Optimization of cutting tools for high strength materials by means of deep cryogenic treatments and coatings (DCT4Cut)

Het onderzoeksproject omvat een aantal werkpakketten rond het gebruik van koudwerkstaal voor ponstoepassingen. Meer specifiek wordt getracht om de voordelen van een warmtebehandeling met diepkoeling (DCT en ‘cyclische’ DCT) en het gebruik van speciale coatings op de levensduur van complexe pons-gereedschappen aan te tonen.

Voor deze studie werden vooraf 4 verschillende soorten koudwerkstaal geselecteerd: een conventioneel gesmolten koudwerkstaal K110 (1.2379), een ESR-geraffineerd staal Caldie en twee poedermetallurgische (PM) stalen nl Vanadis 4^E en K390. De keuze voor deze stalen is gebaseerd op vroegere ervaring (zie project Infiblank) alsook op ervaring van enkele gebruikers in binnen- en buitenland. Er zijn uiteraard nog andere staalsoorten die in aanmerking kunnen komen voor de beoogde toepassing. Om het aantal testen te beperken werden daartoe slechts 4 staalsoorten beschouwd. 

De staven waaruit de ponsen gemaakt werden heeft Sirris laten harden bij de firma Ventec waarbij de conventionele hardingsmethode in vacuümoven werd gecombineerd met een diepkoeling uitgevoerd bij de firma Nitrotechnics onderdeel van VBS. De beoogde hardheid bedroeg 59+2 HRC. De geharde staven werden nadien grondig gekarakteriseerd op vlak van hardheid, structuur, hoeveelheid carbiden, restausteniet gehalte, scheurvorming na krastesten enz. Nadien werden de staven overgebracht naar Duitsland voor de ponstesten op laboschaal bij Fraunhofer IWU in Chemnitz. Een ander deel van de staven werd naar Fraunhofer IST in Braunschweig verstuurd voor testen met verschillende coatings. 

Testen op coatings

Fraunhofer IST heeft vooral de invloed van hardingsstrategie onderzocht nl het toepassen van de diepkoeling hetzij vòòr of na het ontlaten en coaten (zgn post DCT). De coatings bestaan uit geavanceerde PVD lagen zoals WC-DLC en CrTiAlSiN afgezet met en zonder voorafgaande plasmanitreerbehandeling (PN). Deze laatste behandeling wordt aanbevolen om de hechting en de weerstand van de coatings te verhogen. De invloed van DCT uitgevoerd vòòr het nitreren gaf weinig verschil op vlak van adhesie van de meeste PVD lagen, gecontroleerd via krastesten. De diepkoelbehandeling na het aanbrengen van de TiAlSiN en de CrAlTiSiN coatings gaf echter wel een verschil, meer bepaald een stijging van de microhardheid en van de Young modulus.   

Resultaat labotesten

De eerste ponstesten bij Fraunhofer IWS werden uitgevoerd met ronde stempels diameter 5 mm, welke door draadvonken werden gemaakt uit geharde staven in K390 en met inox staalplaat van 0,6 mm dikte als ponsmateriaal. Deze testen toonden aan dat de ronde geometrie van de stempel onvoldoende differentiatie toelaat tussen de verschillende staalsoorten en behandelingen. Om die reden werd deze geometrie verandert in een deels hoekige, deels ronde vorm (zgn ‘Dreieck-geometrie’).

Met deze stempels werden de 4 materialen vergeleken in zowel de klassiek geharde als in de geharde en diepgekoelde toestand. In de conventioneel geharde toestand bleken Vanadis 4^Een K390 het minste slijtage aan de hoekpunten van de stempels te geven. Na diepkoelen kon men visueel een geringere slijtage van het snijrand (hoekpunt) vaststellen op het conventioneel staal K110 en op Caldie.  De ponsstempels hadden dan meer dan 100000 slagen ondergaan.

Nadien werden nieuwe stempels gehard en onderworpen aan het cyclische DCT uitgevoerd bij de Oostenrijkse firma CoolTech. De cyclische DCT is een variant van de gewone DCT waarbij de temperatuur cyclisch varieert wordt tussen -197°C en -80°C i.p.v. bij een constante temperatuur van -196°C. Bij staal K110 en Caldie kon men zoals bij de gewone DCT een vermindering van de slijtage vaststellen terwijl bij de PM-stalen Vanadis 4^E en K390 er geen verschil werd vastgesteld.

