Fatigue fracture of hard coated tool steels in cold forging

Der Einsatz moderner Hartstoffschichten bietet ein erhebliches Potenzial zur Erhöhung der Werkzeugstandzeiten, sofern der Verschleiß die dominierende Versagensursache darstellt. Gerade in der Kaltmassivumformung wird die Werkzeuglebensdauer aber oft durch Werkstoffermüdung und die daraus resultierende Rissinitiierung bzw. -ausbreitung begrenzt. Im Mittelpunkt der Dissertation steht die Frage, inwiefern verschiedene Hartstoffbeschichtungen das Ermüdungsbruchversagen von Werkzeugstählen beeinflussen. Die Ergebnisse von Grundlagenversuchen zur Zeit- und Dauerfestigkeit unter zyklischer Belastung führen zu Erkenntnissen, welche Eigenschaften (v.a. Eigenspannungen und Oberflächentopographie) des Schicht-Substrat-Verbundes dessen Beanspruchbarkeit in welcher Weise beeinflussen. Untersucht wurden hierzu ein Kaltarbeitsstahl (X 155 CrVMo 12 1) und ein Schnellarbeitsstahl (S 6-5-2) mit verschiedenen PVD- und CVD-Beschichtungen. Die experimentelle und numerische Analyse des Eigenspannungszustandes in Schicht und Substrat liefert Rückschlüsse auf die Beanspruchung. Damit weist die Arbeit zum einen auf die wesentlichen Faktoren hin, die zu einer Beeinflussung der Zeit- und Dauerfestigkeit hartstoffbeschichteter Werkzeugstähle führen. Zum anderen werden Maßnahmen der Oberflächen- und Beschichtungstechnik aufgezeigt, um die Gefahr vorzeitigen Ermüdungsbruchversagens zu reduzieren. Anhand von Standmengenuntersuchungen für Fließpressstempel wird demonstriert, wie die Lebensdauer durch eine Duplexbehandlung (Plasmanitrieren mit nachfolgender PVD-Beschichtung) erfolgreich verbessert werden kann.The application of modern hard coatings provides a considerable potential to increase tool life if wear is the dominating reason for failure. Particularly in cold forging, however, tool life is often limited by fatigue and the resulting crack initiation. The Dr.-Thesis discusses the issue in which way different hard coatings influence the fatigue behaviour of tools steels. The results of fundamental low- and high-cycle fatigue experiments lead to conclusions which properties (especially residual stresses and surface topography) of the coated steel influence its strength in which way. Therefore a cold working steel (X 155 CrVMo 12 1) and a high-speed steel (S 6-5-2), coated with various materials by PVD and CVD, were investigated. Inferences from the experimental and numerical analysis of the residual stress distribution in coating and substrate provide insight into the load conditions. Thus, the decisive factors which influence the fatigue behaviour of coated tool steels are determined. Furthermore, the capabilities of surface and coating technologies to reduce the risk of premature fatigue crack initiation are discussed. The results of tool monitoring of cold forging punches demonstrates how advanced duplex treatment (plasma-nitriding and subsequent PVD coating) succeeds in increasing the tool life considerably