9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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Organisationseinheit der BAM
Intermetallische Werkstoffe werden für Hochtemperaturanwendungen immer wichtiger. Insbesondere Aluminide mit hohen spezifischen Festigkeiten haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, z. B. werden Titanaluminide bereits in Flugzeugturbinen eingesetzt. Ökonomische und ökologische Aspekte sind die treibende Kraft zur Substitution konventioneller Legierungen, z. B. Nickelbasislegierungen, die eine wesentlich höhere Kostenintensität und ein höheres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis aufweisen. Insbesondere Eisenaluminide (FeAl) sind aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und der guten Verfügbarkeit der wichtigsten Hauptlegierungselemente attraktiv. Speziell entwickelte FeAl-Legierungskonzepte ermöglichen eine wirtschaftliche Produktion im Kokillenguss, bei der die Erstarrung der Schmelze spezielle komplexe Gefüge ermöglicht, um die hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften durch eine hohe Anzahl von harten Ausscheidungen entlang der Korngrenzen zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehört aber auch, dass notwendige Bearbeitungsschritte, wie das Schlichtfräsen, zur Erzielung komplexer Endkonturen, zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und geringen Oberflächengüten führen. Für das finale FeAl-Bauteil ist eine hohe Oberflächenintegrität insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt oder im Energiebereich erforderlich. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Untersuchung auf die Mechanismen und die Minimierung des Werkzeugverschleißes und die Auswirkungen auf die Oberfläche eines in Kokille vergossenen FeAl-Bauteils. Neben den Optimierungen des Fräsprozesses und der Werkzeugparameter (Geometrie, Material) wird ein modernes hybrides Bearbeitungsverfahren, das ultra-schallunterstützte Fräsen (USAM), eingesetzt, bei dem eine Überlagerung mit einer hochfrequenten Schwingung des rotierenden Werkzeugs erzeugt wird. Analysen der Kräfte und Temperaturen im Fräsprozess, der Verschleißerscheinungen am Werkzeug und der Oberflächenintegrität zeigen positive Auswirkungen durch USAM. Darüber hinaus wird eine valide Grundlage für die Optimierung des Werkzeugs und des Fräsprozesses geschaffen, um eine hohe Oberflächenintegrität (z. B. Verringerung von Zugeigenspannungen und Defekten) und eine längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten, die zukünftig eine wirtschaftliche Herstellung von FeAl-Bauteilen ermöglicht.
Eisenaluminide eignen sich als Werkstoff für sicherheitsrelevante Komponenten welche hohen thermischen, mechanischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt sind. Mit ihrer geringen Dichte und der kostengünstigen Verfügbarkeit der Legierungsbestandteile bieten sie ein hohes Marktpotenzial und eignen sich als Substitutionswerkstoff konventioneller Hochtemperaturwerkstoffe. Durch die Verwendung von Dauerformen im Kokillenguss lassen sich FeAl-Bauteile bereits äußerst wirtschaftlich herstellen. Das dabei entstehende komplexe, mehrphasige, sehr feinkörnige Gefüge mit harten Ausscheidungen und hohen Festigkeiten erschwert jedoch eine nachfolgende spanende Bearbeitung mit hohen Belastungen auf Werkzeug und Bauteiloberfläche. Um eine gesamtheitlich wirtschaftliche Herstellungsroute zu ermöglichen, sollen im Hinblick auf die erschwerte Zerspanbarkeit geeignete Werkzeuge und Fräsprozesse entwickelt werden. Durch die Verwendung des hybriden Bearbeitungsverfahrens des ultraschallunterstützten Fräsens können diese Ziele unter Einhaltung der hohen Anforderung an die Oberflächenintegrität sicherheitsrelevanter Bauteile erreicht werden.
