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Selektiv thermisch oxidierte Werkzeugoberflächen im Einsatz beim trockenen Tiefziehen

Antragsteller: Behrens, Maier (Garbsen)

Werkstoffe: Feuerverzinkten Dualphasenstahl 

Methoden: Tiefziehen

 

Publikationen
Stand 1. Juni 2020
SPP1676_Publications_Behrens_Maier_Garbs[...]
PDF-Dokument [48.2 KB]
Final Report
(Abschlussbericht in englischer Sprache)
DMFOAJ_6_2020_001-029_Schoeler.pdf
PDF-Dokument [4.8 MB]

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 wurde ein Finite-Elemente-Modell entwickelt, um den Oxidschichtabtrag in Abhängigkeit der Kontaktnormalspannung, relativen Gleitgeschwindigkeit, Schichthärte, Temperatur sowie der Zyklenanzahl numerisch vorherzusagen. Hierfür wurde die Restdicke der Oxidschicht anhand von Focused-Ion-Beam Analysen (FIB) sowie Mikro‑Ritzversuchen an einem TriboIndenter bestimmt.

In der aktuellen dritten Förderphase werden die bisher erarbeiteten Grundlagen auf einen realen Tiefziehprozess im Labormaßstab übertragen. Dazu wurde ein modulares Rechtecknapfwerkzeug aufgebaut, welches mit oxidierten Formeinsätzen ausgestattet werden kann. Dabei werden gezielt Werkzeugbereiche betrachtet, welche aus umformtechnischer Sicht die größten Herausforderungen darstellen. Somit werden in einem Tiefziehwerkzeug Areale mit Radien (Ziehringradius an diversen Stellen und Ziehsicke) vorgesehen, welche mit oxidierten sowie nicht oxidierten (Referenz) Formeinsätzen ausgestattet werden können. In Abbildung 4 ist das modulare Werkzeugsystem dargestellt. Auf diese Weise kann das Schichtsystem anspruchsvoll validiert und die Übertragbarkeit auf realitätsnahe Anwendungen geprüft werden. Begleitend dazu wird das entwickelte numerische Tool zur Vorhersage der Verschleißbeständigkeit anhand der experimentellen Untersuchungen validiert. Abbildung 5 zeigt exemplarisch die Vergleichsspannung in den unterschiedlichen Blechmaterialien nach dem Umformprozess bei einer Temperatur von T = 120°C, sowie die resultierende Kontaktnormalspannung auf dem Ziehring.

Durch den geplanten Einsatz von zwei Werkstoffen (Dualphasenstahl DP600+Z sowie ein Tiefziehstahl, z.B. DC04+ZE) werden innerhalb des Projektes bereits mögliche Einsatzgebiete der Oxidschichten geprüft. Sowohl im Bereich der Umformung hochfester Stähle als auch im Bereich der Umformung weicherer Tiefziehgüten wäre der Einsatz der Oxidschichten denkbar, sodass die Trockenumformung anhand der gewählten Versuchsgeometrie mit diesen Werkstoffen gezielt untersucht wird.

alle Fotos: Universität Hannover

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

Selective thermally oxidized tool surfaces for dry deep drawing

Within the DFG priority program SPP1676 - Sustainable Production through Dry Processing in Forming Technology" new approaches for the realization of dry, lubricant-free forming processes were investigated. By dispensing with lubricants, a more sustainable and, due to the possible elimination of cleaning stages, also more economical production than previously usual is aimed. The present subproject dealt with the generation and investigation of selectively thermally oxidized tool surfaces and their use in dry sheet metal forming. The tribosystem of hardened tool steel (1.2379) and hot-dip galvanized dual phase steel (DP600+Z) was considered. Corresponding oxide layers were generated on tool steel surfaces at a defined oxygen partial pressure and subsequently characterized by means of high-resolution analysis and analyzed with regard to their adhesion, morphology and the friction coefficients resulting from the tribosystem. Based on these investigations, a α-Fe2O3 layer system was selected for further research work, which proved to be promising for application in complex deep drawing processes. In the further course of the project, the coating systems were applied to specially developed test specimen geometries, which on the one hand allowed the coatings to be subjected to tribological tests and on the other hand showed good suitability for examination with imaging analysis methods. Furthermore, the oxide layers were tested with regard to their wear behaviour. These investigations were carried out on a wear test stand with 90° deflection, which simulated the loads in deep drawing processes on a laboratory scale and at the same time allowed the wear behaviour to be observed at high cycle numbers up to n = 5000. The requirements of a dry forming process were realized by systematic cleaning of the test specimens as well as inline sheet metal cleaning to remove the corrosion protection oil on the sheet metal on the rolling mill side. Based on the results of the wear tests and the experimentally determined friction and hardness values of the tribosystem, a numerical model was developed with which the material wear can be simulated as a function of the process parameters. This model served as a numerical tool for the prediction of the layer failure as well as for the evaluation of wear critical areas on the deep drawing tools. The knowledge gained was transferred to a deep-drawing process in which rectangular cups were produced by deep-drawing in a modular tool under different conditions. For this purpose a tool concept was designed with the help of FE-analyses, which allows the installation of oxidized inserts in particularly stressed areas of the tool. In addition to the dual-phase steel DP600+Z, the electrolytically galvanized deep-drawing steel DC04+ZE was also used in these tests. By using the oxidized mold inserts, a significant improvement in the wear behavior of the tribological system under consideration was found in comparison to a dry reference system without oxidized mold inserts. For this purpose, the friction and wear reducing effect of oxidized tool surfaces was characterized in the deep drawing test by the applied critical holding-down force and the condition of the manufactured component in the area of the flange draw-in. The applied hold-down force acts against the drawing force and prevents the formation of wrinkles of the first kind by bulging in the flange area. If the critical hold-down force is exceeded, the material flow in the flange area is stopped, so that tears can occur in the component. The dual-phase steel DP600+Z showed almost constant critical hold-down forces in all tested process variants (dry, oxidized and oiled) and thus also an adequate deep-drawability in dry condition. The hot-dip galvanized deep-drawing steel DC04+ZE could be deep-drawn in the dry state with significantly lower critical hold-down force, which is why dry deep-drawing without defects with untreated tool surfaces is only conditionally possible. In the tests with oxidized tool surfaces, however, a critical blankholder force four times higher was achieved. Furthermore, it was observed that the use of oxidized inlays in the deep-drawing tool favors the material flow in the flange area. Thus, the good part window could be significantly extended, which increases the process reliability. Furthermore, it could be determined both in the wear tests and on the demonstrator tool system that the selective oxide layers significantly reduce the zinc transfer from the workpiece to the tool. In the press shop, failures due to zinc abrasion in series production are unavoidable, which is why longer service lives are in prospect with selective oxide layers.

 

Name
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens
Position
Projektleitung / project management
Name
M.Sc. Fahrettin Özkaya
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 511 762 3836
Name
Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
Position
Projektleitung / project management
Name
M.Sc. Simon Schöler
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 2302 661 646
Name
Dipl.-Phys. Daniel Wulff
Position
Projektbearbeiter / project team
Telefon
+49 2302 661 654
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