Extramet entwickelt Hartmetall zur Fräsbearbeitung von UHC-Stahl

0,1 Mikrometer machen den Unterschied

Bild 1: Bewegte Komponenten des Verbrennungsmotors. Bilder: Daimler AG
Bild 2: Antriebsstrangkomponente Pleuel.
Bild 3: Werkzeugstandmenge und Verschleissverhalten.
M. Sc. Andreas Weidle / Dr. Michael Lahres / Bruno Süss /

Die Legierungszusammensetzung innovativer Leichtbauwerkstoffe stellt immer grössere Anforderungen an die Zerspanung. Frühzeitiger Werkzeugverschleiss führt zu hohen Kosten und verhindert den Serieneinsatz des Stahls. Eine neuentwickelte Hartmetallsorte schafft Abhilfe und steigert die Werkzeugstandzeiten um ein Vielfaches.

Aufgrund der anhaltenden globalen Erwärmung verabschiedete das Europäische Parlament im April 2009 eine Verordnung zur «Verringerung der CO2-Emission von Personenkraftwagen1». Damit der CO2-Ausstoss von Fahrzeugen reduziert werden kann, müssen sämtliche Reibungseinflüsse wie Luft- und Rollwiderstand auf ein Minimum reduziert werden. Grosses Potential zeigt zudem die Gewichtsreduktion von Fahrzeugteilen, insbesondere von bewegten Verbrennungsmotorenkomponenten (Bild 1).

Erhebliche Einsparungen des Kraftstoffverbrauchs pro Kilometer können durch Substitution konventioneller Werkstoffe durch dichtereduzierte Werkstoffe erzielt werden. Hauptkriterien für einen grossflächigen Einsatz neuer Werkstoffe in Antriebsstrangkomponenten (z.B. Pleuel oder Kolbenbolzen) sind eine hohe Warmfestigkeit und niedrige Materialkosten. Der von der Daimler AG und der Deutschen Edelstahlwerke GmbH (DEW) neuentwickelte UHC-Leichtbaustahl soll aufgrund der möglichen 10 bis 13-prozentigen Gewichtsreduktion Einzug in die Serie erhalten2,3.

UHC-Leichtbaustahl

Die aluminiumlegierten UHC-Stähle (UHC = ultra high carbon) werden als metallische Leichtbauwerkstoffe bezeichnet. Neben der spezifischen Dichte ρ von unter 7,0 g/cm³ weisen diese vergleichbare mechanische Eigenschaften im Vergleich zu den in der Serie eingesetzten Werkstoffen auf. Zugfestigkeiten von über Rm = 930 MPa, eine Bruchdehnung über A = 7 % und eine Härte von mindestens 300 HV sind aufgrund eines neuen Giessverfahrens, angehobener Temperatur beim Walzen und angepasster Wärmebehandlung möglich. Dennoch zählen UHC-Stähle aufgrund eines Aluminiumanteils von bis zu 10 % und einem vergleichsweise hohen Kohlenstoffanteil zu den schwer zerspanbaren Werkstoffen4.

Die abgestimmte Legierungszusammensetzung sorgt für einen Gefügezustand, der zu einer geringen Wärmeleitfähigkeit des Leichtbaustahls (vergleichbar Titan) führt. Diese geringe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs sowie die Dynamik des Zahneingriffs im unterbrochenen Schnitt sind unter anderem Gründe für die starken dynamischen und thermischen Wechselbelastungen des Werkzeugs.

Die hohen thermischen Belastungen resultieren aus der Wärmestauung am Schneidkeil sowie dem dominierenden Abtransport der Wärme über das Werkzeug5,8. Die erhöhten dynamischen Belastungen sind an den für gewöhnlich auftretenden Mikro- und Makroausbrüche an den Schneiden deutlich zu erkennen (Bild 3).

Untersuchungsvorhaben

Zur Steigerung der Prozesssicherheit und Werkzeugstandmengen sind zielgerichtete Entwicklungen des Hartmetallsubstrates nötig, um eine ausreichende Festigkeit und Warmhärte bei gleichzeitig hinreichender Zähigkeit zu erreichen. Nur so lässt sich der Werkzeugverschleiss7 verzögern.

Ein klassisches Bauteil im Verbrennungsmotor ist das Pleuel6 (Bild 2). Um aus einem Rohling ein einsatzfähiges Pleuel zu generieren, bedarf es der spanenden Endbearbeitung mit mehreren Fertigungsverfahren, wobei sich dieser Artikel aufs Fräsen der Schraubenkopf-Auflageflächen fokussiert. Für gewöhnlich wird die Werkzeuglebensdauer durch das verschleissbedingte Überschreiten zulässiger Qualitätstoleranzen begrenzt sowie beispielsweise mit dem Zerspanvolumen bewertet. In diesem Fall wird als Standzeitbewertungskriterium die Anzahl der gefrästen Schraubenkopfauflageflächen (proportional dem Zerspanvolumen) bis zu einer maximalen Verschleissmarkenbreite VBmax = 200 µm festgelegt.

Hartmetall-Entwicklung

Zur Optimierung des Verschleissverhaltens wird das Hartmetall auf ein geeignetes Verhältnis zwischen Härte und Zähigkeit untersucht. Hierzu wurden vier Hartmetallsorten (siehe blaue Balkenwerte in Bild 3) der Extramet AG mit variierendem Kobaltgehalt von 6 bis 15 Gewichtsprozent (kurz HM 6 % Co bis HM 15 % Co) und einer Korngrösse von 0,8 µm betrachtet. Lediglich das HM 12 % Co besitzt eine abweichende Korngrösse von 0,5 µm. Jede Versuchsreihe wurde dreimal durchgeführt.