Ultraschallunterstützte Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide schwer spanbarer Werkstoffe
(2023)
Das hybride Fertigungsverfahren der ultraschallunterstützen Zerspanung wird mit geometrisch unbestimmter Schneide wie bspw. dem Schleifen bereits erfolgreich in der Industrie eingesetzt und verspricht auch unter Verwendung von Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide vielversprechende Vorteile gegenüber den konventionellen spanenden Fertigungsverfahren. In den letzten Jahren wurden an der BAM positive Ergebnisse beim ultraschallunterstützten Fräsen (USAM) von schwer spanbaren Werkstoffen wie z.B. Ni-/Co-Legierungen oder Eisenaluminid für den Leichtbau erzielt aber auch die Finishbearbeitung von schweißtechnisch generierten Bauteilen (AM) bspw. aus FeNi36 konnte hinsichtlich erreichbarer Werkzeuglebensdauer sowie Oberflächenintegrität zur Verbesserung der Komponentensicherheit beitragen. Die mittels USAM erzeugten Oberflächen erscheinen homogener und weisen weniger Defekte infolge des Materialabtrags auf, was sich ebenfalls in verringerten Rauheitskennwerten abbildet. Durch die geringere thermo-mechanische Belastung der Bauteiloberfläche sind Eigenschaftsdegradationen zusätzlich reduziert. Besonders großes Zukunftspotenzial besitzt das ultraschallunterstütze Fräsen durch die Erzeugung von erwünschten Druckeigenspannungen bis unter die Bauteiloberfläche, was auf die oszillierende Wirkung der Werkzeugschneide - vergleichbar mit einem Strahlprozess - zurückzuführen ist. Druckeigenspannungen tragen maßgeblich zur Risssicherheit hochbelasteter Komponenten bei wie sie bspw. in Turbinen vorzufinden sind und können somit zum Leichtbau und zur Ressourceneffizienz beitragen.
In der Abschlusspräsentation des ZIM-Kooperationsvorhabens "TeWuFeAl" werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst dargestellt. Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Prozess- und Werkzeugtechnologie für das ultraschallunterstützte Fräsen von im Kokillenguss hergestellter Eisen- und Titan-Aluminid-Bauteilen. Auf Basis einer eigens entwickelten Werkzeugtechnologie und Prozessführung konnten die Belastungen auf das Werkzeug und die Oberfläche von Bauteilen aus dem schwer zerspanbaren Eisenaluminid bei der frästechnischen Bearbeitung signifikant verringert werden. Die Messung der Prozesskräfte und der thermischen Belastung der Werkzeugschneide ermöglicht die Ermittlung geeigneter Zerspanungsparameter für eine maximale Werkzeuglebensdauer. Die Anwendung des ultraschallunterstützten Fräsens (USAM) wirkt sich vorteilhaft auf den Zerspanprozess aus. Neben einer deutlichen verlängerung der Werkzeuglebensdauer, zeigen sich Vorteile in Bezug auf die topographischen, metallurgischen sowie mechanischen Eigenschaften der erzeugten Oberflächenintegrität. Die durch USAM erzeugte homogene Bauteiloberfläche weist eine reduzierte Defektdichte und verringerte Rauheitskennwerte auf. Besonders vielversprechend sind die Ergebnisse der Messungen der Eigenspannungen im Tiefenprofil der Oberfläche. Die Werkzeugoszillation bewirkt eine, vergleichbar zum Strahlprozess, Verdichtung der Oberfläche was in Druckeigenspannungen resultiert. Diese potenziell vorteilhaften Druckeigenspannungen können maßgeblich zur Risssicherheit hochbelasteter Komponenten und somit zum Leichtbau und Ressourceneffizienz beitragen.
