Laser implantation of press hardening tools to influence the tribological and thermal properties for the process application (DFG ME 2043/68-1)
Third party funded individual grant
Start date : 01.07.2018
End date : 30.06.2020
Extension date: 31.08.2020
Project details
Short description
Key development goals of the automotive industry are to increase the passenger safety as well as to reduce the fuel consumption and to observe emission regulations. The lightweight concept of body-in-white parts enables the realization of these goals and sets new standards in terms of functionality and aesthetics. Hence, hot stamping has been established as a suitable and resource efficient process to manufacture high-strength components.
This method combines the hot forming and quenching of semi-finished parts in one process step. The high ultimate tensile strength of the components is caused by a transformation of an austenitic into a martensite structure. Due to the high process temperatures the hot stamping tools are exposed to high thermo-mechanical stresses. In addition, the workpiece out of 22MnB5 is coated with an AlSi layer to protect the surface against oxidation and decarburization. As a side effect, this coating system leads to an increased adhesive wear on the tool surface. A time and cost consuming rework of the hot stamping tool is required. The use of lubricant is not possible at elevated temperatures.
The overall aim of this research project is to increase the wear resistance of hot stamping tools. Therefore a laser implantation process is realized in cooperation with the Federal Institute for Materials Research and Testing. In highly stressed areas ceramic hard materials are dispersed into the substrate material in deterministic patterns using a pulsed laser beam. The wear, friction and cooling behavior of the modified tool surfaces are analyzed before and after the tribological stress. With this knowledge specific guidelines for industrial applications can be deduced.
Scientific Abstract
Essenzielle Entwicklungsziele der Automobilindustrie stellen sowohl die Einhaltung von Sicherheits- und Emissionsvorschriften als auch die stetige Reduzierung des Kraftstoffverbrauches dar. Das Leichtbaukonzept von Karosseriekomponenten ermöglicht die Realisierung dieser Ziele und setzt zugleich neue Maßstäbe hinsichtlich Funktionalität und Ästhetik. Im Zuge dessen hat sich das Presshärteverfahren zur ressourceneffizienten Verarbeitung von höchstfesten Stahlwerkstoffen etabliert.
Das Grundprinzip dieser Technologie besteht aus einer Verfahrenskombination, bei der in nur einem Prozessschritt die zuvor erhitzte Platine umgeformt und abgeschreckt wird. Dadurch wird eine vollständige Gefügeumwandlung von Austenit in Martensit initiiert und folglich eine Festigkeitssteigerung der Bauteile erreicht. Aufgrund der erhöhten Prozesstemperaturen sind die Werkzeuge jedoch signifikanten thermo-mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Aus diesem Grund kommen zum Schutz vor Verzunderung und Entkohlung AlSi beschichtete Halbzeuge aus 22MnB5 zum Einsatz. Dieses Beschichtungssystem neigt jedoch zu adhäsiver Materialanhaftung auf der Werkzeugoberfläche, was zu einer zeit- und kostenintensiven Wartung der Umformwerkzeuge führt. Darüber hinaus ist der Einsatz von Schmierstoffen aufgrund der hohen Prozesstemperaturen nur begrenzt möglich.
Infolgedessen wird in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung eine Modifikation der Werkzeugoberflächen mittels Laserimplantation angestrebt, um nachhaltig dessen Verschleißbeständigkeit zu erhöhen. Hierzu werden in hochbelasteten Umformbereichen keramische Hartstoffe in deterministischen Mustern mittels gepulster Laserstrahlung punktuell in die Werkzeugbereiche dispergiert. Der Forschungsschwerpunkt besteht darin, das Verschleiß-, Reib- und Abkühlverhalten der modifizierten Werkzeugoberflächen vor und nach der tribologischen Beanspruchung umfassend zu charakterisieren und hieraus Handlungsrichtlinien für den industriellen Einsatz abzuleiten