Bild 3 stellt die erreichten Werkzeugstandmengen der vier Hartmetalle, der Verlauf des Werkzeugverschleisses und die Verschleissbilder dar. Die maximalen Werkzeugstandmengen werden zunächst unter Verwendung des HM 10 % Co erreicht. Bei gleichbleibenden Einstellparametern wird so die Anzahl der Schraubenkopfauflageflächen pro Fräswerkzeug im Vergleich zum Referenzhartmetall (HM 12 % Co) um das Achtfache gesteigert. Als Ursache des Verschleisses sind die Abrasion, also der Materialabtrag durch mechanischen Abrieb, sowie die hohe mechanische Wechselbeanspruchung zu nennen. Aufgrund des frühzeitigen Anstiegs der Verschleissmarkenbreite sowie dem plötzlichen und unerwarteten Auftreten von Ausbrüchen ist das Referenzhartmetall HM 12 % Co für den Einsatz in der Serienfertigung ungeeignet.

Während das HM 6 % Co aufgrund der hohen Härte sehr verschleissfest ist, aber keine ausreichende Sicherheit gegen Bruch bei dynamischer Last besitzt, führt beim HM 15 % Co die fehlende Warmhärte zu früherem Werkzeugversagen. Die Serienprodukte HM 10 % Co und HM 12 % Co unterscheiden sich lediglich in der Korngrösse. Dies bewirkt eine niedrigere Warmhärte bei gleichzeitiger Erhöhung der Bruchzähigkeit seitens des HM 10 % Co gegenüber HM 12 % Co. Hinzu kommt eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit um 20 % für das HM 10 % Co gegenüber HM 12 % Co. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der thermischen Belastung des Schneidkeils7. Aufgrund der bekannten UHC-Werkstoffkennwerte und dem Bezug zwischen Biegebruchfestigkeit, Bruchzähigkeit und Warmhärte des Werkzeuges resultiert ein schmales Prozessfenster, in dem das Hartmetall ein optimales Werkzeugeinsatzverhalten ermöglicht.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen entwickelte die Extramet AG eine Hartmetallsorte mit 12 Gewichtsprozent Kobaltgehalt, veränderter Legierungszusammensetzung und Korngrösse von 0,9 µm. In Bild 3 (grün) sind der deutliche Anstieg der Werkzeugstandmenge und der verzögerte Verschleissfortschritt zu erkennen. Diese Steigerung des Widerstandes der Werkzeugschneide gegen die hohen thermischen und mechanischen Belastungen ist auf die gesteigerte Warmhärte, Bruchzähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zurückzuführen. Auftretende Mikroausbrüche können minimiert und ein verzögertes Auftreten der Makroausbrüche erzielt werden.

Im Ergebnis wirken sich also im betrachteten Anwendungsfall das grobkörnige Hartmetallgefüge, die angepasste Legierungszusammensetzung und der anwendungsbezogene Kobaltgehalt standzeitsteigernd aus. Dennoch bleiben gleichzeitig die genannten Herausforderungen bei der Bearbeitung von UHC-Leichtbaustahl im unterbrochenen Schnitt.

Zusammenfassung

In Kooperation mit der Firma Extramet AG wurde eine neue Hartmetallsorte für die Fräsbearbeitung von UHC-Leichtbaustahl entwickelt. Vorausgehend wurden vier Extramet-Hartmetallsubstrate mit unterschiedlichem Kobalt-Gehalt untersucht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte ein Hartmetall kreiert werden, das die Werkzeugstandzeiten durch die gezielte Einstellung der Korngrösse und Auswahl der Legierungselemente um das Zehnfache gesteigert hat.

Quellen:

1. Europäisches Parlament: Verringerung der CO2-Emissionen von neuen Personenkraftwagen - Verordnung (EG) Nr. 443/2009

2. Dittrich, M.-A.: Zerspanung von aluminiumhaltigem UHC-Stahl. Dr.-Ing. Dissertation. Leibniz Universität Hannover, 2016

3. Haug, T., Jung, H.-P., et al.: Dichtereduzierter UHC- Leichtbaustahl und dessen Verwendung. DE102010012718. 25. März 2010

4. Denkena, B.; Grove, T.; Dittrich, M.-A; Beiler, C.; Lahres, M.: Effects of alloying elements in UHC-steels and consequences for the machinability. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2015

5. Denkena, B.; Grove, T.; Lahres, M.; Weidle, A.: Wirtschaftliche Bearbeitung von UHC-Leichtbaustahl. Werkstatt + Betrieb, 05/2016

6. Lippmann, P.; Weidle, A.: Solid part manufacturing of lightweight steels: Challenges to formability and machining. Hannover: 15. Werkstoff-Forum, 13.-17.04.2015, S. 22

7. Scherbarth, S.: Der Einfluss der Schneidkeilgeometrie auf das Zerspanverhatlen beim Fräsen von Stahlwerkstoffen mit beschichtetem Hartmetall. Aachen: Shaker Verlag, 1999. ISBN 3-8265-4763-2

8. Denkena, B., Grove, T., Dittrich, M. A.: Flow stress and temperature considerations for orthogonal cutting of an aluminum-alloyed UHC-steel , Production Engineering Research and Development (WGP), 2015, Vol. 9, Issue 3, S. 337 – 342