Auf der Grundlage einer speziell entwickelten Werkzeugtechnologie sowie Prozessführung können die Belastungen auf das Werkzeug und die Bauteiloberfläche bei der frästechnischen Bearbeitung von Bauteilen aus dem innovativen jedoch schwer zerspanbaren Eisenaluminid deutlich reduziert werden. Die Messung der Prozesskräfte sowie der thermischen Belastung der Werkzeugschneide ermöglicht die Identifikation geeigneter Zerspanungsparameter hinsichtlich einer maximalen Werkzeuglebensdauer. Die Verwendung des ultraschallunterstützten Fräsens (USAM) besitzt vorteilhafte Einflüsse auf den Zerspanprozess, insbesondere hinsichtlich einer homogenen Bauteiloberfläche. Im Rahmen von Standzeitversuchen erfolgt durch USAM ein gleichmäßiger und im Vergleich zum konventionellen Fräsen (CM) deutlich reduzierter Werkzeugverschleiß. Mit wachsendem Zerspanvolumen verstärkt sich der positive Effekt von USAM und äußert sich in einer deutlichen Reduzierung der Rauheit und Defektdichte auf der Bauteiloberfläche.
Der Beitrag gibt einen kurzen Einblick in das gerade bewilligte ZIM-Vorhaben „Technologie und Werkzeuge für ultraschallunterstütztes Fräsen von Eisen- und Titan-Aluminid-Bauteilen (TeWuFeAl)“. In dem Vorhaben wird durch 2 KMU aus dem Bereichen der Werkzeugentwicklung (Wolf GmbH) und der Anwendung (AWB GmbH) sowie durch 2 Forschungsinstitute, Access e. V. und Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die Herstellbarkeit sicherheitsrelevanter Leichtbauteile aus FeAl und TiAl durch das besonders wirtschaftliche Kokillengussverfahren und die anschließende ultraschallunterstützte Zerspanung untersucht.
Die Bestrebungen zur Verringerung der CO2-Emissionen erfordern hochbelastbare und effiziente Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerkstechnik. Hierfür sind in zunehmendem Maße auf den Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschich-ten und definierte, zerspante Oberflächen notwendig. Die hohen Härten dieser Schichten und der Einsatz konventioneller Co-basierter Verschleißwerkstoffe führen oftmals zu unwirtschaftlichen Bauteilen, gerade aufgrund hohen Werkzeugverschleißes bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Er-kenntnisse über den Einsatz Ni-basierter Verschleißwerkstoffe und die Optimierung der Zerspanbarkeit mittels Legierungsmodifikationen und moderner hybrider Fräsprozesse ohne Verschlechterung der Ver-schleißschutzeigenschaften sind deshalb für die Anwender und Verarbeiter zur wirtschaftlichen Fertigung hochbelasteter Stahlbauteile wesentlich. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsmethodik eines aktuell laufenden Vorhabens der TU Clausthal und BAM, Berlin, vor. Fokus liegt hierbei auf den hochin-strumentierten Fräsexperimenten, die eine reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mik-rostrukturellen Eigenschaften der auftraggeschweißten Legierungen, dem Zerspanprozess und der Zer-spanbarkeit, insbesondere der resultierenden Oberflächenintegrität, ermöglichen sollen.
Die Verringerung der CO2-Emissionen ist eng mit der Entwicklung hocheffizienter und wirtschaftlicher Komponenten aus Stahl in der Anlagen- und Verfahrenstechnik verknüpft. Um den hohen kombinier-ten korrosiven, tribologischen, thermischen und mechanischen Beanspruchungen stand zu halten, werden auf Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschichten eingesetzt. Neben der zunehmenden Forderung konventionelle Kobalt- durch Nickellegierungen zu ersetzen, wächst auch der Bedarf nach definierten Ober- bzw. Funktionsflächen hoher Güte. Aufgrund hohen Werkzeugverschleißes ist die erforderliche Fräsbearbeitung zu Herstellung der komplexen Geomet-rien der Bauteile für KMU oftmals wirtschaftlich nicht möglich. Mittels Legierungsmodifikation der Schweißzusätze für nickelbasierte plasmaauftraggeschweißte Verschleißschutzschichten und durch den Einsatz innovativer ultraschallunterstützter Fräsprozesse soll eine günstigere Zerspanbarkeit er-reicht werden, ohne das Verschleißschutzpotential zu mindern. Im vorliegenden Beitrag wird der Ein-fluss der mittels Legierungsmodifikation eingestellten Gefüge- und Ausscheidungsmorphologie auf die Zerspanbarkeit untersucht. Dies erfolgt anhand einer typischerweise für Schneckenmaschinen einge-setzten Verschleißschutzlegierung NiCrMoSiFeB-Legierung („Colmonoy 56 PTA“), die konventionelle CoCr-Legierungen (Stellite) substituiert. Metallurgische Untersuchungen und In-situ-Messungen auf-tretender Prozesskräfte an der Werkzeugschneide beim Fräsen sowie anschließende Untersuchungen von Werkzeugverschleiß und Oberflächenintegrität ermöglichen eine detaillierte Analyse und Korrela-tion zwischen mikrostrukturellen Eigenschaften und Zerspanbarkeit.
