Verschleißreduktion beim Tiefziehen von X 5 CrNi 18-10

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1 Verschleißreduktion beim Tiefziehen von X 5 CrNi Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Christian-Jürgen Kuwer aus Stade Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. F. Klocke Univ.-Prof. Dr.-Ing. P. W. Gold Tag der mündlichen Prüfung: 20. Juli 2007 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

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3 Berichte aus der Produktionstechnik Christian-Jürgen Kuwer Verschleißreduktion beim Tiefziehen von X 5 CrNi Herausgeber: Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Dipl.-Wirt. Ing. W. Eversheim Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. F. Klocke Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Prof. h. c. T. Pfeifer Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. G. Schuh Prof. em. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr.-Ing. E. h. M. Weck Prof. Dr.-Ing. C. Brecher Prof. Dr.-Ing. R. Schmitt Band 22/2007 Shaker Verlag

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007 Copyright Shaker Verlag 2007 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 meinen Jungs Bastian und Florian gewidmet

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7 Vorwort und Danksagung Preamble and Acknowledgment Keine Schuld ist dringender, als die, Dank zu sagen. Marcus Tullius Cicero Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Umformtechnik am Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen. An erster Stelle möchte ich meiner Frau Nicole danken, die mir durch ihre Liebe und Motivation stets den notwendigen Antrieb zur Erstellung der Arbeit gegeben und sich dabei immer liebevoll um unsere Zwillinge Bastian und Florian gekümmert hat. Meine Eltern haben durch die Finanzierung meines Studiums einen wichtigen Grundstein zur Entstehung dieser Arbeit gelegt. Meiner verstorbenen Mutter sowie meinem Vater, der mich stets unterstützt und zum Erreichen des Ziels angetrieben hat, gilt mein aufrichtiger Dank dafür. Meinen derzeitigen und ehemaligen Kollegen der Gruppe Umformtechnik danke ich in ganz besonderem Maße. Das große Engagement von Herrn Dr.-Ing. Sebastian Mader als Leiter der Gruppe, die vielen tribologischen Diskussionen mit Herrn Dr.- Ing. Thomas Maßmann und die zahlreichen Gespräche mit Herrn Dr.-Ing. Dirk Breuer sowie Herrn Dipl.-Ing. Björn Feldhaus haben entschieden zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen. Mein Dank gilt ebenso meinen studentischen Mitarbeitern Lars Petersen, Dhruv Dhandhania, Vanessa Duquesne, Martin Zimmermann, Jennifer Bützler und Michael Mavany sowie meinen Studienarbeitern, die mich stets unterstützt haben. Dem staatlich geprüften Techniker Thomas Kokott danke ich für seine dauerhafte Bereitschaft, auch die abwägigsten Problemstellungen erfolgreich zu lösen. Den Mitarbeitern der Dienstleistungsbereiche des WZL und hier vor allem Frau Cornelia Hohlstein und Herrn Thomas Fischer sei mein tiefer Dank für die hervorragend geleistete Arbeit ausgesprochen. Der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e. V., die im Rahmen eines IGF-Projekts einen Teil der Arbeit gefördert hat sowie dem deutschen Steuerzahler, der meine Anstellung als wissenschaftlicher Mitarbeiter finanziert hat, gilt mein aufrichtiger Dank. Der Fa. Wisura Mineralölwerk Goldgrabe & Scheft GmbH & Co. sowie der Fa. Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH danke ich recht herzlich für die Bereitstellung

8 von Versuchsmaterialien. Herrn Dr. Joachim Schulz sei mein Dank für die umfangreichen und fruchtbaren Diskussionen der Ergebnisse ausgesprochen. Für die eingehende Durchsicht und sprachliche Korrektur des Manuskripts danke ich Frau Sigrid Kreutzer. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Fritz Klocke danke ich für die Ermöglichung und Betreuung dieser Arbeit. Ebenso möchte ich Herrn Prof. em. Dr.-Ing. Peter W. Gold für die Übernahme des Korreferats und Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes danken. Aachen, im Juli 2007

9 Inhaltsverzeichnis Table of Contents Formelzeichen und Abkürzungen Symbols and Abbreviations v 1 Einleitung Introduction 1 2 Stand der Wissenschaft State of the Art Tiefziehen Deep Drawing Herausforderung beim Tiefziehen von X 5 CrNi Challenge when Deep Drawing X 5 CrNi Belastungskollektiv auf das System Tiefziehprozess Complex of Loads on the System Deep Drawing Process Verschleiß Wear Verschleißmechnismen Wear Mechanisms Verschleiß beim Tiefziehen von X 5 CrNi Wear at Deep Drawing of X 5 CrNi Möglichkeiten der Verschleißreduktion Possibilities of Wear Reduction Variation der Werkzeugaktivfläche Variation of the Contacting Tool Surface Variation der Schmierung Variation of the Lubrication Variation der Werkzeuggeometrie Variation of the Tool Geometry Zwischenfazit Intermediate Conclusion Zielsetzung und Aufgabenstellung Objective and Task 31 i

10 Inhaltsverzeichnis 4 Verschleißreduktion beim Tiefziehen von X 5 CrNi Wear Reduction at the Deep Drawing of X 5 CrNi Aktivflächeneinfluss Effective Surface Influence Versuchsaufbau Stift-Scheibe-Versuch Experimental Set-Up Pin-On-Disk Test Werkstoffauswahl Material Selection Ergebnisdarstellung Stift-Scheibe-Versuch Results Description Pin-On-Disk Test Verifikation mit Hilfe des Streifenziehversuchs Verification by Means of the Strip-Drawing Test Resümee Summary Schmierstoffeinfluss Lubricant Influence Schmierstoffauswahl Lubricant Selection Ergebnisdarstellung Stift-Scheibe-Versuch Results Description Pin-On-Disk Test Resümee Summary Wechselwirkungen Aktivfläche Schmierstoff Interactions Effective Surface Lubricant Ergebnisdarstellung Stift-Scheibe-Versuch Results Description Pin-On-Disk Test Verifikation mit Hilfe des Streifenziehversuchs Verification by Means of the Strip-Drawing Test Resümee Summary Geometrieeinfluss Geometry Influence Ziehkantenauswahl Drawing Edge Selection Ergebnisdarstellung FEM-Analyse Results Description FEM-Analysis Resümee Summary Zusammenfassung Verschleißreduktion Summary Wear Reduction ii

11 Inhaltsverzeichnis 5 Verifikation der Ergebnisse Verification of the Results Verifikation der optimalen Parameterkombination Verification of the Ideal Parameter Combination Schlussfazit Final Conclusion Zusammenfassung Summary Ausblick Outlook 117 Literaturverzeichnis Bibliography 121 Anhang Appendix 133 A.1 Berechnung der Elektronegativitätsdifferenzen Electronegativity Difference Calculation A.2 Berechnung der Nullstellen und Maxima Calculation of the Roots and Maxima A.2.1 Tschirnhaus-Kurve Tschirnhaus-Curve A.2.2 Trisektrix-Kurve Trisectrix-Curve A.3 Darstellung der geometrischen Herleitung der Tschirnhaus-Kurve Representation of the Geometrical Derivation of the Tschirnhaus-Curve A.4 Darstellung der Winkeldrittelung mit Hilfe der Trisektrix-Kurve Representation of the Angle-Trisection by Means of the Trisectrix-Curve Lebenslauf Curriculum Vitae 137 iii

