A296

Quantifizierung der Betriebsfestigkeit des Gefüges von Schmiedestahl in der Gesenkteilungsebene

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt 

Quantifizierung der Betriebsfestigkeit des Gefüges von Schmiedestahl in der Gesenkteilungsebene (Kerbwirkung Gratbahn)    

(A 296 S 24/10222/15)

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Juli 2015 – 31. Dezember 2018

 

Moderne, schwefelhaltige Schmiedestähle bieten ein enormes Festigkeitspotential, welches für den Leichtbaueinsatz zu heben ist. Fertigungsbedingte nichtmetallische Einschlüsse in Form von Mangansulfiden (MnS) führen zu einer lokal reduzierten Beanspruchbarkeit dieser Stähle. Abgeflachte Mangansulfide parallel zur Gesenkteilungsebene verringern einerseits die tragende Fläche der Stahlmatrix orthogonal zur Gratbahn, andererseits wirken sie aufgrund ihrer Form als innere Kerbe.

 Untersuchungen in den letzten Jahren haben gezeigt, dass die Geometrie der Mangansulfide vom Umformgrad abhängt. Eine umfassende Korrelation zwischen dem Umformgrad und der resultierenden lokalen Schwingfestigkeit erfolgte bisher jedoch nicht. Daher sollte in diesem Forschungsprojekt untersucht werden, inwieweit sich Form- und Anzahl der Mangansulfide auf die Schwingfestigkeit auswirken, um eine einfache Methode zur Berücksichtigung bei der Bemessung von zyklisch belasteten Schmiedebauteilen abzuleiten.

Hierzu wurden gezielt definierte Umformgrade hergestellt und daraus entnommene Werkstoffproben untersucht. Die Anzahl der Mangansulfide wurde über die Werkstoffzusammensetzung – zwei unterschiedliche Schwefelanteile (S4: 0,04 Gew.-%; S7: 0,07 Gew.-%) – des untersuchten AFP-Stahls 38MnVS6 beeinflusst. Die gezielte Beeinflussung des Umformgrads erfolgte durch das freie Stauchen bei Schmiedetemperatur, Formpressen mit Grat (rotationssymmetrisch) und dem Gesenkschmieden (nicht rotationssymmetrisch).

Versuchsbegleitende lichtmikroskopische Untersuchungen an den Stauchproben sowie deren Bruchflächen zeigten, dass die ursprünglich runden Mangansulfide mit steigendem Umformgrad zunehmend abgeflacht wurden. Die MnS-Abflachung hing sowohl vom Umformgrad als auch vom MnS-Gehalt ab. Bei dem Versuchswerkstoff mit höherem Schwefelgehalt setzte die Verformung der Mangansulfide bereits bei kleineren Umformgraden ein. Der Grad der Abflachung erreichte bei steigenden Umformgraden ein Maximum und wurde bei höheren Schwefelgehalten (S7) früher erreicht als bei niedrigen Schwefelgehalten (S4).

In Abhängigkeit der Abflachung reduziert sich die Schwingfestigkeit. Dementsprechend setzt die schwingfestigkeitsmindernde Wirkung bei dem höheren Schwefelgehalt schon bei kleineren Umformgraden ein. Es bedarf einer Mindestumformung, um eine Auswirkung der Mangansulfide auf die Schwingfestigkeit nachzuweisen.

 Die Versuchsergebnisse zeigen unter Wechselbelastung, R = -1, eine deutliche Tendenz, die es zukünftig ermöglichen kann, eine formelmäßige Beschreibung der metallurgischen Kerbwirkung von umgeformten Mangansulfiden zu entwickeln. Hierfür ist jedoch eine Vergrößerung der experimentellen Datenbasis erforderlich. Die Streuungen der tatsächlichen Form der MnS als auch die der durchgeführten Wöhlerversuchsergebnisse waren bislang zu hoch. Eine weitere Herausforderung besteht in der Abschätzung der Mangansulfidausprägung anhand von Umformsimulationen. Beim Versuch des Ergebnistransfers der Grundlagenuntersuchungen auf das Demonstratorbauteil zeigte sich, dass eine Analyse des Faserverlaufs erste Hinweise liefern kann, jedoch diese nicht ausreicht, um auf die tatsächliche MnS-Form zuverlässig zu schließen. Für eine ganzheitliche Betrachtung ist ferner der Eingangszustand des Halbzeuges, insbesondere die Umformgradverteilung nach dem Walzen, von Interesse.

 

Forschungsstellen:

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz-Univerität Hannover (IFUM)

Technische Universität Darmstadt, Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)

Forschungsleiter:                        

Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens (IFUM)

Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz (SAM)

vorgelegt von: Industrieverband Massivumformung e.V.

 Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

14.08.2019