Versagen von Warmschmiedegesenken: Ursachen und Analyse

Warmschmiedegesenk Typische Fehlerform und Fehlerursachenanalyse

Das Schmiedegesenk ist ein entscheidendes Werkzeug im Gesenkschmiedeverfahren, das ein Schlüsselfaktor im Produktionsprozess ist. Das Gesenk wird als Verschleißteil betrachtet, und sein Ausfall bedeutet, dass es während seiner festgelegten Lebensdauer nicht mehr funktionstüchtig ist. Die Lebensdauer des Gesenks bezieht sich auf die Anzahl der Teile, die ab dem Zeitpunkt der Inbetriebnahme hergestellt werden, bis die normale Abnutzung zu seinem Verbrauch führt.

Ein vorzeitiger Ausfall der Matrize kann zu Produktionsunterbrechungen, höheren Kosten, geringerer Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt und geringerem wirtschaftlichen Nutzen für das Unternehmen führen. Zur Maximierung der Leistung der Matrizenmaterialzu verbessern, die Qualität und Lebensdauer zu erhöhen und die Produktionskosten zu senken, ist ein wichtiges Anliegen in der Schmiedeindustrie.

Dieser Artikel befasst sich mit den Hauptursachen für das Versagen von Schmiedegesenken und zeigt wirksame Möglichkeiten zur Verbesserung ihrer Lebensdauer auf.

Die Manifestation des Versagens des Warmschmiedegesenks

Hammerschmiedegesenke und Maschinenschmiedegesenke sind Warmumformwerkzeuge, die in Freiformschmiedehämmern, Gesenkschmiedehämmern und Pressen verwendet werden. Es handelt sich um typische Warmarbeitsgesenke, die während des Arbeitsprozesses sowohl mechanisch als auch thermisch beansprucht werden. Die mechanische Beanspruchung erfolgt in erster Linie durch Schlag und Reibung, während die thermische Beanspruchung durch abwechselndes Erhitzen und Abkühlen verursacht wird.

Aufgrund der komplexen Arbeitsbedingungen von Schmiedegesenken kann auch ihr Versagen komplex sein, einschließlich Verschleiß und Rissbildung im Hohlraumteil, thermische Ermüdung (thermische Rissbildung) und plastische Verformung der Hohlraumoberfläche.

Abbildung 1 veranschaulicht die verschiedenen Versagensarten, die in verschiedenen Teilen des Schmiedegesenkes auftreten können.

Unterschiedliche Positionen des Versagens des Schmiedegesenks in der Kavität

Abbildung 1 Unterschiedliche Positionen des Versagens des Schmiedegesenks in der Kavität

Nach den Daten in Abb. 2 beträgt die Wahrscheinlichkeit von Verschleiß 68%, Rissbildung 24%, plastische Verformung (Zusammenbruch) 3% und thermische Rissbildung 2%.

Anteil der verschiedenen Hauptfehlerarten von Schmiedegesenken

Abbildung 2 Anteil der verschiedenen Hauptausfallarten von Schmiedegesenken

Analyse verschiedener typischer Fehlerformen und -ursachen von Warmschmiedegesenken

WOhr und Träne

Die Oberflächeneigenschaften des Warmschmiedegesenks beim Auftreten von Verschleiß sind in Abbildung 3 dargestellt.

Oberflächenverschleißmorphologie von Schmiedegesenken

Abbildung 3 Oberflächenverschleißmorphologie des Schmiedegesenks

Unter der kombinierten Wirkung von mechanischer und thermischer Beanspruchung erfahren der Rohling und die Kavitätenoberfläche eine Schlagbeanspruchung, während die Hochgeschwindigkeitsströmung des Rohlings, seiner Oxidhaut und der Kavitätenoberfläche eine starke Reibung erzeugt. Infolgedessen kommt es an den abgerundeten Ecken und der Gratnutenbrücke der Matrize zu Verschleiß, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Der Verschleiß wird von Faktoren wie dem Werkstoff des Gesenks, der Art des Rohlings und dem Schmiedeverfahren beeinflusst. Eine Senkung der Schmiedetemperatur, die den Widerstand des Rohlings gegen Verformung erhöht, führt zu einem drastischen Anstieg des Gesenkverschleißes. Darüber hinaus kann die Explosion, die durch die Verbrennung des Schmiermittels auf Ölbasis im Spalt zwischen Gesenk und Rohling entsteht, zu korrosivem Verschleiß führen.