12 Inhaltsverzeichnis iv

13 Formelzeichen und Abkürzungen Symbols and Abbreviations Großbuchstaben D 0 mm Ausgangsrondendurchmesser E MPa Elastizitätsmodul EN - Elektronegativität F N N Normalkraft F R N Reibkraft F Nh N Niederhalterkraft F R,NH,1 N Reibkraft am Niederhalter bei drehbar gelagerter Ziehwalze F R,NH,2 N Reibkraft am Niederhalter bei fixierter Ziehwalze F St,1 N Stempelkraft bei drehbar gelagerter Ziehwalze F St,2 N Stempelkraft bei fixierter Ziehwalze F St,max N maximale Stempelkraft F UB N Umformbiegekraft K IC MPa m Bruchzähigkeit R µm Rautiefe X AB - Elektronegativitätsdifferenz Kleinbuchstaben h µm Schmierfilmdicke k f MPa Fließspannung p bar Sinterdruck r mm Ziehkantenradius v

14 Formelzeichen und Abkürzungen r M mm optimaler Ziehkantenradius r senkrechte Anisotropie in Walzrichtung r senkrechte Anisotropie im 45 -Winkel zur Walzrichtung r senkrechte Anisotropie senkrecht zur Walzrichtung s mm Blechdicke v mm/s Gleitgeschwindigkeit v St mm/s Stempelgeschwindigkeit Griechische Buchstaben η Ns/m 2 dynamische Viskosität µ - Reibkoeffizient µ Bl Zr - Reibkoeffizient zwischen Blech und Ziehring µ Nh Bl - Reibkoeffizient zwischen Niederhalter und Blech µ St Bl - Reibkoeffizient zwischen Stempel und Blech ν - Poissonzahl (Querkontraktionszahl) ν m 2 /s kinematische Viskosität ρ g/cm 3 Dichte σ B MPa Biegefestigkeit ϕ - Umformgrad ϕ s -1 Umformgeschwindigkeit Abkürzungen ATZ - Aluminiumoxid-verstärkte Zirkonoxidkeramik AW - Verschleißschutzadditiv BUP - Blechumformprüfmaschine CNC - computerunterstützte numerische Kontrolle CP-W - warmgewalzter Komplexphasenstahl vi

15 Formelzeichen und Abkürzungen CVD - chemische Dampfphasenabscheidung DC - kaltgewalztes Flacherzeugnis zur Kaltumformung DP-K - kaltgewalzter Dualphasenstahl DP-W - warmgewalzter Dualphasenstahl EDX - energiedispersive Röntgenspektrometrie EP - Hochdruckadditiv FEM - Finite Elemente Methode GPSN-HD - unter Hochdruck gesintertes Siliziumnitrid GPSN-ND - unter Niederdruck gesintertes Siliziumnitrid GPSN-TiN - unter Hochdruck gesintertes Siliziumnitrid mit Titannitrid HiP - Heißisostatisches Pressen IF - Stahlwerkstoff frei von Zwischengitteratomen kfz - kubisch flächenzentriert krz - kubisch raumzentriert MS-W - warmgewalzter martensitischer Stahl PEP - passives Hochdruckadditiv Pkw - Personenkraftwagen PVD - physikalische Dampfphasenabscheidung QStE-TM - schweißbarer mikrolegierter Stahlwerkstoff mit hoher Streckgrenze RA-K - kaltgewalzter Restaustenitstahl TiAlN - Titanaluminiumnitridschicht TiCN - Titancarbonitridschicht TRIP - umwandlungsinduzierte Festigkeitssteigerung TWIP - durch Zwillingsbildung härtender Stahl WC/C - Wolframkarbid-Kohlenstoffschicht ZStE-BH - schweißbarer Stahlwerkstoff mit erhöhter Streckgrenze, durch die Prozesswärme härtend vii

16 Formelzeichen und Abkürzungen ZStE-TM - schweißbarer mikrolegierter Stahlwerkstoff mit erhöhter Streckgrenze viii

17 1 Einleitung Introduction Frisch gewagt ist schon gewonnen, halb ist schon mein Werk vollbracht. Johann Wolfgang von Goethe In Deutschland wurden im Jahr 2005 rund 5,35 Millionen Personenkraftwagen (Pkw) mit einem weltweiten Umsatz von knapp 236,3 Milliarden Euro produziert [SCHM06]. Den größten Anteil der im Fahrzeugbau verwendeten Werkstoffe nimmt nach wie vor Stahl ein. Vor allem Stahlblech, das überwiegend im Karosseriebau eingesetzt wird, steht im Fokus der verarbeitenden Industrie. Da die Rohkarosse ca. 25 % des Gesamtfahrzeuggewichts ausmacht, bietet sich im Bereich der Stahlbleche ein hohes Potenzial, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren [HEIN02]. Aus diesem Grund werden in der Blechumformung verstärkt höherfeste Stahlwerkstoffe verwendet, die bei niedrigerem Bauteilgewicht eine gleich bleibende Festigkeit der Bauteile gewährleisten [NEUD04]. Als Hauptinstrument zur Verbrauchsreduzierung, neben Verbesserungen in der Aerodynamik, dem Rollwiderstand und im Antriebsstrang, erwartet man bei einer Verminderung des Fahrzeuggewichts um 100 kg einen um bis zu 0,4 l Benzin bzw. 0,3 l Diesel günstigeren Verbrauch pro 100 km Fahrtstrecke [JAMB04]. Die neuen Stahlwerkstoffe bieten ein enormes Potenzial, sowohl ökologisch als auch ökonomisch optimierte Pkws herzustellen. Auch die hochlegierten Chrom-Nickel-Stähle, häufig als Edelstähle bezeichnet, zählen wegen ihrer Festigkeit zu den hochfesten Blechwerkstoffen. In der Automobilindustrie erfolgt ihr Einsatz aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit. Ein Einsatz von Bauteilen aus diesen Materialien als Sichtteile im Kraftfahrzeug ist ohne zusätzlichen Korrosionsschutz möglich. Der Werkstoff X 5 CrNi (1.4301) ist der unter den austenitischen, rostfreien Stählen am meisten eingesetzte und steht deswegen im Fokus dieser Arbeit. Die Umformung und hier vor allem das Tiefziehen von Stahlblechen aus diesem Werkstoff ist nicht unproblematisch. Aufgrund der hohen Verschleißneigung dieses Materials kommt es an den Werkzeugen häufig zur Bildung von Kaltaufschweißungen (Adhäsion) und/oder Riefen (Abrasion), was eine wesentliche Beeinträchtigung der Oberflächenqualität des hergestellten Bauteils zur Folge hat. Verglichen mit anderen Werkstoffen sind die Werkzeugstandzeiten niedrig, was mit erhöhten Kosten für die Bauteilfertigung einhergeht. Aus diesem Grund liegt ein wesentlicher Aspekt zur Verbesserung des Tiefziehprozesses darin, den auftretenden Verschleiß zu reduzieren. 1

