HEW Form: Hochentropische Werkstoffe für Umformwerkzeuge

Presshärtwerkzeuge unterliegen hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. Gleichzeitig erfordern moderne Werkzeuge komplexe Kühlkanalstrukturen, um eine effektive Temperaturführung während des Umformprozesses sicherzustellen. Die Standzeit solcher Werkzeuge ist ein entscheidender Wirtschaftlichkeitsfaktor – doch klassische Legierungen erreichen hier oft ihre Grenzen.

Hochentropische Werkstoffe (HEAs) bieten eine vielversprechende Alternative: Sie bestehen aus mehreren Hauptlegierungselementen in annähernd gleichen Anteilen. Dadurch entstehen außergewöhnliche Werkstoffeigenschaften, insbesondere für Hochtemperaturanwendungen:

• Hohe Warmfestigkeit (auch bei über 700 °C)
• Exzellente Verschleißbeständigkeit
• Gute Duktilität (trotz hoher Härte)
• Stabile Gefügestruktur bei Temperaturwechselbelastung

Diese Eigenschaften machen HEAs zu idealen Kandidaten für hochbeanspruchte Werkzeugoberflächen und moderne Fertigungstechnologien.

Zielsetzung: Additiv gefertigte Schichtsysteme für Presshärtwerkzeuge

Ziel war die Entwicklung additiv gefertigter hochentropischer Schichtsysteme für Formwerkzeuge, insbesondere für Prozesse des direkten Presshärtens. Diese sollten insbesondere die Fertigung von Bauteilen im Verfahren des direkten Presshärtens optimieren – einem wichtigen Prozess in der modernen Automobilproduktion.

Weitzeres Ziel war es, geeignete Prüfverfahren zu definieren und auf eine normative Grundlage zu stellen, um die Bewertung hochentropischer Werkstoffe zu vereinheitlichen.

Am Ende des Projekts sollte erstmals ein Demonstrator-Werkzeug aus einem hochentropischen Werkstoff entstehen, das unter realen Bedingungen getestet wurde und wichtige Erkenntnisse über die Eignung dieser Werkstoffklasse für hochbeanspruchte Werkzeuge lieferte.

Vorgehensweise: Von der Legierungsentwicklung bis zur Praxiserprobung

Verfolgt wurde ein hybrider Fertigungsansatz: Während die Werkzeuggrundkörper aus kostengünstigem Stahl gefertigt wurden, entstanden die hochbelasteten Funktionsbereiche aus HEA.

Im Mittelpunkt des Projekts standen hochentropische Legierungen aus dem System AlxCoCrFeNi. Diese sollten legierungs- und prozesstechnisch so optimiert werden, dass ein hochfester Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit und exzellentem Verschleißverhalten entstand.

Für die Herstellung kamen additive Fertigungsverfahren zum Einsatz – insbesondere das pulverbettbasierte Selective Laser Melting (SLM) sowie das pulverdüsenbasierte Laser Metal Deposition (LMD). Mit diesen Verfahren konnten Werkzeugeinsätze konturnah und materialeffizient auf ein Substrat aufgebracht werden.

Zuerst wurde der Aluminiumgehalt so verändert, dass ein bimodales Gefüge entstand. Das Ziel war ein guter Mittelweg zwischen Festigkeit und Beweglichkeit. Durch weitere Zusätze und eine Anpassung der Herstellung sollte das Material feiner, fester und stabiler werden.

Neben der mechanischen Werkstoffprüfung wurden im Projekt auch umfangreiche chemische Analysen der hochentropischen Legierungen durchgeführt. Zum Einsatz kommen unter anderem Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), Optische Emissionsspektrometrie (OES) und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX). Ziel war es, geeignete Verfahren zur zuverlässigen Bestimmung der chemischen Zusammensetzung dieser komplexen Legierungssysteme zu identifizieren.

W.S. Werkstoff Service: Hochtemperaturprüfung und Normungs-Know-how

Innerhalb des Verbundprojekts übernahmen wir die mechanische Charakterisierung speziell entwickelter Versuchslegierungen. Hierfür setzten wir eine moderne Hochtemperatur-Prüfeinrichtung ein, mit der Zug- und Druckversuche an Kleinstproben bei Temperaturen von mindestens 700 °C durchgeführt haben. Ein berührungsloses Laserextensometer ermöglichte dabei die hochpräzise Erfassung von Dehnungen – von kleinsten elastischen Verformungen bis hin zum Probenbruch.

Darüber hinaus brachten wir unsere Expertise in der Hochtemperaturprüftechnik sowie in der begleitenden Normungsarbeit ein und entwickelten standardisierte Prüfmethoden zur Charakterisierung hochentropischer Werkstoffe. Damit verfolgten wir das Ziel, die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe systematisch zu erfassen und die gewonnenen Erkenntnisse perspektivisch auf eine normative Grundlage zu überführen.

Forschungsergebnisse: Potenzial und Herausforderungen

Durch gezielte Anpassung der Legierungszusammensetzung (insbesondere Aluminiumgehalt) und Prozessführung gelang es, extrem feinkörnige Gefügestrukturen zu erzeugen. In Kombination mit weiteren Legierungselementen wurden Härten von bis zu 800 HV0,1 erreicht – ein Wert, der klassische Werkzeugstähle deutlich übertrifft.

Die Anwendungsfelder additiv gefertigter hochentropischer Werkstoffe liegen insbesondere dort, wo höchste Anforderungen an Design, Temperaturbeständigkeit und Werkstoffeigenschaften gestellt werden. Potenzielle Anwendungsbereiche umfassen:

• Werkzeugbau (Presshärtwerkzeuge, Spritzgussformen)
• Turbomaschinenbau (Schaufeln, Gehäuse)
• Luft- und Raumfahrttechnik (Hochtemperaturkomponenten)
• Industrielle Hochtemperaturanwendungen (z. B. in der Energie- und Verfahrenstechnik)

Die erzeugten Werkstoffe zeigten jedoch noch eine erhöhte Rissempfindlichkeit, Die erzeugten Werkstoffe zeigten jedoch noch eine erhöhte Rissempfindlichkeit, sodass derzeit eine Vorwärmung während des Prozesses erforderlich war.