Der Verschleiß von Warmschmiedegesenken ist in der Regel auf die folgenden neun Faktoren zurückzuführen:

  • Überhitzung durch längeren Hochdruckkontakt zwischen dem Rohling und der Kavitätenoberfläche.
  • Falsche Wärmebehandlung, die zu einer metallurgischen Organisation mit geringer Festigkeit führt.
  • Unzureichende Kühlschmierung.
  • Zu niedrige Gesenkhärte.
  • Zu niedrige Schmiedetemperatur.
  • Unzureichende Schmiedeschritte.
  • Unzureichende Entlüftungsöffnungen in der Matrize.
  • Die Komplexität des Hohlraumdesigns.
  • Oberflächenbehandlung des Würfels.

Nachfolgend sind Gegenmaßnahmen zur Verbesserung des Heißverschleißes aufgeführt, der durch die zuvor genannten Faktoren verursacht wird:

  • Minimieren Sie die Kontaktzeit zwischen dem Rohling und der Kavitätenoberfläche unter hohem Druck.
  • Anwendung des richtigen Wärmebehandlungsverfahrens, wie z. B. die Verwendung einer geeigneten Austenitisierungstemperatur und einer hohen Abkühlungsrate beim Abschrecken, unter Vermeidung von Oberflächenveränderungen Entkohlung.
  • Erhöhen Sie die Gesenkhärte bei gleichbleibender Zähigkeit.
  • Achten Sie darauf, dass die Temperatur des Rohlings während des Schmiedevorgangs im Bereich der Schmiedetemperatur liegt, und vermeiden Sie Temperaturen, die unter der endgültigen Schmiedetemperatur liegen.
  • Ordnen Sie die Schmiedestationen sinnvoll an.
  • Abluftöffnungen in der Werkzeugkonstruktion.
  • Bewerbung nitrieren Behandlung der Oberfläche der Matrize.

Knacken

Die morphologischen Merkmale der Rissbildung im Schmiedegesenk sind in Abbildung 4 dargestellt.

Morphologische Merkmale der Rissbildung im Schmiedegesenk

Abbildung 4 Morphologische Merkmale der Rissbildung im Schmiedegesenk

Die Rissbildung in Schmiedegesenken kann je nach ihrer Art in zwei Kategorien unterteilt werden: frühe Sprödrisse und mechanische Ermüdungsrisse.

Frühe spröde Risse treten typischerweise bei der ersten Verwendung der Matrize auf und können schon durch wenige Hammerschläge entstehen. Der Riss beginnt an der Quelle und breitet sich in einem Fischgrätenmuster nach außen aus.

Mechanische Ermüdungsrisse treten auf, nachdem das Gesenk mehrere Schmiedehübe durchlaufen hat. Er weist die charakteristischen Merkmale allgemeiner Ermüdungsbrüche auf, aber die Rissausdehnungszone ist im Allgemeinen auf makroskopischer Ebene kleiner.

Die Ursachen für die Rissbildung in Stanzformen lassen sich in sieben Hauptkategorien zusammenfassen:

  • Überlastung der Matrize (z. B. Verarbeitung von Materialien bei zu niedriger Temperatur).
  • Vorheizen der Matrize bei zu niedriger Temperatur oder gar kein Vorheizen.
  • Überschüssiges Kühl-/Schmiermittel.
  • Unzulässige Werkzeugkonstruktion die eine Spannungskonzentration verursacht.
  • Geringe metallurgische Qualität des Gesenkmaterials oder Fehler im Schmiedeprozess.
  • Wärmebehandlungsfehler oder Bearbeitungsfehler im Würfel.
  • Falsche Installation der Werkzeuge.

All diese Faktoren können zur Rissentstehung führen und sowohl frühe Sprödrisse als auch mechanische Ermüdungsrisse zur Folge haben.

Der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungsverfahren auf die Struktur und die Eigenschaften des Stumpfes

Abbildung 5 Der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungsverfahren auf die Struktur und die Eigenschaften des Stumpfes (die Matrizenstahl ASSAB 8407, Stahl der Güteklasse H13)

Abbildung 5 veranschaulicht die Auswirkungen verschiedener Abkühlungsraten auf die Kerbschlagzähigkeit und das Gefüge von Warmarbeitsstahl während des Vakuumabschreckens. Bei unzureichender Abkühlungsrate wird die Martensit Gehalt sinkt, und eine große Anzahl von Karbiden fällt an den Korngrenzen aus, wodurch die Schlagzähigkeit des Werkstoffs sinkt und die Gefahr von Rissen im Gesenk steigt.