18 1 Einleitung 2

19 Introduction Einleitung Around 5.35 million passenger cars were produced in Germany in 2005, thereby generating a global turnover of almost billion euros [SCHM06]. Steel continues to be the material of choice in vehicle construction. Of particular interest to the metal-processing industry are steel sheets, which are primarily used in chassis construction. As the body framework constitutes approx. 25 % of the total vehicle weight, there is great advantage to be gained in using steel sheets that reduce the weight of the vehicle [HEIN02]. For this reason, it is becoming increasingly common to use higherstrength steels in sheet-metal forming, as these guarantee a low part weight while retaining the same levels of component strength [NEUD04]. Besides improvements in aerodynamics, rolling resistance and in the power train, a major instrument in reducing consumption is a decrease in vehicle weight. It is predicted that if the weight of a vehicle is reduced by 100 kg, consumption will be lowered by up to 0.4 l of petrol or 0.3 l of diesel per 100 km traveled [JAMB04]. The new steel materials thus hold enormous potential in producing optimized cars, both from an ecological and economic point of view. Even the high-alloy chromium-nickel steels, which are frequently referred to as stainless steels, belong in the category of high-strength sheet materials. They are used in the automotive industry due to their chemical stability. Using parts made of these materials in visible areas of a vehicle is thus possible without the need for additional corrosion protection. The material X 5 CrNi (AISI 304) is the most commonly used austenitic stainless steel and thus forms the focus of this paper. The forming and in this context the deep-drawing of steel sheets made of this material is not unproblematic. Due to the high proneness towards wear demonstrated by this material, seizures (adhesion) and/or scorings (abrasion) occur frequently on the tools. This leads to considerable impairment of the surface quality of the parts produced. Compared to other materials, the tool life is low, thus leading to increased costs for part production. For this reason, a considerable aspect in improving the deep-drawing process lies in reducing the wear which occurs. 3

20 1 Introduction 4

21 2 Stand der Wissenschaft State of the Art Copy from one, it s plagiarism; copy from two, it s research. Wilson Mizner Die unterschiedlichen Verfahren der Umformtechnik werden nach DIN 8582 abhängig von der Beanspruchungsart des jeweils umgeformten Bauteils eingeteilt [DIN03a]. Druck-, Zugdruck-, Zug-, Biege- und Schubumformverfahren stellen die Klassifizierung aller Umformverfahren dar. Neben den Belastungsspektren am Bauteil hat sich in der praktischen Anwendung eine Unterteilung in Massiv- und Blechumformverfahren etabliert. Zu den bekanntesten Blechumformverfahren zählt der Tiefziehprozess, der im Mittelpunkt dieser Arbeit steht und im Folgenden näher beschrieben wird. 2.1 Tiefziehen Deep Drawing Nach deutscher Norm werden die Tiefziehverfahren den Zugdruckumformverfahren zugeordnet. Die Zugdruckumformverfahren werden wiederum in verschiedene Kategorien unterteilt [DIN03b]. In dieser Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf dem Blechumformverfahren Tiefziehen mit starrem Werkzeug. Diesem Prozess wird daher im Folgenden der Begriff Tiefziehen zugeordnet. Die Blechumformung allgemein und das Tiefziehverfahren im Speziellen zeichnen sich dadurch aus, dass eine Umformung flächiger Hohlteile ohne geforderte Wanddickenänderung stattfinden soll [TSCH03]. Als eines der zentralen Verfahren der unterschiedlichen Blechumformbereiche wird das Tiefziehen in der Serienfertigung u. a. im Kraftfahrzeugbau eingesetzt [LANG90b]. Zur Vereinfachung der nachfolgenden Betrachtungen erfolgt eine geometrische Reduzierung der Tiefziehverfahren auf rotationssymmetrische Bauteile. Diese Einschränkung ist praktikabel, da anschließend vor allem eine Analyse grundlegender Effekte beim Tiefziehen stattfindet. Eine schematische Darstellung des rotationssymmetrischen Tiefziehens, auch Napfziehen genannt, zeigt Abbildung 2.1. Während der translatorischen Bewegung des Stempels in die Öffnung des Ziehrings wird die Blechplatine über die Ziehkante unter stetiger Reduzierung des Außendurchmessers gezogen. Die Einleitung der Umformung erfolgt durch ein Streckziehen an der Stirnfläche des Stempels. Dadurch findet eine Superpositionierung von Tiefzieh- und Streckziehprozess beim Übergang vom Boden in die Zarge statt [JIN92]. Der eigentliche Tiefziehvorgang geschieht im Flansch sowie im Bereich der Ziehkante, also im Kontaktbereich von 5

22 2 Stand der Wissenschaft Stempel Stempelkraft Niederhalter Niederhalterkräfte Blech Ziehkante Ziehring Halbzeug Ziehband Tiefziehprozess Napf Produkt Abbildung 2.1: Verfahren: rotationssymmetrisches Tiefziehen Process: rotational symmetric deep drawing Ziehring und Blech [LANG90b]. Hierbei kommt es zu einer Überlagerung von radialen Zug- mit tangentialen und normalen Druckspannungen, woraus sich die Zuordnung zu den Zugdruckumformverfahren gemäß Norm ableitet. Die vorherrschenden Grenzflächeneigenschaften in der Umformzone bestimmen die Prozessgrenzen beim Tiefziehen [FILZ01]. Aber auch die Prozessparameter, wie z. B. die Ziehgeschwindigkeit oder auch das Ziehverhältnis, begrenzen das Tiefziehverfahren. Maßgeblich für die Belastungsverhältnisse während des Tiefziehprozesses ist der verwendete Werkstückwerkstoff. Dieser wird aufgrund der geforderten Bauteileigenschaften des zu produzierenden Produkts festgelegt. Das Werkstückmaterial gibt als Systemkomponente die Restriktionen für ein geeignetes Gesamtsystem vor. 2.2 Herausforderung beim Tiefziehen von X 5 CrNi Challenge when Deep Drawing X 5 CrNi In den vergangenen Jahren hat ein starker Entwicklungsprozess im Bereich der Werkstückwerkstoffe für die Blechumformung stattgefunden. Dies liegt daran, dass vorrangig die Wirtschaftlichkeit des Endprodukts in den primären Einsatzbereichen Fahrzeug- und Karosseriebau betrachtet wird. Maßgeblichen Einfluss auf die Ökonomie haben die Werkstückwerkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Gewicht, Umformbarkeit und Verarbeitbarkeit. Diese stehen im Mittelpunkt der Werkstoffauswahl und -entwicklung [SCHR04]. Das Voranschreiten eines ökologischen Bewusstseins und die daraus abgeleitete Forderung nach einem immer weiter ausgereiften Leichtbau haben dafür gesorgt, dass der Einsatz hochfester Stahlbleche stark gestiegen ist. Das Potenzial höherfester Feinbleche kann überall dort ausgeschöpft werden, wo Streckgrenze und 6

