließpressen an der Massivumformung

Kaltfließpressteile 8,5%


Kaltmassivumformung

Entwicklungsprozess

Pressen

Stufenplan / Werkzeug-

zusammenstellung

Werkzeug-

fertigung

Bauteil i.O.

Entwicklungszyklus

Umformteil

Mehrere Wochen Konstruktionszeit

für Stufenplanentwurf

und Zusammenstellung

Nur teilweise vorhersehbares Ergebnis

Erfahrungsbasierte Auslegung

Hohe Werkzeugkosten

Mehrwöchige Werkzeugfertigung

Mehrtägiges „Einfahren“ des Produktes

FEM

Analyse

Absichern der Stufenfolge

durch Simulation


Kaltmassivumformung

MaschineUmformgeschwindigkeit

WerkzeugStandzeit

Temperatur

Schmierung

WerkstoffErzeugung

Halbzeugverarbeitung

Umformbedingungen



Kaltmassivumformung



Kaltmassivumformung

Parameter aus der Umformtechnik

Stofffluss

Kräfte, Arbeit

Spannungen

Dehnungen, Temp.

Versagen

Verschleiß

Gefüge

Fließverhalten,

Umformfehler

Maschinenlast,

Verteilung der Kräfte

Werkzeugbelastung

kritische Prozessfenster

Standmenge, Risse

Gebrauchseigenschaften

Quelle: simufact

Werkstoff!

Grenze des momentanen

Standes der FEM

Pyramide der Auswertung (FEM)

9


Kaltmassivumformung

Möglichkeiten und Grenzen der FE-Simulatio


Kaltmassivumformung

Werkstoffe

Werkstoffe für Werkzeuge

Werkstoffe für Bauteile


Kaltmassivumformung


Bildquellen: ESKA, Sternberg, UKM, ZI Kaltumformung

Beispiele von Kaltfließpressbauteilen


Kaltmassivumformung


Armaturenbrettverschraubung und –

justierung

Befestigung von Sicherheitsgurtaufrollern

und Umlenkrollen

Sitzbefestigung und Lehnenarretierung

Befestigung von Türen und Klappen

Befestigung von Stoßfängern

Befestigung für Cabrio-Verdecke

Anbindung von Nebenaggregaten,

Designelementen, Scheinwerfern etc.

Interior Exterior

Motor und Getriebe Fahrwerk Motor-Getriebe-Verschraubung

Anbindung von Neben- und Hilfsaggregaten

Umlenk- und Führungselementen für

bewegliche Teile

Verschraubung von Nockenwellenlager-

deckeln, Pleuelstangen, etc.

Verschraubungen (Radaufhängung, Achse,

etc.)

Kaltformteile im größeren Durchmesserbereich,

die auf bis zu 6 Umformstufen gepresst werden

und anschließend ggf. spanend fertigbearbeitet

und mit anderen Bauteilen zu Baugruppen

komplettiert werden.

Einsatzgebiete von Kaltfließpressbauteilen

Einteilung: Kaltstauch- und Kaltfließpressstähle als Walzdraht

Stäbe und Draht nach DIN EN 10263-4


Kaltmassivumformung


Wärmebehandlung im

Lieferzustand

Chemische

Zusammensetzung

unbehandelt

GKZ-geglüht

ohne Bor ,

bspw. 42CrMo4

mit Bor ,

bspw. 23MnB3

Kohlenstoff max. 0,45%

Silizium max. 0,5%

Mangan max. 1,2%

Phosphor max.0,035%

Chrom max. 1,2%

Molybdän max. 0,4%

Vanadium 0%

Grenzwerte von Legierungs-

bestandteilen für das Kalt-

fließpressen

Quelle: Fließpressen, K.Lange


Kaltmassivumformung


Konzepte zur Einstellung der geforderten mechanisch-

technologischen Eigenschaften

GKZ TMB z.T. TMB

Kalibrierzug

Kaltumformung

Vergüten

Spanende

Bearbeitung

Kalibrierzug

Kaltumformung

Vergüten

Spanende

Bearbeitung

Kalibrierzug

Kaltumformung

Auslagern

Vergütungsstähle

DP-Stähle

ULCB-Stähle

AFP-Stähle

TWIP-Stähle


Kaltmassivumformung

Vor- und Nachteile der verschiedenen Werkstoffklassen


Stahlgruppe Beispiele Nachteile

Vergütungsstähle

DP-Stähle

Maraging-Stähle

AFP-Stähle

ULCB-Stähle

• hohe Kosten für die Vergütung, Richten und z.T. Spannungs-

armglühen

• Kontrollaufwand, Härteausschuss

• Investitionsaufwand für WB-Anlagen

• Rm1000 MPa, Rp0,2/Rm 0,8

• Notwendigkeit zum Einstellen einer bestimmten Ausgangs-

festigkeit und Zähigkeit im Vormaterial durch thermomechan.

