Forschung und Entwicklung

Spanloses Fertigungsverfahren für Rundstäbe auf Wolframbasis entwickelt

Schnellere Bearbeitungszeit, weniger Materialverbrauch: In einem Forschungsprojekt erarbeitete Wolfram Industrie ein spanloses Fertigungsverfahren zur Produktion von Schwermetall-Rundstäben auf Wolframbasis.

Von

Im Rahmen eines Forschungsprojekts entwickelte Wolfram Industrie ein spanloses Fertigungsverfahren zur Produktion von Schwermetall-Rundstäben - für einen nachhaltigeren Umgang mit den Werkstoffen. Das Verfahren verringert den Materialverbrauch und beschleunigt die Bearbeitungszeit.

In der Fertigung von Wolfram Industrie wurden bisher zur Produktion von Rundstäben etwa 26 bis 40 Prozent des gesinterten Materials spanend abgetragen. Der Abfallanteil nahm bei geringen Durchmessern zu und führte zu einem deutlich erhöhten Rohstoffverbrauch. Daher wurde von 2016 bis 2018 im Rahmen eines Forschungsprojekts an einem spanlosen Fertigungsverfahren zur Produktion von Schwermetall-Rundstäben auf Wolframbasis gearbeitet. Durch seinen iterativen Rundknet-Glühprozess verringert es den Materialverbrauch. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung bleiben erhalten. Danke der endkonturnahen Formgebung wird der Materialabfall auf durchschnittlich acht bis zehn Prozent gesenkt. Außerdem ist auf diese Weise eine Verdopplung der Werkstücklänge von bisher 370 mm auf bis zu 720 mm, selbst bei einem Durchmesser von 10,5, möglich. Das Projekt wurde vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Wolfram, Industrie © Gesellschaft für Wolfram Industrie GmbH

Im Gegensatz zum bisher bekannten Stand der Technik gelang im Rahmen des Forschungsprojekts eine Neukonzipierung des Sinterprozesses und dem zwischengeschalteten Umformprozess. Dadurch sind erstmalig Umformgrade von 63 Prozent und mehr möglich. Mit diesem Verfahren konnten sogar Bauteile mit einer Länge von 720 mm bei einem Durchmesser von 10,5 mm erreicht werden – bisher waren maximal 370 mm möglich.

Vorversuche und Identifikation der essenziellen Prozessparameter

Zu Beginn des Forschungsprojekts wurden die Projektziele auf Basis der internationalen Norm ASTM B 777-15 sowie der firmeneigenen Produktstandards für Triamet vereinbart und in einem Pflichtenheft zusammengefasst. Das diente als Grundlage für das Vorgehen bei der Analyse und Entwicklung des Umformprozesses. „Bisherige Versuche in dieser Richtung ergaben, dass beim Umformprozess des Schwermetalls die Kornstruktur in die Länge gezogen und dadurch die mechanischen Eigenschaften verändert werden“, berichtet Wolfgang Jung, zuständiger Metallexperte für Forschung und Entwicklung bei Wolfram Industrie. „Unerwünschte Folgen sind dabei eine Erhöhung der Festigkeit und Härte der verformten Schwermetalllegierungen – die geforderten Eigenschaften werden nicht mehr erreicht.“ Daher suchte Wolfram Industrie durch gezielte Versuchsplanung nach Wegen, wie die Härte des verformten Materials vermindert, aber gleichzeitig die Bruchdehnung erhöht werden konnte. Im Laufe dieser Versuche evaluierte Wolfram Industrie eine optimale Umformtemperatur für den Umformprozess und auch die Umformgrade wurden im Hinblick auf Rissentstehung optimiert. „So gelang es uns, durch einen speziell entwickelten thermomechanischen Umformprozess die Änderung der mechanischen Eigenschaften zu minimieren“, erklärt Jung.

White Paper zum Thema

Iterativer Rundknet-Glühprozess ermöglicht gleichbleibende mechanische Eigenschaften

Auf Grundlage der bisherigen Ergebnisse entwickelte Wolfram Industrie einen Rundknetprozess mit maximalem Umformgrad und analysierte die dabei entstehende Kornstruktur sowie die mechanischen Eigenschaften. „Wir erkannten, dass ein Erreichen der ursprünglichen Materialkennwerte mit einer einzigen thermischen Nachbehandlung technisch äußerst aufwendig und wirtschaftlich nicht zu realisieren wäre“, so Jung. „Daher entstand die Idee eines iterativen Gesamtprozesses als wirtschaftlichere Alternative. Durch gezielte und wiederholte Wärmebehandlung waren wir in der Lage, unabhängig vom Umformgrad nahezu vollständig das Ursprungsgefüge und die mechanischen Eigenschaften des Materials wiederherzustellen.“ Anschließend wurde die Riefenbildung minimiert, der Nachbearbeitungsaufwand und die Prozessdauer wurden optimiert. „Um das Material besser schleifen und bearbeiten zu können, sollten die Rundstäbe möglichst gerade werden“, erläutert Jung. „Dafür verwendeten wir in unserem Glatthämmerprozess eine neue Backengeometrie, wodurch in diesem Prozessschritt nicht nur die Stäbe besser ausgerichtet, sondern auch die Bearbeitungszeit gesenkt werden konnten.“ Damit gelang Wolfram Industrie eine Rohstoffeinsparung von durchschnittlich 18 bis 32 Prozent, je nach Geometrie des Werkstücks.

Wolfram, Industrie © Gesellschaft für Wolfram Industrie GmbH

Nach dem Hämmern des Schwermetalls wird die Kornstruktur in die Länge gezogen. Das Längenverhältnis hängt dabei vom Umformgrad ab, sodass sich elliptisch geformte Partikel bilden. Durch die Veränderung der Mikrostruktur ändern sich die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Härte und Bruchdehnung. Mit dem neuen Umformprozess bleibt die Mikrostruktur nach der Umformung nahezu unverändert und auch die mechanischen Eigenschaften sind nahezu identisch zum unverformten Material.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Rundstäbe auf Wolframbasis

Das neue Rundknetverfahren von Wolfram Industrie kann in der Praxis für verschiedene Bereiche eingesetzt werden. Ein Anwendungsgebiet für die Schwermetall-Rundstäbe auf Wolframbasis sind, beispielsweise, Werkzeughalterungen für eine hochpräzise Fertigung. Bei der CNC-Bearbeitungen entstehen oftmals große Schwingungen, die sich bis in die Halterungen übertragen können. Triamet besitzt allerdings ein hohes Elastizitätsmodul, wodurch es schwingungsdämpfend wirkt. Die längere Ausführung der Stäbe ermöglich in vielen bisherigen Anwendungen auch eine effizientere Bearbeitung mit weniger Verschnitt.  Sicherlich gibt es noch weitere Nutzungsmöglichkeiten für unsere langen Rundstäbe, an die wir bisher gar nicht gedacht haben“, resümiert Jung. „Daher freuen wir uns besonders auf den Dialog mit Anwendern und auf neue Impulse für unsere weitere Forschungsarbeit.“ 

Verwandte tecfindr-Einträge