23 2.2 Herausforderung beim Tiefziehen von X 5 CrNi Zugfestigkeit für das Bauteil dimensionsbestimmend sind, da mit geringerer Wanddicke bei gleicher oder erhöhter Tragfähigkeit eine effektive Gewichtsreduzierung erreicht werden kann [NEUD04]. Vorteile durch den Einsatz höherfester Stähle ergeben sich aus der Erhöhung der Sicherheit, der Verringerung der Fahrzeuggewichte und damit des Treibstoffverbrauchs sowie der Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit von Stahl gegenüber Konkurrenzwerkstoffen [ENGL89]. In Abbildung 2.2 ist ein Überblick über die heute gängigen Stahlwerkstoffe gegeben. Wie gekennzeichnet, stellen die nicht- 80 weich höherfest hochfest höchstfest Bruchdehnung A 80 / % IF DC01-06 Al-Leg. Mg-Leg. ZStE-BH Mn-Leg. TWIP 25%Mn / TRIP 15% Mn Korrosionsbest korrosionsbeständige austenitische Stähle DP-W / DP-K ZStE-TM / QStE-TM TRIP / RA-K CP-W MS-W Zugfestigkeit R m / MPa Abbildung 2.2: Einteilung der Blechwerkstoffe für den Prozess Tiefziehen nach ihren Festigkeitseigenschaften nach [JARM02] Classification of the sheet metal materials for the process deep-drawing after their physical properties rostenden Stähle eine Besonderheit in der Entwicklung der Stahlwerkstoffe dar. Nach [DIN05a] enthalten die nichtrostenden Stähle mindestens 10,5 % Chrom und höchstens 1,2 % Kohlenstoff. Sie werden aufgrund ihrer wesentlichen Eigenschaften nach Norm in die Kategorien korrosionsbeständige Stähle, hitzebeständige Stähle und warmfeste Stähle eingeteilt. Im Automobilbau sind vor allem korrosionsbeständige Stähle im Einsatz, da diese als Sichtteile, z. B. im Unterbodenbereich, ohne zusätzlichen Korrosionsschutz Verwendung finden. Unter Korrosion versteht man die Schädigung von Werkstoffen bzw. Bauteilen durch chemische Reaktionen mit Bestandteilen der Umgebung. Die Korrosionsbeständigkeit kann dadurch erzielt werden, dass entweder der Werkstoff aufgrund 7

24 2 Stand der Wissenschaft seiner Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe praktisch immer als Kathode in einem Korrosionselement wirkt oder eine Passivschicht ausbildet, welche die weitere Korrosion stark behindert oder ganz unterdrückt [EVAN65]. Häufig erfolgt die Benennung der korrosionsbeständigen, also nichtrostenden Stähle, als Edelstähle. Eine solche Nomenklatur ist unzureichend und teilweise falsch. Ein Edelstahl ist eine allgemeine Bezeichnung für alle legierten und/oder unlegierten Stähle, die einen Schwefel- und Phosphorgehalt kleiner als 0,02 % aufweisen [DIN00]. Zusätzlich unterscheidet sich diese Stahlgruppe von den Qualitätsstählen durch bestimmte Mindestwerte der Kerbschlagzähigkeit im vergüteten Zustand, durch Grenzwerte der Härtbarkeit im Stirnabschreckversuch und durch einen begrenzten Gehalt oxidischer Einschlüsse [DIN96]. Der Begriff Edelstahl umfasst also einen weitläufigeren Bereich als die nichtrostenden Stähle und nicht jeder rostfreie Stahl kann den Edelstählen zugeordnet werden. Von besonderem Interesse innerhalb der Gruppe der nichtrostenden Stahlwerkstoffe sind die korrosionsbeständigen austenitischen Chrom-Nickel-Stähle. Die außergewöhnliche Beständigkeit dieser Stähle gegenüber Korrosion verdanken sie ihrer Eigenschaft, sich leicht passivieren zu lassen [NICK61]. Die ausgebildete Passivschicht auf den Oberflächen dieser Werkstoffe führt dazu, dass sie nahezu unangreifbar gegenüber korrosiven Umwelteinflüssen sind. Als Grundtyp dieser Stahlgruppe gilt der Werkstoff X 5 CrNi (1.4301). Dieser Chrom-Nickel-Stahl wurde im Jahre 1912 durch die FA. KRUPP unter dem Namen V2A patentiert. V2A steht hierbei für Versuchsschmelze 2 Austenit. Aus der chemischen Zusammensetzung in Tabelle 2.1 ist ersichtlich, dass dieser Stahl zumindest durch seinen Phosphorgehalt keine Zuordnung zu den Edelstählen nach Norm erlaubt. Tabelle 2.1: Chemische Zusammensetzung (Schmelzanalyse) des austenitischen korrosionsbeständigen Stahls [DIN05b] Chemical composition (cast analysis) of the austenitic corrosion-resistant steel AISI 304 C Si Mn P S N Cr Ni 0,07 1,00 2,00 0,045 0,015 0,11 17, ,5 8, ,5 Das austenitische Gefüge dieser Chrom-Nickel-Stähle weist eine kubisch flächenzentrierte (kfz) Kristallstruktur auf. Im Vergleich zum kubisch raumzentrierten (krz) Kristallgitter, über das z. B. Ferrit verfügt, liegt bei der kfz-anordnung eine höhere Packungsdichte in den Gleitebenen vor [BEIS98]. In Abbildung 2.3 sind links die Elementarzellen von kfz- und krz-gitter dargestellt sowie in der Bildmitte je eine exemplarische Gleitebene gekennzeichnet. In der rechten Bildhälfte ist eine solche Gleitebene (hier bestehend aus mehreren Elementarzellen) in der Normalansicht gezeigt, was die unterschiedlichen Packungsdichten der Gleitebenen verdeutlicht. Bedingt durch die höhere Packungsdichte in der Gleitebene des kubisch flächenzentrierten Gitters ist die notwendige Aktivierungsenergie, d. h. die Schubspannung, bei 8

