Verschleißeffekte an beschichteten Werkzeugen bei der Umformung hybrider Halbzeuge

Insbesondere bei Hochleistungsbauteilen mit ausgeprägtem Leichtbaupotenzial ist die strikte Einhaltung enger und prozesssensitiver Parametergrenzen essenziell, um Ausschussraten zu minimieren und die Wirtschaftlichkeit der Fertigungsprozesse sicherzustellen. Ein zentraler Einflussfaktor stellt hierbei der werkstoffspezifische Verschleiß der Umformwerkzeuge dar, welcher insbesondere im Kontext des Tailored Forming maßgeblich die Reproduzierbarkeit definierter Bauteileigenschaften beeinflusst.
Beim Fließpressen hybrider Werkstoffkombinationen treten Verschleißmechanismen teilweise simultan oder in rascher Abfolge auf, wodurch insbesondere die Fließpressschultern mit steigender Zyklusanzahl erheblich beansprucht werden. Am Beispiel der Werkstoffpaarung Stahl und Aluminium zeigt sich ein alternierendes Auftreten abrasiver und adhäsiver Verschleißphänomene. Deren Auswirkungen auf die Werkzeugstandzeit sowie auf die resultierende Bauteilqualität sind bislang unzureichend untersucht und im Hinblick auf die Prozessstabilität als kritisch zu bewerten.
Zur modellhaften Abbildung der zugrunde liegenden Wirkmechanismen wurden Analogieversuche in Form von Stauch- und Gesenkschmiedeprozessen durchgeführt. Dabei erfolgte eine alternierende Warmumformung von Stahl (20MnCr5) und Aluminium (EN AW-6082). Durch die gezielte Variation beider Prozessvarianten konnten unterschiedliche Fließwege, Druckkontaktzeiten sowie Relativgeschwindigkeiten eingestellt werden, um deren Einfluss auf das Verschleißverhalten systematisch zu analysieren.
Hierdurch konnten sowohl adhäsiv bedingte Materialanhaftungen infolge des Aluminiums als auch abrasive Verschleißerscheinungen durch den höherfesten Stahl detektiert und quantitativ erfasst werden. Im Vergleich zur Umformung monolithischer Stahlhalbzeuge zeigten die Werkzeuge bei alternierender Werkstoffbeanspruchung bereits nach wenigen Zyklen nadelförmige Aluminiumadhäsionen. Diese wurden im weiteren Prozessverlauf überwiegend auf die nachfolgenden Stahlbauteile übertragen. Ursächlich hierfür ist das partielle Aufschmelzen des Aluminiums mit anschließender stoffschlüssiger Verbindung auf der Werkzeugoberfläche.
Die im Vergleich zum Stauchprozess geringere Ausprägung adhäsiver Effekte nach dem Gesenkschmieden stützt die Annahme einer erhöhten Adhäsionsneigung bei größeren Fließwegen. Im Gegensatz zu vergüteten Werkzeugvarianten zeigten die beschichteten Systeme (CrN und TiAlN) bei fortschreitender Zyklusanzahl eine reduzierte Ausprägung von Materialanhaftungen, was auf eine verbesserte Verschleißresistenz schließen lässt.
In weiterführenden Untersuchungen sollen die gewonnenen Erkenntnisse auf das Fließpressen unter Verwendung eines modularen Werkzeugkonzepts übertragen werden. Neben unterschiedlichen Beschichtungssystemen werden gezielt Oberflächentopografien und -strukturierungen sowie variierende Schmierstrategien untersucht, um deren Einfluss auf das Verschleißverhalten der Werkzeuge und die resultierenden Bauteileigenschaften systematisch zu bewerten.