Verschleißschutz durch Hartphasenauftragschweißungen mit spanend bearbeiteten Funktionsflächen
(2022)
Das Schlichtfräsen von Verschleißschutzlegierungen ist aufgrund hohen Werkzeugverschleißes vor allem für KMU oftmals nicht wirtschaftlich. Durch gezielte Legierungsmodifikationen sowie den Einsatz hybrider Fertigungsprozesse wie dem ultraschallunterstützten Fräsen soll die Zerspanbarkeit der Legierungen verbessert werden. In dieser Präsentation werden erste Ergebnisse zu Voruntersuchungen zu der Legierung und den Einfluss auf das Werkzeug gezeigt.
Die Ziele zur Verringerung der CO2-Emissionen sind eng verknüpft mit der Entwicklung hocheffizienter und wirtschaftlicher Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerktechnik, die für hohe kombinierte korrosive, tribologische, thermische und mechanische Beanspruchungen auf Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschichten erfordern. Neben zunehmender Forderungen infolge des Preis- und Lieferrisikos konventionelle Kobalt- durch Nickellegierungen zu ersetzen, wächst in der Industrie der Bedarf nach definierten Oberflächen hoher Güte bzw. Funktionsflächen für die Schutzschichten. Eine für Bauteile mit komplexer Geometrie erforderliche Fräsbearbeitung ist insbesondere für KMU aufgrund hohen Werkzeugverschleißes oftmals nicht wirtschaftlich realisierbar, jedoch für viele Einsatzfälle dringend notwendig.
Es soll daher mittels Legierungsmodifikationen an Schweißzusätzen für nickelbasierte plasmaauftraggeschweißte Verschleißschutzschichten und durch Einsatz innovativer ultraschallunterstützter Fräsprozesse eine günstigere Zerspanbarkeit erreicht werden, ohne das Verschleißschutzpotential zu mindern.
Im vorliegenden Beitrag wird die Methodik für die Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen der mittels Legierungsmodifikation eingestellten Gefüge- bzw. Ausscheidungsmorphologie und der durch Ultraschalloszillation unterstützten Zerspanungskinetik mittels hochinstrumentierter Fräsversuche vorgestellt. In-situ-Messungen auftretender Prozesskräfte (mittels Dynamometer), Oszillationen (mittels Laser-Vibrometer) und Temperaturen (mittels Hochgeschwindigkeitspyrometer) an der Werkzeugschneide sowie der anschließenden Untersuchungen von Werkzeugverschleiß und Oberflächenintegrität (Rauheit, Degradationen, fertigungsbedingte Beanspruchungen) ermöglichen eine detaillierte, reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mikrostrukturellen Eigenschaften und der Zerspanbarkeit. Unter systematischer Anwendung dieser Methodik sowie der Berücksichtigung der Anbindung zum Stahlsubstratwerkstoff und der Wirksamkeit des Verschleißschutzes lässt sich letztlich eine gezielte Optimierung der Zerspanungssituation erreichen.