25 2.2 Herausforderung beim Tiefziehen von X 5 CrNi Gleitrichtung kfz Elementarzelle Gleitebene der Elementarzelle krz Gleitrichtung Abbildung 2.3: Darstellung der unterschiedlichen Elementarzellen sowie der Gleitebenen von kubisch flächenzentriertem (kfz) und kubisch raumzentriertem (krz) Gitter Illustration of different unit cells and gliding planes of cubic face-centered and cubic body-centered lattice der ein Gleiten in der Ebene stattfindet, geringer. Dies liegt daran, dass sich die Atome der Gleitebenen bei einer geringeren Packungsdichte tiefer ineinander verhaken. Dadurch weist ein Stahl mit kfz-gitter ein zähes Materialverhalten auf, was gute Verformungseigenschaften zur Folge hat. Zusätzlich tritt bei der Umformung des austenitischen Stahlwerkstoffs X 5 CrNi eine starke Kaltverfestigung auf. Die Versetzungswanderung im Stahlwerkstoff, die als elementarer Mechanismus der Gleitung in der Metallphysik verstanden wird, ist ein Grund für diesen Effekt. Die durch das Gitter wandernden Versetzungen behindern sich gegenseitig oder stauen sich an Korngrenzen und Phasengrenzflächen auf. Dadurch wird das Gleiten so stark behindert, dass ein höherer Energieeintrag notwendig ist, um eine weitere Umformung zu gewährleisten. Diese höhere notwendige Umformenergie spiegelt sich in einer Steigerung der Festigkeitskennwerte des Stahls wieder [KLOC06a]. Neben dieser allgemeinen Kaltverfestigung bedingt auch die verformungsinduzierte Umwandlung des Austenits in Martensit eine zusätzliche Steigerung der Materialfestigkeit [KULP03]. Bei der Martensitbildung handelt es sich um das diffusionslose Umklappen eines kfz-gitters (γ, Austenit) in ein krz-gitter (α, Martensit) [ARLT89], vgl. Abbildung 2.4. Martensit bildet sich, weil das Austenit teilweise nur metastabil vorliegt. Ein metastabiler Zustand ist stabil gegen kleine energetische Änderungen, aber instabil gegenüber größeren Änderungen. Das bedeutet, dass bei hoher Verformung eine Umwandlung des Austenits in spröden Martensit stattfindet, wodurch bei 9

26 2 Stand der Wissenschaft Metastabiler Austenit (vor der Umformung) 50 µm Bildung von nadeligem Verformungsmartensit (nach der Umformung) 50 µm Abbildung 2.4: Gefügeschliffe zur Illustration der Bildung von Verformungsmartensit Micrographs to illustrate strain-induced martensite formation einem erheblichen Anstieg der Festigkeit eine nicht unerhebliche Reduzierung der Zähigkeit erfolgt. Dadurch ist die Verformbarkeit bei bereits fortgeschrittener Umformung teilweise stark eingeschränkt [DAHL93, ZELL89]. Der Effekt der umwandlungsinduzierten Festigkeitssteigerung wird auch TRIP-Effekt (engl. Transformation Induced Plasticity) genannt. Dieser tritt nicht nur bei X 5 CrNi auf, sondern betrifft alle Stähle mit Restaustenit im Gefüge, also auch viele der zuvor genannten höher-, hoch-, und höchstfesten Stähle. Dabei erfolgt eine Umwandlung des im kfz-gitter vorliegenden Restaustenits (metastabil) in Martensit (krz-gitter). Durch die kollektive Scherung der Kristallgitterebenen (Transformation) während der TRIP-Umwandlung wird die Dehnbarkeit bewirkt [SCHR04]. Der Nutzen dieses Effekts liegt darin, dass neben der generell guten Verformbarkeit des kubisch flächenzentrierten Gitters eine weitreichendere Umformung möglich wird. Zusätzlich führt die Umwandlung zu einer enormen Festigkeit der produzierten Bauteile. Dies nutzt man u. a. für die Steigerung der Crashsicherheit im Automobilbau. Der betrachtete Austenit hat Vor- und Nachteile. Die gewollt hohe Verfestigung des Materials wird durch die größere Löslichkeit der Gefügestruktur für annähernd alle Legierungselemente zusätzlich gesteigert. Interstitiell gelöste Legierungselemente führen dann zu einer zusätzlichen Behinderung der Versetzungswanderung und dadurch bedingt zu einer weiteren Festigkeitssteigerung [DAHL93]. Die insgesamt sehr hohe Kaltverfestigung des Materials bringt während der Prozessführung eine erhöhte Kontaktbelastung an den Werkzeugen mit sich. Zusammenfassend ist festzustellen, dass neben einer prozessbedingten Festigkeitssteigerung auch eine Gefügeumwandlung während der Verformung von X 5 CrNi stattfindet. Die Umwandlung des Gefüges führt, neben einer Erhöhung der Materialfestigkeit, auch zu einer lokalen Volumenvergrößerung, weil das entstehende krz- Gitter nicht so dicht gepackt ist wie das ursprüngliche kfz-gitter. Diese Effekte haben zum Teil einen entscheidenden Einfluss auf den Tiefziehprozess und auf die Belastungen, die von den beteiligten Systemkomponenten ertragen werden müssen. 10

27 2.3 Belastungskollektiv auf das System Tiefziehprozess 2.3 Belastungskollektiv auf das System Tiefziehprozess Complex of Loads on the System Deep Drawing Process Das Belastungskollektiv, das auf das System Tiefziehprozess wirkt, wird aus der Summe der äußeren Lasteinwirkungen wie Prozesskräfte, Temperatur oder auch Gleitgeschwindigkeit gebildet. Das Kollektiv ist als Kombination von Eingangsgrößen zu verstehen, die bei Wirkung auf das System zu mitunter unerwünschten Ausgangsgrößen führen. Der betrachtete Tiefziehprozess wird durch vier wesentliche Komponenten bestimmt: Stempel, Ziehring, Niederhalter und Blech, vgl. Abbildung 2.1. Daraus lassen sich die drei unterschiedlich zu betrachtenden Kontaktzonen des Gesamtsystems ableiten, an denen die Einleitung der Belastungen im Prozess erfolgt [GRAH85]: 1. Kontaktzone zwischen Ziehring, Niederhalter und Blechwerkstoff, 2. Kontaktzone zwischen Ziehkante und Blechwerkstoff und 3. Kontaktzone zwischen Stempelkante und Blechwerkstoff. Die Reibung zwischen dem Blechwerkstoff und den Werkzeugen gehört zu den wichtigen Faktoren. Sie beeinflusst den Materialfluss und bestimmt das Prozessergebnis hinsichtlich Produktqualität und Werkzeugverschleiß. Daher ist es notwendig, die Reibung genau zu kennen [BREN04, LANZ98, LEE02]. Der Niederhalterbereich und die Ziehkante sind bei einfachen Werkzeugen, wie dem Napfziehen, die beiden entscheidenden Kontaktbereiche im Tiefziehprozess [NEUD04]. Da die höchsten Flächenpressungen und Relativgeschwindigkeiten im Kontakt zwischen Blechplatine und Ziehring auftreten, ist das Verständnis der Ursachen für die auftretenden Belastungen in diesem Bereich für einen robusten Prozess unabdingbar. Das Belastungskollektiv wird jedoch nicht nur von außen dem System aufoktroyiert. Es ergibt sich auch aufgrund der inneren Verhältnisse im System. Die Reibung ist die entscheidende Größe der inneren Einflussfaktoren. Bereits LEONARDO DA VINCI legte vor ca. 500 Jahren den Grundstein für eine wissenschaftliche Betrachtung von Reibungsvorgängen. Heutzutage wird die Reibung von der Gesellschaft für Tribologie als eine Wechselwirkung zwischen sich berührenden Stoffbereichen von Körpern definiert, die einer Relativbewegung entgegenwirkt [GFT02]. Wissenschaftlich fundierte Untersuchungen zu unterschiedlichsten Reibungsvorgängen gehen bis in das Jahr 1699 zurück, als GUILLAUME AMONTONS einen direkten Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Normalkraft und der sich daraus ergebenden Reibungskraft an der Kontaktfläche feststellte [AMON99]. CHARLES AUGUSTIN COULOMB führte die Untersuchungen Amontons zu Ende und leitete daraus das heute noch gebräuchliche Coulomb sche Gesetz ab [COUL85]: 11