Warmwalzen und einer auf diese Ausgangsfestigkeit abgestellte

Kaltverfestigung

• hoher Werkzeugverschleiß bei Verarbeitung

• hohe Materialkosten aufgrund hoher Gehalte an Nickel, Kobalt

und Molybdän

• hoher Werkzeugverschleiß bei Verarbeitung

• Rm1050 MPa

• hohe Gehalte an Kohlenstoff

• hohe Werkzeugverschleiß bei Verarbeitung

• hohe Werkzeugverschleiß bei Verarbeitung

• nicht ausreichende Kriech- und Relaxationsbeständigkeit

bei erhöhten Betriebstemperaturen bis 150 °C

1.2709 (X 3 NiCoMoTi 18-9-5)

1.6356 (X 2 NiCoMoTi 18-12-4)

1.1199 (49MnVS3)

1.5221 (38MnSiVS5)

1.5507 (23MnB3)

1.7033 (34Cr4)


Kaltmassivumformung


Moderne Entwicklungen

Vergütungsstähle

• Reduzierung bzw. optimierte Auslegung des GKZ-Glühens

Ausgewählte Ergebnisse der GCFG-Studie


Kaltmassivumformung

Werkstoffe für Bauteile - Vergütungsstähle

Ausgewählte Ergebnisse einer industriellen Untersuchung


Kaltmassivumformung

Werkstoffe für Bauteile - Vergütungsstähle

Glühzeiteinsparung von ca. 40%


Kaltmassivumformung



Vergütungsstähle


AFP-Stähle

• Mikrolegierung mit V, Nb und Cu sowie optimierter Herstellungsprozess

zu Festigkeitsklassen 12.9


Kaltmassivumformung

Werkstoffe für Bauteile – AFP-Stähle

Quelle: B. Huchtemann; V. Schüler: Entwicklungsstand der AFP-Stähle mit Vanadiumzusatz für eine geregelte Abkühlung von der

Warmformgebungstemperatur


Kaltmassivumformung



Vergütungsstähle


AFP-Stähle



ULCB-Stähle

• Bainitische Stähle mit feinem Gefüge

Was ist ULCB Stahl?

Ultra Low Carbon Bainitic – warmgewalzt

Hauptgefüge besteht aus s.g. bainitischen Ferrit mit feinen Karbiden

– Sehr feines Korn

– Hohe Kerbschlagarbeit

– Hohe Dehnung

Ti- Ausscheidungen erhöhen Rm und Rp und haben keinen Einfluss auf Dehnung

Sehr niedriger Kohlenstoffgehalt

Geringe Kosten für Legierungselemente


Kaltmassivumformung

Werkstoffe für Bauteile – ULCB-Stähle

C Mn Ti+Nb+V B

<0,08% 1,6 - 2,4% >0,03% 30 ppm

Endeigenschaften durch Thermomechanische Behandlung eingestellt

Rm A5 Kc/ -40 °C

< 1000 Mpa < 22 % 100 J/cm2

1150 °C

950 - 1050°C

ACC = 3 K/s

400 - 500°CTem

pera

tur

Zeit

CCCT


Kaltmassivumformung


Beispiel: SchraubenherstellungWerkstoffanforderungen für die Bauteile und Werkzeuge in der

Kaltmassivumformung


Warmwalzen

Beizen Ziehen

Glühen

Massivumformung

Vergütung

Endprodukt

Kosteneinsparung

Kosteneinsparung

Reinigung

ULCB

Warmwalzen

Beizen Ziehen

41Cr4

Massivumformung

Endprodukt

Reinigung

Anwendung:

hochfeste Verbindungselemente

Automobilindustrie

Bergbauindustrie

Konstruktionselemente

Werkzeuge für Handwerker

Vorteile:

Höhere Festigkeit bei gleichzeitig höherer Dehnung

Einsparung von Wärmebehandlungen

geringe Verzunderung – Kosteinsparung

umweltverträglicher

Einstellbarkeit der Materialeigenschaften

verbesserte Verfestigungsneigung bei Erhalt der Kaltumformbarkeit

Nachteile:

noch keine Anwendungen

eingeschränktes Prozessfenster

höherer Werkzeugverschleiß zu erwarten

ZusammenfassungWerkstoffanforderungen für die Bauteile und Werkzeuge in der

Kaltmassivumformung



Nieten

Konkurrenz für martensitische Stähle

mit Bor

Schrauben aus ULCB Stahl

Konkurrenz für Schrauben aus 41Cr4

http://www.europressvit.com, http://www.twi.co.uk

Hohe Duktilität bei niedrigeren Temperaturen

AnwendungsmöglichkeitenWerkstoffanforderungen für die Bauteile und Werkzeuge in der