Um Risse in der Matrize zu vermeiden, ist es wichtig, das Auftreten der weißen Schicht aus der Funkenerosion (EDM) zu verhindern, wie in Abbildung 6 dargestellt. Die EDM-Weißschicht hat eine schlechte Duktilität, die zu Rissen führen kann. Darüber hinaus können eine zu dicke Nitridschicht und adernförmige Nitride, die beim Nitrieren entstehen, die Zähigkeit der Matrize erheblich verringern. Die Abbildungen 7 und 8 zeigen die Auswirkungen der Nitridschichttiefe auf die Zähigkeit bzw. die Gefügeeigenschaften von aderförmigen Nitriden.

Zusammenfassend kann man sagen, dass es folgende Gegenmaßnahmen gibt, um das Problem der Rissbildung in den Formen zu verbessern:

(1) Vermeiden Sie eine Überlastung der Matrize, indem Sie sicherstellen, dass die Temperatur des Rohlings in einem angemessenen Bereich liegt, um den Verformungswiderstand zu verringern.

(2) Richtiges Vorwärmen der Matrize (150 bis 200 °C), um die Zähigkeit zu verbessern und die thermische Belastung zu verringern.

Morphologie der weißen EDM-Schicht

Abbildung 6 Morphologie der EDM-Weißschicht

Tiefe der Nitrierschicht auf die Auswirkung von Stahl Kerbschlagzähigkeit sterben

Abbildung 7 Tiefe der Nitrierschicht auf die Auswirkungen der Stahl Kerbschlagzähigkeit sterben

Mikrostrukturelle Merkmale der aderförmigen Nitride der Nitrierschicht

Abb. 8 Mikrostrukturelle Merkmale der aderförmigen Nitride der Nitrierschicht

(3) Umsetzung einer angemessenen Werkzeugkonstruktion den Radius der abgerundeten Ecken zu maximieren, Porosität und Grat in einer vernünftigen Weise anzuordnen und Einsatzstrukturen zu nutzen.

(4) Verwenden Sie geeignete und wirksame Kühlmaßnahmen, um eine übermäßige thermische Belastung der Oberfläche zu vermeiden.

(5) Wählen Sie hochwertiges, hochfestes Formmaterial.

(6) Ordnungsgemäße Wärmebehandlung der Matrize mit Abschrecken und Anlassen und führen Sie eine ordnungsgemäße Oberflächenbehandlung durch, wobei ein Übernitrieren zu vermeiden ist.

(7) Vermeiden Sie die Rückstände der weißen EDM-Schicht und raue Werkzeugoberflächen (z. B. tiefe Werkzeugspuren).

Thermische Ermüdungsrisse (Rissbildung)

Die morphologischen Merkmale der thermischen Ermüdungsrisse (Risse) an der Oberfläche des Formhohlraums sind in Abbildung 9 dargestellt.

Morphologische Merkmale von Rissen durch thermische Ermüdung auf der Oberfläche des Formhohlraums

Abbildung 9 Thermische Ermüdungsriss Morphologiemerkmale auf der Oberfläche des Formhohlraums

Die so genannte "thermische Ermüdung" bezieht sich auf die Ermüdungsrisse und -ausfälle, die durch die Matrize unter der wiederholten Einwirkung zyklischer thermischer Spannungen entstehen, wie in Abbildung 10 dargestellt.

Es gibt 7 Hauptursachen für thermische Ermüdung (Rissbildung), die im Folgenden dargestellt werden:

1) Überkühlung an der Oberfläche des Formhohlraums.

2) Unsachgemäße Kühlung.

Arbeitstemperatur und thermische Spannungsverteilung auf der Oberfläche des Hohlraums

Abbildung 10 Arbeitstemperatur und thermische Spannungsverteilung auf der Oberfläche des Hohlraums.

(3) Unsachgemäße Auswahl des Kühl-/Schmiermitteltyps.

(4) Die Oberflächentemperatur des Formhohlraums ist zu hoch.

(5) Unzureichende Vorwärmung der Form.

(6) Unsachgemäße Auswahl des Formmaterials.