Tenslotte werden er ponstesten uitgevoerd met gewone en cyclisch diepgekoelde en gecoate stempels in de 4 staalsoorten. De slijtage werd telkens vergeleken met de niet gecoate toestand. Hierbij stelde men vast dat de slijtage op K110 staal, gehard met DCT en met een CrTiAlSiN coating en onderliggende plasmanitreren nagenoeg afwezig was. Eenzelfde resultaat werd bekomen met het ESR-staal Caldie alsook met de andere stalen die eigenlijk ook goed scoorden zonder coating.  

Om het effect van het plasmanitreren na te gaan werd een vergelijking gemaakt tussen geharde en cyclisch diepgekoelde en gecoate ponsen in Vanadis 4^E en K390. De hechting van de CrTiAlSiN coating bleek ook zonder PN stand te houden met afwezigheid van enige vorm van slijtage aan de hoeken.

Resultaat industriële testen  

Als laatste stap in het project zijn een aantal industriële testen gepland in beide landen. De bedoeling is van de ervaring op laboschaal over te brengen naar de praktijk. Sirris heeft ondertussen drie industriële testen opgestart bij drie Vlaamse bedrijven actief op vlak van geponste stalen rondellen, zware stalen stapelrekken en  speciale inox rivetten. De testen werden uitgevoerd op respectievelijk K110 staal zonder coating, CPM4V (Amerikaans PM-staal) bedekt met een duplex coating en ASP23 zonder coating.

De eerste twee stalen werden gehard, nadien diepgekoeld en finaal ontlaten op hoge temperatuur om een nominale hardheid van ca 60 HRC te bekomen. Het laatste staal werd aangezien het reeds gehard was, enkel diepgekoeld en laag ontlaten (post DCT).

“De eerste test met conventioneel staal heeft aangetoond dat de slijtageweerstand weinig toenam bij de diepgekoelde stempels en het ponsen van staalplaat S235 in 8 mm dikte terwijl wel een verbetering werd genoteerd bij het ponsen van hogesterkte staalplaat in S700MC in 1.5 mm dikte. De tweede test omvatte meerdere stempels die vooraf diepgekoeld en gecoat werden en vergeleken werden met niet diepgekoelde en gecoate stempels. De diepgekoelde stempels moesten na ca 2 miljoen gaten gemiddeld 30 % minder afgeslepen worden tijdens de productie dan de niet diepgekoelde stempels. De derde test werd uitgevoerd met stempels welke finaal werden diepgekoeld (post DCT). Hier kon geen significante verbetering in het slijtagegedrag vastgesteld worden. In Duitsland werden gelijkaardige testen op industriële schaal uitgevoerd. Bij diepgekoelde stempels in 1.2379 staal kon men een lichte toename zien bij het verwerken van hoge sterkte staal gebruik voor de montage van zonnepanelen. De voorziene testen op vezelversterkte kunststof konden om praktische redenen niet afgewerkt worden maar werden vervangen door testen met het ultrasnel ponsen (afgekort HSIC). Met gehard staal K105 en post DCT werd bij het knippen van dikke koperdraad en ca 250000 slagen een ca 14 % langere levensduur vastgesteld. De testen tonen aan dat in de meeste gevallen een verbetering van de standtijd optreedt door afname van de abrasieve slijtage wanneer diepkoeling uitgevoerd wordt na het harden en voorafgaand aan het finaal ontlaten. De stabiliteit van het ponsproces zou ook positief beïnvloed worden zelf bij gelijkblijvende standtijd. Bij de post DCT behandeling is de toename van de levensduur sterk afhankelijk van de procescondities (te ponsen materiaal, dikte, smering). Coatings kunnen dan op hun beurt bijdragen tot een vermindering van de adhesieve slijtage “   

 De volledige presentaties van de gebruikersmeeting kan u opvragen bij ir. Guy. Claus.

Het project DCT4Cut is een internationaal Cornet-project met de financiële steun van AiF, FGW en VLAIO en is beëindigd op 30 september 2021.