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September 2010
Iyas Khader
Damage mechanisms in silicon nitride rolling tools applied in caliber rolling copper and steel wires
Summary
Among various kinds of metal forming processes, rolling is the most primary and important one. The rolling industry, however, is still dominated by tools made of steels or cemented carbides. These conventional materials exhibit severe drawbacks in service, such as excessive wear, thermal fatigue, high adhesion affinity to some metals and environmental related corrosion. There is an increasing need to develop advanced materials that meet the requirements for such challenging applications. High quality silicon nitride is acknowledged as a ceramic of first choice for applications where resistance to wear, fatigue and chemical corrosion are limiting factors in lifetime and performance. The application of silicon nitride in rolling tools have demonstrated extended tool lifetime and improved product surface quality. However, it is still limited in some fields such as caliber wire rolling, where some issues concerning the damage mechanisms, damage initiation and evolution as well as the wear behavior of the tool still needs substantial elaborations and deeper understanding.
Kurzfassung
Das Walzen mit keramischen Walzwerkzeugen stellt eine neue und aktuelle Entwicklung dar. In der Umformtechnik, insbesondere beim Walzen, gewinnen keramische Werkstoffe auf Basis von Siliciumnitrid an Bedeutung. In einer Reihe von Anwendungen wurde die Funktionsfähigkeit keramischer Walzen und Formrollen nachgewiesen und eine teilweise erhebliche Lebensdauererhöhung im Vergleich zu Standardwerkzeugen aus Stahl oder Hartmetall erzielt. Unsicherheiten beim Einsatz von keramischen Drahtwalzen sind auf die Sprödigkeit der Keramik und damit ihre Zuverlässigkeit, sowie durch die mangelhafte Einschätzbarkeit des Degradationsverhaltens zurückzuführen. Dafür müssen die Schädigungsmechanismen, die an Siliciumnitrid-Walzen auftreten können, hinreichend bekannt und einschätzbar sein.
Ziel dieser Dissertation ist eine grundlegende Untersuchung der Schädigungsmechanismen beim Drahtwalzen von Kupfer- und Stahldrähten mit keramischen Walzwerkzeugen. Schwerpunkte sind die Modellierung der im System vorherrschenden Belastungskollektive und deren Einfluss auf die Schädigungen. Durch eine enge Verknüpfung von Experimenten an den Laborprüfständen mit Finite-Elemente-Simulationen werden die wichtigsten Einflussgrößen für das Einsatzverhalten von keramischen Drahtwalzen aus Siliciumnitrid abgeleitet. Darüber hinaus wird die Korrelation zwischen den Belastungskollektiven und dem Schaden ermittelt.
Among various kinds of metal forming processes, rolling is the most primary and important one. The rolling industry, however, is still dominated by tools made of steels or cemented carbides. These conventional materials exhibit severe drawbacks in service, such as excessive wear, thermal fatigue, high adhesion affinity to some metals and environmental related corrosion. There is an increasing need to develop advanced materials that meet the requirements for such challenging applications. High quality silicon nitride is acknowledged as a ceramic of first choice for applications where resistance to wear, fatigue and chemical corrosion are limiting factors in lifetime and performance. The application of silicon nitride in rolling tools have demonstrated extended tool lifetime and improved product surface quality. However, it is still limited in some fields such as caliber wire rolling, where some issues concerning the damage mechanisms, damage initiation and evolution as well as the wear behavior of the tool still needs substantial elaborations and deeper understanding.
Kurzfassung
Das Walzen mit keramischen Walzwerkzeugen stellt eine neue und aktuelle Entwicklung dar. In der Umformtechnik, insbesondere beim Walzen, gewinnen keramische Werkstoffe auf Basis von Siliciumnitrid an Bedeutung. In einer Reihe von Anwendungen wurde die Funktionsfähigkeit keramischer Walzen und Formrollen nachgewiesen und eine teilweise erhebliche Lebensdauererhöhung im Vergleich zu Standardwerkzeugen aus Stahl oder Hartmetall erzielt. Unsicherheiten beim Einsatz von keramischen Drahtwalzen sind auf die Sprödigkeit der Keramik und damit ihre Zuverlässigkeit, sowie durch die mangelhafte Einschätzbarkeit des Degradationsverhaltens zurückzuführen. Dafür müssen die Schädigungsmechanismen, die an Siliciumnitrid-Walzen auftreten können, hinreichend bekannt und einschätzbar sein.
Ziel dieser Dissertation ist eine grundlegende Untersuchung der Schädigungsmechanismen beim Drahtwalzen von Kupfer- und Stahldrähten mit keramischen Walzwerkzeugen. Schwerpunkte sind die Modellierung der im System vorherrschenden Belastungskollektive und deren Einfluss auf die Schädigungen. Durch eine enge Verknüpfung von Experimenten an den Laborprüfständen mit Finite-Elemente-Simulationen werden die wichtigsten Einflussgrößen für das Einsatzverhalten von keramischen Drahtwalzen aus Siliciumnitrid abgeleitet. Darüber hinaus wird die Korrelation zwischen den Belastungskollektiven und dem Schaden ermittelt.
Schlagwörter: silicon nitride; wire rolling; engineering ceramics; FEM; damage
Schriftenreihe Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. D. Löhe, Prof. Dr. rer. nat. A. Wanner, Prof. Dr. rer. nat. P. Gumbsch, Prof. Dr. rer. nat. O. Kraft, Prof. Dr.-Ing. P. Elsner und Prof. Dr.-Ing. habil. V. Schulze, Karlsruhe
Band 2010,62
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