(7) Wärmebehandlungsfehler und Fehler bei der Oberflächenbehandlung.

Die entsprechenden Gegenmaßnahmen zur Verbesserung der thermischen Ermüdung (Rissbildung) sind wie folgt.

(1) Verhindern Sie das Anlassen und Erweichen der Oberfläche, das durch eine zu hohe Oberflächentemperatur des Hohlraums verursacht wird und die thermische Ermüdungsfestigkeit des Werkzeugs verringern kann.

(2) Verwenden Sie geeignete und wirksame Kühlmaßnahmen, um eine übermäßige thermische Belastung der Oberfläche sowie ein Anlassen und Erweichen der Oberfläche zu verhindern.

(3) Wählen Sie eine geeignete Form Vorwärmtemperaturin der Regel zwischen 150 und 200 °C, wobei zu hohe oder zu niedrige Temperaturen zu vermeiden sind.

(4) Wählen Sie das Material mit hoher Qualität und ausgezeichneter Zähigkeit.

(5) Durchführung eines korrekten Wärmebehandlungsprozesses, wie z.B. die Verwendung einer geeigneten Austenitisierungstemperatur, einer hohen Abkühlungsrate beim Abschrecken und eines vollständigen Anlassens, um eine übermäßig dicke Nitridschicht und Adernitrid beim Nitrieren zu vermeiden.

Plastische Verformung (Kollaps)

Topografische Merkmale der plastischen Verformung im Warmschmiedegesenk

Abbildung 11 Topografische Merkmale der plastischen Verformung im Warmschmiedegesenk

Wenn das Schmiedegesenk einer Arbeitsspannung ausgesetzt wird, die die Streckgrenze des Werkzeugmaterials kommt es zu einer plastischen Verformung. Abbildung 11 zeigt die typischen morphologischen Merkmale der plastischen Verformung, die durch starkes Anlassen und Erweichen der Oberfläche aufgrund einer zu hohen Oberflächentemperatur der Kavität im Werkzeug verursacht wird.

Plastische Verformung tritt häufig in Teilen des Formhohlraums auf, die sowohl Spannungen als auch Wärme ausgesetzt sind, wie Rippen und Wölbungen. Die hohe Temperatur des Rohlings und der Temperaturanstieg durch Reibung während des Verformungsprozesses der Kavität (der höher ist als die Anlasstemperatur der Matrize) verringern die Streckgrenze des Matrizenmaterials und bilden eine erweichte Schicht an der Oberfläche. Im tieferen Teil dieser Schicht kann es zu plastischen Verformungen kommen, wie z. B. kollabierende Kanten und Ecken oder Vertiefungen in der tiefen Kavität.

Die Hauptursachen für die plastische Verformung des Schmiedegesenks sind die folgenden:

  • Eine zu niedrige Rohteiltemperatur, die zu einer übermäßigen Fließspannung des Werkstückmaterials führt.
  • Falsche Auswahl der Matrize Stahlwerkstoffwie z. B. eine unzureichende thermische Festigkeit des Matrizenstahls.
  • Eine zu hohe Werkzeugtemperatur.
  • Unsachgemäßes Wärmebehandlungsverfahren, wie z. B. eine niedrige Gesenkhärte.

Die entsprechenden Gegenmaßnahmen zur Verbesserung der plastischen Verformung lauten wie folgt:

  • Erhitzen Sie die Rohlinge auf eine geeignete Schmiedeanfangstemperatur und halten Sie die Temperatur des Rohlings während des Schmiedevorgangs über der Schmiedeendtemperatur.
  • Wählen Sie ein Werkzeugmaterial mit höherer Hochtemperaturfestigkeit und Anlaßbeständigkeit.
  • Vermeiden Sie zu hohe Vorwärmtemperaturen und Oberflächentemperaturen der Kavität beim Schmieden des Gesenks.
  • Führen Sie den richtigen Wärmebehandlungsprozess durch, um die Härte der Matrize nach Bedarf zu erhöhen.

Schlussfolgerung

Zu den primären Versagensarten von Schmiedegesenken gehören Verschleiß und Rissbildung in der Kavität, thermische Ermüdung (thermische Rissbildung) und plastische Verformung der Kavitätsoberfläche.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Formen des Versagens von Schmiedegesenken und zeigt deren Ursachen auf. Er bietet Lösungen zur Vermeidung von Versagen und ist eine Referenz für Schmiedehersteller.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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