28 2 Stand der Wissenschaft µ = F R F N (2.1) mit : µ : Reibkoeffizient F R : Reibkraft F N : Normalkraft F N Reibkraft F R Reibwert = Normalkraft F N Festkörperreibung h 0 h R Gegenkörper (Blechplatine) R v h Grundkörper (Ziehring) h» R Neben dieser einfachen mathematischen Beschreibung, die so eigentlich nur auf einen nicht geschmierten Reibkontakt ohne plastische Verformung angewendet werden kann, ist es für eine Analyse der Reibung und des Reibverhaltens entscheidend, dass stets alle beteiligten Elemente und Partner des Systems in Betracht gezogen werden [ULME03]. Hierbei ist es wichtig zu verstehen, dass die Reibung aus dem Zusammenwirken sämtlicher Prozessvariablen resultiert und nicht einer einzelnen zugeordnet werden kann [FILZ04]. Für die Reibung selber erfolgt eine Unterteilung in unterschiedliche Reibzustände. Aufbauend auf den Untersuchungen von RICHARD STRIBECK wird diese Einteilung mit sinkender Belastung des Reibkontakts vorgenommen. Eine steigende Schmierfilmdicke erzeugt diese Reduktion der auftretenden Kontaktlasten. Dabei ergibt sich der in Abbildung 2.5 dargestellte Verlauf des Reibwerts. Mit steigender Gleitgeschwindigkeit zwischen den kontaktierenden Körpern treten die Zustände der Festkörper- oder Grenz-, Misch- und Flüssigkeitsreibung nacheinander auf [CZIC82, HABI80]. Die auf- Grenzreibung Mischreibung Flüssigkeitsreibung Zwischenstoff (Schmierstoff) Viskosität Gleitgeschwindigkeit v Normalkraft F N Abbildung 2.5: Stribeck-Kurve nach [STRI03] Stribeck graph 12

29 2.3 Belastungskollektiv auf das System Tiefziehprozess tretenden Reibzustände mit steigender Relativgeschwindigkeit zwischen Grund- und Gegenkörper sind nachfolgend näher erläutert. Festkörperreibung und Grenzreibung Festkörperreibung tritt bei Relativbewegung zwischen reinen Oberflächen auf, die nicht durch eine Zwischenstoffschicht getrennt sind [CZIC82, MANG01]. Die reine Festkörperreibung geht mit einem hohen abrasiven Verschleiß (Mikrozerspanung) einher. Zusätzlich können durch chemische und physikalische Wechselwirkungen, wie sie in allen realen Kontakten auftreten, Adhäsionen (Kaltverschweißungen) entstehen [SIMO03, YU94]. Der Unterschied zwischen Festkörper- und Grenzreibung liegt darin, dass bei reiner Festkörperreibung ein direkter also ungeschützter Kontakt zwischen den beiden kontaktierenden Partnern vorliegt [HABI80]. Die Grenzreibung bezeichnet den Fall, dass bei einem direkten Kontakt der Systempartner eine so genannte Grenzschicht durch physikalische und chemische Vorgänge entsteht, die die Oberflächen der Körper bedeckt und schützt [YU94, MANG01, SIMO03]. Eine solche Grenzschicht wird durch Anlagerung von Schmierstoffbestandteilen gebildet, sie ist jedoch kein Garant für den Ausschluss von Mikrozerspanungs- oder Kaltverschweißungsvorgängen. Mischreibung Die Mischreibung beinhaltet Anteile von Flüssigkeits-, Grenz- und, unter entsprechenden Voraussetzungen, auch Festkörperreibung. Wenn die Dicke des Schmierfilms die Gesamtrautiefe von Grund- und Gegenkörper nicht erreicht, erfolgt lediglich ein teilweises Aufnehmen der Belastung durch den Schmierfilm. Die restliche Belastung wird durch einen unmittelbaren Kontakt der Rauheitshügel der Kontaktpartner getragen [CZIC82, FILZ01, HABI80, MANG01, SIMO03]. Dort, wo der Schmierstofffilm Bestand hat und nicht versagt, verhindert er die chemische Wechselwirkung zwischen den Kontaktflächen. Nichtsdestotrotz liegt eine physikalische Wechselwirkung durch den dünnen Schmierfilm und damit eine Neigung zu abrasivem Verschleiß vor [YU94]. Es erfolgt eine direkte Übertragung der auftretenden Lasten durch den Schmierstoff, die so plastische Deformationen hervorrufen können. Flüssigkeitsreibung Ist die Summe der Rautiefen (Rz) von Grund- und Gegenkörper kleiner als die Schmierfilmdicke, d. h. die Oberflächen der aufeinander gleitenden Reibkörper sind durch einen tragfähigen, flüssigen Schmierstofffilm vollkommen voneinander getrennt, so herrscht reine Flüssigkeitsreibung. Dieser Reibzustand wird auch als hydrodynamische Schmierung bezeichnet und kann nur erreicht werden, wenn der Quotient aus Viskosität, Gleitgeschwindigkeit und Normalkraft hinreichend hohe Werte annimmt [CZIC82, HABI80, MANG01, YU94], vgl. Abbildung 2.5. Nicht die Eigenschaften der beiden Reibpartner, sondern nur die des Schmierstoffs (hier die Viskosität bzw. die übertragbare Schubspannung) sowie 13

30 2 Stand der Wissenschaft die Prozessbedingungen (hier die Relativgeschwindigkeit) bestimmen den Betrag der Reibungskraft [SIMO03]. Das Belastungskollektiv setzt sich aus einer inneren Belastung, nämlich der erläuterten Reibung, sowie einer Vielzahl äußerer Belastungen, wie z. B. der Prozesskraft, der vorherrschenden Temperatur oder auch der Gleitgeschwindigkeit, zusammen. Die innere und äußeren Lasten sind nicht vollkommen autark, sondern beeinflussen sich in besonderem Maße. Z. B. führt eine hohe Reibung durch den entstehenden Energieeintrag ins Material zu einer erhöhten Temperatur in der Kontaktzone. Gleichzeitig steigt die für die Umformung notwendige Prozesskraft, um die erzeugte Reibkraft zu kompensieren. Die unterschiedlichen, sich gegenseitig beeinflussenden Belastungen des betrachteten Systems, führen in den allermeisten Fällen zu Schädigungen an einem der beteiligten Partner. Diese Schädigungen werden unter dem Oberbegriff Verschleiß zusammengefasst. 2.4 Verschleiß Wear Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen und gasförmigen Gegenkörpers. [GFT02] Bezogen auf den Tiefziehprozess und speziell auf das Tiefziehen des austenitischen Chrom-Nickel-Stahls X 5 CrNi bedeutet dies, dass der Verschleiß primär am Kontaktpartner Werkzeug aufzufinden ist. Die während eines Verschleißvorgangs ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse werden Verschleißmechanismen genannt [GFT02]. Das Wirken dieser Verschleißmechanismen ruft den Verschleiß selber hervor [HABI01]. Je nach Gleitgeschwindigkeit, Kontaktnormalspannung, Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur, Schmierbedingungen und Materialeigenschaften von Werkstück und Werkzeug treten unterschiedliche Mechanismen auf [YU94]. In einem realen System sind diese Verschleißmechanismen einzeln so gut wie nie anzutreffen. Der Verschleiß ist meist die Folge mehrerer zusammenwirkender Verschleißvorgänge [ULME03] Verschleißmechnismen Wear Mechanisms Bei den Verschleißmechanismen erfolgt eine Unterteilung in die vier Hauptgruppen Randschichtermüdung (Oberflächenzerrüttung), Tribooxidation (Tribochemische Reaktion), Abrasion und Adhäsion [GFT02]. Diese Einteilung ist in Abbildung 2.6 schematisch dargestellt. 14

