Selektiv thermisch oxidierte Werkzeugoberflächen im Einsatz beim trockenen Tiefziehen

Antragsteller: Behrens, Maier (Hannover)

Werkstoffe: Feuerverzinkten Dualphasenstahl 

Methoden: Tiefziehen

 

In der Umformtechnik werden große Mengen an umweltbelastenden Schmierstoffen zur Steuerung der tribologischen Bedingungen im Umformprozess eingesetzt. Heutzutage werden zur Reduzierung der Reibung flüssige Schmierstoffe und hier hauptsächlich Schmieröle verwendet. Neben der Belastung für die Umwelt gestalten sich die Prozesse durch den Einsatz von Flüssigschmiermitteln aufwendiger, da Zwischenreinigungsstufen der Bauteile erforderlich sind. Eine Alternative zu schmierstoffbasierten Prozessen ist die Trockenumformung. Im hier vorgestellten Teilprojekt wird diese mittels selektiv thermisch oxidierter Oberflächen realisiert. Grundgedanke ist dabei die Werkzeugoberflächen  unter einer Schutzgasatmosphäre mit definiertem Restsauerstoffgehalt gezielt zu oxidieren. Die erzeugten Oxidschichten sollen dabei als reibungsarme Trennschichten zwischen Werkzeug aus 1.2379 und Werkstoff aus dem feuerverzinkten Dualphasenstahl DP600+Z dienen.

In der ersten und zweiten Förderphase lag der Schwerpunkt auf der Erzeugung unterschiedlicher Oxidschichten und deren Charakterisierung. Die Schichtmorphologien wurden dabei mittels Rasterelektronenmikroskopie und die chemische Zusammensetzung mittels Röntgendiffraktometrie bei streifendem Einfall unter der Verwendung von Synchrotronstrahlung ermittelt. Die tribologischen Eigenschaften wurden anhand von Streifenziehversuchen, sowohl mit flächigen Kontaktbedingungen als auch mit 90° Umlenkung, wie auch mit Verschleißuntersuchungen bei unterschiedlichen Flächenpressungen ermittelt. Die Verschleißuntersuchungen wurden an dem in Abbildung 1 gezeigten Prüfstand durchgeführt.

In Folge der Untersuchungen stellte sich heraus, dass insbesondere α-Fe2O3 Schichten für die Trockenumformung geeignet sind. In Abbildung 2 ist ein FIB Schnitt durch eine entsprechende ungetestete α-Fe2O3 Schicht dargestellt. In Abbildung 3 sind lichtmikroskopische Aufnahmen einer ungetesteten und einer getesteten α-Fe2O3 Schicht nach 5000 Lastzyklen (entspricht 300 m Bandlänge) bei einer Flächenpressung in Höhe von 95 MPa abgebildet. Der Vergleich legt dabei nahe, dass trotz sichtbaren Verschleißerscheinungen die Beschichtung weiterhin intakt ist.

Ein weiterer Schwerpunkt der zweiten Förderphase lag in der Fortentwicklung des Oxidationsverfahrens. So wurde in der ersten Phase ein industrieller Schutzgasdurchlaufofen für die Oxidationen verwendet, der Weiterhin werden in der zweiten Förderperiode Reibwerte sowie das Verschleißverhalten bei variablen Topografien untersucht.

Begleitend zu den Verschleißuntersuchungen in der ersten und zweiten Phase des Projektes wird ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, um den Oxidschichtabtrag in Abhängigkeit der Kontaktnormalspannung sowie der Zyklenanzahl numerisch vorherzusagen. Hierbei wird die Restdicke der Oxidschicht anhand von Mikro‑Ritzversuchen bestimmt, welche an einem TriboIndenter durchgeführt werden.

Lichtmikroskopische Aufnahme einer Prüfkörperoberfläche mit α-Fe2O3-Schicht vor (links) und nach (rechts) 5000 Lastzyklen

In der dritten Förderphase sollen die bisher erarbeiteten Grundlagen auf einen realen Tiefziehprozess im Labormaßstab übertragen werden. Dazu wird ein modulares Napfwerkzeug aufgebaut, welches mit oxidierten Formeinsätzen ausgestattet werden kann. Die Geometrie wird derart ausgelegt, dass das Schichtsystem sukzessive höher belastet werden kann. Die Ergebnisse der dritten Förderphase dienen der Übertragung der Grundlagen zu anwendungsorientierten Herausforderungen.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
Projektleitung
Dipl.-Ing. Deniz Yilkiran
Projektbearbeiter
+49 511 762 3836
M.Sc. Amer Almohallami
Projektbearbeiter
+49 511 762 2161
Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
Projektleitung
M.Sc. Simon Schöler
Projektbearbeiter
+49 2302 661 646
Dipl.-Phys. Daniel Wulff
Projektbearbeiter
+49 2302 661 654
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