Lebensdauerbestimmende Defekte in Werkzeugstählen

Pulvermetallurgische (PM) Werkzeugstähle ergeben im Vergleich zu konventionellen schmelzmetallurgischen Varianten bessere mechanische Eigenschaften, wegen der höheren möglichen Legierungsgehalte und auch wegen des feineren, isotropen Gefüges. Die Festigkeit von PM-Werkzeugstählen wurde früher im allgemeinen von Mikroporen und Fremdeinschlüssen bestimmt, was stark streuende Eigenschaften ergab. Durch verbesserte Herstelltechniken treten solche Defekte heute sehr viel seltener auf, und als rißeinleitende Defekte wirken statt dessen größere Primärkarbide oder Karbidcluster. Solche Defekte sind besonders ungünstig bei Wechselbeanspruchung. Im vorliegenden Projekt sollen die Zusammenhänge zwischen Gefüge und Schwingfestigkeitsverhalten von PM und schmelzmetallurgischen Werkzeugstählen und insbesondere die Wirkung von inneren Einzeldefekten untersucht werden, die durch normale Charakterisierungsmethoden kaum zu finden sind. Im vorliegenden Projekt wird deshalb die Ultraschall-Ermüdungsprüfung bis zu höchsten Lastspielzahlen angewendet werden; diese Technik ist extrem empfindlich auf rißauslösende Einzeldefekte. Risseinleitung und - ausbreitung in Abhängigkeit von Art, Größe und Form der Defekte werden untersucht werden, vor allem hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Form der Wöhlerkurven und die Existenz von echten Dauerfestigkeitniveaus, und es wird eine Reihung der Defektarten nach ihrer Schädlichkeit erstellt werden. Auf der Basis bruchmechanischer Ansätze werden die Zusammenhänge zwischen Dauerfestigkeit und Defekten bewertet und anhand von Modellproben mit künstlichen Einzeldefekten nachgeprüft werden. Durch eine spezielle Konsolidierungstechnik bei niedriger Temperatur werden PM-Werkzeugstähle mit besonders feinen Primärkarbiden hergestellt werden; an diesen Materialien wird das Potential ultrafeiner Gefüge für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen, aber auch für feinste Bearbeitungswerkzeuge im Bereich des "micromachining" abgeschätzt werden.

Im gegenständlichen Forschungsprojekt, gemeinsam durchgeführt von der TU Wien (Institut für Chemische Technologien und Analytik) und der Universität Wien (Fakultät für Physik), wurde das Ermüdungsverhalten von Werkzeugstählen bei zyklischer Beanspruchung bis zu höchsten Lastwechselzahlen ("gigacycle") untersucht. Werkzeugstähle werden in Werkzeugen jeglicher Art, für Schneid- und Zerspanungsvorgänge ebenso wie für die Umformung, eingesetzt, werden aber auch in Motorenkomponenten wie etwa bei Dieseleinspritzsystemen verwendet, wo sie während der Lebensdauer eines Motors einer extrem hohen Anzahl von mechanischen Belastungszyklen ausgesetzt sind. Es handelt sich hier um hochlegierte Stähle, die nach Vergütung eine Arbeitshärte von 60 bis zu 70 Rockwell C erreichen - also z.B. Glas ritzen können - und eine hohe Festigkeit (Biegefestigkeiten > 3000 MPa) besitzen. Die Lebensdauer von solchen Werkzeugen ist beschränkt durch Verschleißerscheinungen an der Werkzeugoberfläche, z.B. Stumpfwerden einer Schneide, aber auch durch Ermüdungserscheinungen des Werkzeugmaterials, d.h. Bruch. Im letzteren Fall ist es von entscheidender Wichtigkeit, die bruchauslösenden Bestandteile des Stahlgefüges zu identifizieren. Durch Verwendung der sog. Ultraschall-Resonanzmethode, welche bei etwa 20kHz arbeitet, konnten höchste Lastwechselzahlen bis zu 1010 in akzeptabler Zeit erreicht werden; für 1010 (zehn Milliarden!) Lastspiele werden 5- 6 Tage benötigt, im Vergleich zu etwa 8 Jahren bei konventioneller Schwingfestigkeitsprüfung. Die für verschiedene Typen von Kaltarbeits- und Schnellarbeitsstählen experimentell ermittelten Wöhlerkurven (Spannungsamplitude gegen Lastspielzahl) zeigten einen stetig fallenden Verlauf, d.h. die Existenz eines echten Dauerfestigkeitsniveaus, die für Stähle immer noch oft postuliert wird, konnte für diese Materialien klar widerlegt werden. Für korrekte Schwingfestigkeitsdaten sind allerdings eigenspannungsfreie Proben erforderlich; es hat sich gezeigt, dass bei der Probenpräparation oberflächlich eingebrachte Druckeigenspannungen die Festigkeitsniveaus signifikant beeinflussen. Weiters hat sich bestätigt, dass die Ermüdungsprüfung bei höchsten Lastspielzahlen hervorragend dazu geeignet ist, die bruchauslösenden Gefügebestandteile im Material wie z.B. Verunreinigungen durch nichtmetallische Einschlüsse, große Metallkarbide oder Karbidnester zum Vorschein zu bringen. Es wurde festgestellt, dass in konventionell durch Schmelzmetallurgie hergestellten Werkzeugstählen die sehr zahlreichen großen Primärkarbide, welche für die Härte und Verschleißfestigkeit des Materials verantwortlich sind, als rissauslösende Defekte wirken. In pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen hingegen waren eher vereinzelte nichtmetallische, vor allem oxidische, Einschlüsse für das Ermüdungsversagen verantwortlich, da die Primärkarbide aufgrund des speziellen Herstellungsprozesses zu klein (<5m) waren, um Risse auszulösen. Generell liegt das Niveau der Wechselfestigkeit bei pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstählen fast doppelt so hoch wie bei vergleichbaren schmelzmetallurgischen Varianten, d.h. die PM-Varianten eignen sich besonders gut für solche Anwendungen, bei denen schwingende Beanspruchung auftritt.