31 2.4 Verschleiß Randschichtermüdung Tribooxidation Abrasion Adhäsion Abbildung 2.6: Darstellung der vier wesentlichen Verschleißmechanismen [KLOC06a] Randschichtermüdung Surface Fatigue Illustration of the four essential wear mechanisms Die Randschichtermüdung, auch Oberflächenzerrüttung genannt, wird durch eine ständig wechselnde Beanspruchung der Oberfläche eines Reibpartners hervorgerufen. Sie hat eine erhöhte Rissbildung und ein Risswachstum bis zum Abtrennen von Partikeln zur Folge [CZIC82, HABI80, MÜLL02], vgl. Abbildung 2.6 oben links. Auch im geschmierten Kontakt kommt es zu dieser Form des Verschleißes, da die mechanischen Spannungen und die Grenzbelastung der Oberfläche über den Schmierfilm übertragen werden [HABI80]. Dadurch ist die Randschichtermüdung an vielen Verschleißprozessen beteiligt. Eine Ermüdung oder Zerrüttung der Oberfläche spielt jedoch beim Tiefziehprozess eine untergeordnete Rolle. Für gewöhnlich findet keine wechselnde Beanspruchung aufgrund des einfach gerichteten Bewegungsablaufs beim Tiefziehen statt. Die auftretende schwellende Belastung der Werkzeuge reicht meistens nicht aus, eine Oberflächenzerrüttung hervorzurufen. Deswegen kann dieser Verschleißmechanismus für eine weitere Betrachtung vernachlässigt werden. Tribooxidation Tribooxidation Tribochemische Reaktionen sind chemische Reaktionen zwischen Grund- und Gegenkörper, Zwischenstoff und Umgebungsmedium. Sie werden durch das Einwirken mechanischer Beanspruchungen oder thermisch aktivierte chemische Reaktionen, also aufgrund einer reibbedingten Aktivierungung der Partner des betrachteten Systems, hervorgerufen, vgl. Abbildung 2.6 oben rechts. Meist verändern sich hierbei 15

32 2 Stand der Wissenschaft die Schmierstoffe oder die Randschichten der Reibkörper in ihrer Zusammensetzung [CZIC82, LANG90a, MÜLL02]. Vor allem die Eigenschaften der äußeren Grenzschicht werden durch die Tribooxidation beeinflusst. Sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduzierung des Verschleißbetrags ist hierbei möglich. Wenn die Reaktionsschichten einen unmittelbaren metallischen Kontakt von Grund- und Gegenkörper verhindern, ist eine Reduktion des Verschleißbetrags die Folge. Tribochemisch gebildete Reaktionsschichten wirken in erster Linie dann schützend, wenn sie sich auf einem harten Untergrund bilden können. Ein solch festes Substrat verhindert, dass die Reaktionsschichten bei der Beanspruchung eingedrückt und damit zerstört werden [HABI80]. Abrasion Abrasion Im Gegensatz zur Tribooxidation handelt es sich bei der Abrasion um eine physikalische Wechselwirkung zwischen den kontaktierenden Körpern. Zu diesen Wechselwirkungen gehören die Deformation der Oberflächenunebenheiten und die Mikrofurchung der Oberfläche [YU94]. Abrasiver Verschleiß entsteht dann, wenn ein Körper mit einem härteren in Kontakt steht [MANG01]. Im Gegensatz zum normalen Deformationsvorgang entsteht bei der Mikrozerspanung Materialverlust. Rauheitsspitzen des harten Reibpartners dringen in die Oberfläche des weichen ein, wobei durch Relativbewegung derselben Riefen und/oder Mikrospäne (Zwei-Körper-Abrasion) entstehen [HABI80], vgl. Abbildung 2.6 unten links. Ebenso können die bereits abgescherten Partikel in den Kontaktbereich zwischen Grund- und Gegenkörper geraten. In diesem Fall bewirken sie eine weitere Abrasion (Drei-Körper-Abrasion). Der gleiche Effekt wird generell bei Verunreinigungen zwischen den Reibpartnern hervorgerufen [CZIC82, MANG01, MÜLL02]. Die Abrasion führt zu einem erheblichen Verschleißbetrag, weswegen eine Vermeidung oder zumindest Reduzierung für eine prozesssichere Kontaktierung der Partner unumgänglich ist. Adhäsion Adhesion Als erster Verschleißmechanismus bei nicht ausreichender Schmierung tritt die Adhäsion in Kraft, vgl. Abbildung 2.6 unten rechts. Eine nicht ausreichende Schmierung liegt dann vor, wenn der eingesetzte Schmierstoff nicht mehr in der Lage ist, einen zusammenhängenden Schmierfilm zwischen den Kontaktpartnern zu generieren [CZIC03]. Wird die Benetzung der Oberflächen mit dem Zwischenmedium aufgrund einer zu hohen Scherbelastung unterbrochen bzw. kann keine ausreichende Trennung der beiden kontaktierenden Körper sicher gestellt werden, treten an den Mikrokontaktflächen hohe elastische und elastisch-plastische Verformungen der Rauheitsspitzen auf. Werden die auf den Oberflächen befindlichen Adsorptions- und Reaktionsschichten 16