Kaltmassivumformung

Anwendungsmöglichkeiten

Umformung

bei 200 - 400 °CT

em

pe

ratu

r

Zeit

Abkühlung

an Luft

Warmgewalzte

Halbzeug mit

ultrahochfestem

bainitischem

Gefüge

Fertiges Bauteil mit sehr

hoher Festigkeit 10 % Dehnung

Sekundäre umforminduzierte

Umwandlung in Bainit + RA

bei Umformung

mit erhöhten Temperaturen (200 – 400 °C)

Vorteile der Umformung bei erhöhter

Temperatur:

• geringere Presskräfte,

• höhere Dehnung bei der Umformung möglich

• stark erhöhte Bauteilfestigkeit mit guter

Restdehnung

Richtung der Beanspruchung

Besonderheit – Umformung bei erhöhter Temperatur


Kaltmassivumformung



Kaltmassivumformung


Eigenschaften von warmgewalzte Halbzeug für

Umformung bei erhöhter Temperatur


Vergütungsstähle


AFP-Stähle



ULCB-Stähle

• Bainitische Stähle mit feinem Gefüge

Leichtbauwerkstoffe

• Entwicklung in Hinblick auf Einsatz von Magnesium


Kaltmassivumformung



Kaltmassivumformung

Werkstoffe für Bauteile - Magnesium

Kaliberwalzen Ziehen/ Schälen Fließpressen/

Gewindewalzen

Eigenschaften von warmgewalzte Halbzeug für

Umformung bei erhöhter Temperatur


Kaltmassivumformung

Werkstoffe für Bauteile - Magnesium

Festigkeit absolut Festigkeit-Dichte Verhältnis

SpannlängelK:16mm

Testanzahl: n = 5

Dichte:

Mg: 1,8g/cm³

Al: 2,7 g/cm³

Stahl: 7,9 g/cm³

Festigkeit-Dichte Verhältnis von AZ81 ist geringfügig höher als bei Aluminium

Festigkeit-Dichte Verhältnis aller Magnesium-Legierungen sind höher als die von

Stahl


Kaltmassivumformung



Druckfestigkeit/ Härte

Temperatur-beständigkeit

Zähigkeit

Verschleißfestigkeit


Kaltmassivumformung


Auslegung von Kaltfließpresswerkzeugen


Kaltmassivumformung


16CrMo4 42MnV7

Druckfestigkeit

Härte

Zähigkeit

Verschleißfestigkeit

Wichtigste Forderung – Druckfestigkeit/ Härte:

- Stempel im Regelfall höher belastet als Matrize

- Stempelbelastung Bereiche: 2000-2700 N/mm²

- Matrizenbelastung Bereiche: 1500-1800 N/mm²

- Belastungen ab 2800 N/mm² meist kritisch, da

im Werkzeug Setzerscheinungen/ plastische

Deformationen auftreten können

Temperatur:

- Grundtemperaturen in Fließpresswerkzeugen

ca. 80-120°C

- Temperaturspitzen bis 300 °C

Verschleiß:

- abrasiv

- adhäsiv

- Kombination aus abrasiv und adhäsiv


Kaltmassivumformung



Kaltmassivumformung


Quelle: Ulf Engel, VDI Wissensforum Kaltfließpressen


Kaltmassivumformung


Werkzeugwerkstoff-Klassen

- Kaltarbeitsstähle

- Warmarbeitsstähle

- Schnellarbeitsstähle

- Spezielle Pulvermetallurgische Stähle

- Hartmetalle

Herstellungsrouten der Werkzeugstähle

- (Druck-) Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren zur Minimierung von

Fremdstoffen und Einschlüssen

- Pulvermetallurgische Herstellverfahren mit zusätzlichen Mischkarbiden

- Legierungsentwicklung (Mikrolegierungselemente) zur Kornfeinung

sowohl bei Schmelz- als auch Pulvermetallurgie


Kaltmassivumformung


Einfluss der Herstellroute auf die Werkzeug-Mikrostruktur

Quelle: www.saar-hartmetall.de

PM-HIP 1.3344 PM-HIP 2.4534PM-HIP SAS 6

Umformung 1.3344 Umformung 2.4534Guss Co-Basis 6

Auslegung von Kaltfließpresswerkzeugen für 42MnV7


Kaltmassivumformung


1.3294 (PM)/1.23441.2379/1.2343


Kaltmassivumformung


Werkzeugwerkstoff-Klassen



Kaltmassivumformung

Oberflächenbeschichtungen

Auflageschichten Reaktionsschichten

Separate Schichten aus

Keramik oder Hartstoff

bspw. TiC und TiN Schichten mittels

CVD oder PVD Verfahren

Hartverchromen, Auftragsschweißen

Duplexbeschichten

Wechselwirkung mit

Werkzeugwerkstoff bspw. Nitrieren,

Ionenimplantieren, Borieren, Vandieren

Aufkohlen mittels Diffusion



Kaltmassivumformung

Oberflächenbeschichtungen



Danke für Ihre

Aufmerksamkeit!

Quelle: BeaTec GmbH Quelle: UKM Fahrzeugteile GmbH

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