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Selektiv thermisch oxidierte Werkzeugoberflächen im Einsatz beim trockenen Tiefziehen

Antragsteller: Behrens, Maier (Hannover)

Werkstoffe: Feuerverzinkten Dualphasenstahl 

Methoden: Tiefziehen

 

Veröffentlichungen SPP1676_BE1691/170-2
Stand November 2019
web_SPP 1676_Veröffentlichungen_Hannover[...]
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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.

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

coming soon...

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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