33 2.4 Verschleiß aufgebrochen, kommt es am Grundwerkstoff zu freiwerdenden atomaren Bindungen [HABI80, MANG01, MÜLL02]. An diesen kann sich Material unterschiedlicher Festigkeit durch die Ausbildung neuer Bindungen ablagern. In Abbildung 2.7 ist dieser Umstand skizziert. Der Widerstand gegenüber dem adhäsiven Verschleiß hängt entschei- Adsorptions- bzw. Reaktionsschicht adhäsives Material Grundwerkstoff Aufbrechen der Oberflächenschicht freigewordene atomare Bindungen Ablagerung von Fremdmaterial neue Bindungen Abbildung 2.7: Darstellung der Ausbildung adhäsiver Bindungen Illustration of the adhesive bonds formation dend von den Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe bzw. Werkstoffpaarungen ab [FEIN86], da die Verbindung von adhäsivem Material und dem betrachteten Werkstoff nur möglich ist, wenn in beiden gleichartige oder mindestens ähnliche Bindungsarten vorliegen. Zu den wichtigsten Bindungstypen gehören die metallische, die ionische und die kovalente Bindung. Abbildung 2.8 gibt einen Überblick über deren Funktionsweise. Metallische Bindungen liegen vorwiegend in Metallen vor. Hier werden die metallisch Metallionen Elektronengas (e - ) ionisch + kovalent Ionenschale Elektron + Ionen Abbildung 2.8: Darstellung der drei wichtigsten Bindungsarten Illustration of the three main bond types positiv geladenen Metallionen durch das frei bewegliche, negativ geladene Elektronengas zusammengehalten. Die elektrische Leitfähigkeit von Metallen ist primär auf die freien Elektronen zurückzuführen. Bei einer ionischen Bindung wechselt ein Elektron aus der äußeren Ionenschale eines Verbindungspartners auf die Schale des anderen Partners. Somit kann das Elektronenungleichgewicht bei einem der beiden Elemente ausgeglichen werden. Bei der kovalenten Bindung teilen sich beide Elemente die notwendigen Ionen, um ein gemeinsames Elektronengleichgewicht zu erreichen. 17

34 2 Stand der Wissenschaft Eine adhäsive Kontaktierung ist nur möglich, wenn ähnliche Bindungstypen aufeinander treffen. Unterschiedliche Materialien, die diese Voraussetzung erfüllen, können dann eine gemeinsame atomare Bindungen ausbilden. Dieser Vorgang wird als Mikroverschweißung bezeichnet [YU94]. Von einem adhäsiven Verschleiß spricht man, wenn die Bindungen durch chemische Wechselwirkungen zwischen Grund- und Gegenkörper gebildet und wieder abgeschert werden [CZIC82]. Bedeutsam für den Verschleiß ist, dass die Abscherung nicht immer in den ursprünglichen Mikrokontaktflächen, sondern in den angrenzenden Oberflächenbereichen des Grund- und Gegenkörpers erfolgen kann. Dadurch tritt ein Materialübertrag von einem Kontaktpartner auf den anderen auf [HABI80] Verschleiß beim Tiefziehen von X 5 CrNi Wear at Deep Drawing of X 5 CrNi Die vorrangig beim Tiefziehen von austenitischen Chrom-Nickel-Stählen auftretenden Verschleißmechanismen sind die Adhäsion und die Abrasion [KLOC06c]. Abbildung 2.9 zeigt eine exemplarische Darstellung beider Verschleißarten an Tiefziehwerkzeugen. Wie bereits in Kapitel 2.2 erläutert, tritt bei der Umformung des austenitischen Adhäsion Abrasion 60 µm 100 µm Abbildung 2.9: Darstellung der beiden vorrangig im Tiefziehprozess auftretenden Verschleißmechanismen Adhäsion und Abrasion Illustration of the both primary arising wear mechanisms in deep drawing adhesion and abrasion Stahlwerkstoffs eine starke Kaltverfestigung auf. Sie bedingt während der Prozessführung eine erhöhte Belastung im Kontakt zwischen dem Werkstück und den Werkzeugen. Dadurch wird der Verschleißmechanismus Abrasion, der vor allem aufgrund der Kontaktmechanik auftritt, ausgelöst. Neben der dargestellten Festigkeitssteigerung führt das kubisch flächenzentrierte austenitische Gefüge zu einer ausgeprägten Adhäsionsneigung [MÜLL02]. Hierbei ist jedoch nicht nur das stabil eingeformte Austenit entscheidend, sondern auch die metastabilen Bereiche, die bei Belastung in ein martensitisches Gefüge umklappen. Bei der Bildung von α -Martensit ergibt sich dann eine zusätzliche, vom Formänderungsvorgang zunächst unabhängige, Volumenvergrößerung gegenüber dem γ-gefüge. Diese 18

35 2.5 Möglichkeiten der Verschleißreduktion Zunahme des Materialvolumens beträgt 2,1 %, errechnet aus den Gitterparametern von kfz- und krz-gefüge [CINA54, GOOD71]. Zusätzlich ist jedoch auch davon auszugehen, dass im Submikrometerbereich ein Aufrauen der Oberfläche durch die Gefügeumwandlung stattfindet. Dieser Effekt führt dann zu einer weiteren Oberflächenvergrößerung. Beim adhäsiven Verschleiß sind, wie gezeigt, stoffliche Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene entscheidend. Bei einer prozessbedingten Beanspruchung wird die oberste Werkstoffschicht abhängig vom Oberflächenzustand beschädigt, wodurch Grenzflächenbindungen entstehen können. Die oberflächenabhängigen, atomaren Wechselwirkungen nehmen also aufgrund a) der größeren Kontaktoberfläche des kfz-gitters bei gleicher Formänderung, bedingt durch die besseren Gleiteigenschaften dieses Gittertyps im Vergleich zum krz-gitter, und b) der mikroskopischen Oberflächenvergrößerung bei der Gefügeumwandlung zu [GLEI04]. Zusätzlich zu der hohen Adhäsionsneigung des Austenits führen auch die Gefügebestandteile Chrom und Nickel zu einer starken Adhäsion. Dies liegt daran, dass durch den geringen Kohlenstoffgehalt von lediglich ca. 0,05 % keine Karbide ausgebildet werden. Somit sind die Chrom- und Nickelatome nicht abgesättigt und können leicht chemische Wechselwirkungen eingehen [FEIN86]. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Adhäsion beim Umformen nichtrostender Stähle besonders häufig auftritt. Nur durch ganz bestimmte, auf die jeweiligen Umformverfahren abgestimmte Werkstoffpaarungen und Schmiermittel, wird das Kaltaufschweißen auf ein vertretbares Maß eingeschränkt [OBER74, SCHU06b]. Die Herausforderung bei der Verarbeitung von X 5 CrNi liegt in der Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Eigenheiten. Eine Anpassung des Belastungskollektivs an die Verhaltensweisen des Werkstoffs ist notwendig, um den auftretenden Verschleiß zu reduzieren. Durch diese Anpassung können die Werkzeugstandzeiten entscheidend verlängert werden, wodurch eine effektive Steigerung der Produktivität verarbeitender Unternehmen erreicht wird. 2.5 Möglichkeiten der Verschleißreduktion Possibilities of Wear Reduction Die vorhandenen Möglichkeiten, ein prozessbedingt belastetes System hinsichtlich der Verschleißeigenschaften zu optimieren, sind vielfältig. Eine gezielte Anpassung der Prozessparameter an das werkstoffspezifische Verhalten des betrachteten austenitischen, rostfreien Stahls muss hierbei durchgeführt werden. Dabei ist an die bereits vorhandene Prozessführung anzuknüpfen, um einen kostenintensiven Anlagenmehraufwand zu vermeiden. Zunächst sind die Optionen einer effektiven Verschleißreduktion zu eruieren. Unterschiedliche Variationen, abhängig von den beteiligten Systemelementen, sind denkbar. Nachfolgend wird dargestellt, welche Veränderungen an dem System Tiefziehprozess 19