Keramik Standzeit von Werkzeugen durch Keramik erhöhen

Die Firma BeaTec zeigt an ausgewählten Beispielen, wie durch konstruktives und fertigungstechnisches Know-how Keramiken auch in mechanisch hoch beanspruchten Werkzeugen und Vorrichtungen für die Umformtechnik erfolgreich einsetzbar sind.

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Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

GGB Heilbronn GmbH

BeaTec GmbH

Umformwerkzeuge werden in den meisten Fällen aus Werkzeugstahl oder Hartmetall hergestellt und teilweise zur Verbesserung ihrer Eigenschaften noch beschichtet. Auch Keramiken bieten sich hier als Werkstoff an. Dies liegt nicht nur an ihrer hohen Verschleißfestigkeit, sondern auch an den Reibeigenschaften zwischen Keramik und Metall. Aufgrund des nichtmetallischen Charakters von Keramik ist ihre Adhäsionsneigung (Klebneigung) zu Metallen erheblich geringer und es stellen sich im Umformvorgang geringere Reibkräfte ein. Insbesondere für das Umformen austenitischer Werkstoffe sind Hochleistungskeramiken durch die geringe Klebneigung eine interessante Alternative.

Im Unterschied zu beschichteten Werkzeugen weisen vollkeramische Werkzeuge nicht nur in einem wenige Mikrometer starken Bereich vorteilhafte Eigenschaften auf. Dadurch können Keramikwerkzeuge bei Bedarf auch nachträglich korrigiert werden, um den Umformprozeß zu optimieren. Bei beschichteten Werkzeugen ist dies wegen der geringen Schichtdicke im m-meterbereich nicht möglich, da sonst der Substratwerkstoff mit seinem ungünstigen Verhalten freigelegt würde.

Keramikwerkzeuge für die Blech- und Rohrumformung

Keramische Umformmatrizen werden fast ausnahmlos hybrid aufgebaut. Es wird dazu ein Keramikring in einem Stahlring gefaßt. Dabei liegt die Funktionsfläche des Werkzeugs im vollkeramischen Ring. Der Stahlring ermöglicht einerseits die problemlose Anbindung an den Werkzeugträger und sorgt andererseits für eine mechanische Vorspannung des Keramikkerns. Als Werkstoff für den Keramikkern haben sich die Werkstoffe Siliziumnitrid und Zirkonoxid im praktischen Einsatz bereits in sehr unterschiedlichen Umformoperationen bewährt.

Beim Tiefziehen von Blechen und beim Reduzieren und Biegen von Rohren konnte in vielen Anwendungen durch den Einsatz keramischer Werkzeuge von BeaTec eine höhere Prozeßsicherheit und eine bessere Oberflächenqualität der erzeugten Teile erreicht werden. Insbesondere bei der Umformung von rostfreien Stählen erreichen keramische Werkzeuge, bedingt duch eine geringere Materialanhaftung im Werkzeug, sehr gute Ergebnisse. Darüber hinaus liegen zum Umformen mit reduzierter Schmierstoffmenge und zum Einsatz chlorfreier Öle bei mehrstufigen Ziehprozessen bereits positive Einsatzerfahrungen vor.

Bördel- und Walzwerkzeuge aus Keramik

Auch bei völlig anderen Verfahrenskinematiken wie beim Drücken, Drückwalzen oder Bördeln haben sich keramische Werkzeuge im industriellen Einsatz bewährt. Anders als beim Ziehen, Tiefziehen etc. gleiten Werkzeug und Werkstoff hier nicht gegeneinander, sondern das Werkzeug rollt auf dem umzuformenden Teil ab.

Keramische Bördelrollen, wie sie in der Fertigung von Konservendosen zum Umformen des Dosenrandes genutzt werden, haben sich in der industriellen Praxis bereits bewährt. Wie bei den Umformmatrizen sind auch die Rollen meist hybrid aufgebaut, wobei der Funktionsteil der Rollen aus Keramik ausgeführt und auf den Stahlschaft aufgesetzt ist. Solche Rollen erreichen wartungsfrei erheblich höhere Standzeiten als beschichtete Rollen, was bei den hohen Stillstandkosten in diesen Fertigungsanlagen von besonderer Bedeutung ist.

Auch bei mechanisch hoch beanspruchten Werkzeugen zum Walzen und Drückwalzen von Metallen sind keramische Werkzeuge von BeaTec an einigen Stellen sehr erfolgreich im Einsatz. Beispielsweise in einem Walzgerüst, in dem Ober- und Unterwalze keramisch bestückt sind. Damit läßt sich beim Walzen austenitischer Werkstoffe ein deutlich geringerer Materialaufbau auf der Werkzeugoberfläche erreichen.

Keramische Schweißrollen

Die Herstellung längsnahtgeschweißter Rohre ist ein weiteres Anwendungsfeld für keramische Werkzeuge wie Schweißrollen oder Führungsschwerter, nicht nur beim Induktionsschweißen, sondern auch beim Laser- oder WIG-Schweißen von Stahlrohren.

Weil keramiksche Schweißrollen nicht magnetisch und nicht elektrisch leitend sind, beeinflussen sie den Schweißprozeß beim Induktions- und beim Lichtbogenschweißen nicht. So entsteht beim Induktionsschweißen weniger Verlustleistung. Durch ihre hohe Härte und Hitzebeständigkeit erreichen sie sehr hohe Standzeiten, die Ihren Einsatz trotz höherer Einstandskosten wirtschaftlich interessant machen.

In einigen Anlagen haben sich auch keramische Führungsschwerter für Schwertrollen oder als feste Schwerter bewährt, um die Nahtflanken verschleißarm zu führen.

Das Wirkprofil der Rollen ist typischerweise rund, kann aber für Profilrohre auch in anderen Formen gefertigt werden. Keramische Schweißrollen sind meist monolithisch gefertigt. Für spezielle Anwendungen sind auch geteilte Rollen und Konstruktionen mit Keramikringen auf einer Stahlnabe im Einsatz.

Vorrichtungsteile aus Keramik

Neben den eigentlichen Werkzeugen zum Ziehen, Biegen, Bördeln und Walzen finden Keramiken auch in der Peripherie von Umformprozessen und in Vorrichtungen zunehmend Einsatz. Auch hier sind einerseits die guten Reibeigenschaften bzw. die Verschleißfestigkeit ein Argument. Andererseits bietet auch die gezielte Kombination spezieller Charakteristika wie elektrische oder thermische Isolation, Hitzebeständigkeit, nichtmagnetisches Verhalten, geringe Dichte etc. erweiterte Möglichkeiten gegenüber anderen Werkstoffgruppen.

Standardmäßig etabliert haben sich beispielsweise keramische Führungs- und Zentrierelemente in Vorrichtungen. Hierbei ist nicht nur an die allgemein bekannten Schweiß-Zentrierbolzen zu denken, sondern auch an Buchsen, Anschlagleisten oder komplexere Teile.

Wegen ihrer hohen Verschleißfestigkeit kombiniert mit guter chemischer Beständigkeit und elektrischer Isolation kommen Keramiken auch als Alternative zu Kunststoffen in Galvanikanlagen zur Anwendung.

Eine sehr geringe Wärmeleitung gepaart mit einer hohen Druckfestigkeit macht Keramik weiterhin interessant für die thermische Isolation von Druckgußwerkzeugen und Werkstückgreifern. So werden Elemente aus Zirkonoxid eingesetzt, um heiße Werkzeugteile einerseits mechanisch steif und andererseits thermisch isoliert an Maschinen oder Handhabungsgeräte anzubinden.

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