Experimentelle Analyse des tribologischen Einsatzverhaltens festgeklopfter Werkzeugoberflächen beim Streifenziehen von Edelstahl

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1 Experimentelle Analyse des tribologischen Einsatzverhaltens festgeklopfter Werkzeugoberflächen beim Streifenziehen von Edelstahl 55. Sitzung des DGM-Fachausschusses Mechanische Oberflächenbehandlung Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Sindelfingen,

2 2 mm Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten Relativgeschwindigkeit Tribosystem Normalkraft Schmierfilm Werkzeug Werkstück τ k σ k Trennung der Wirkpartner Technisch rau Ausgangssituation und Problemstellung Trend nach Ressourcen- und Energieeffizienz erfordert den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen Erhöhte Reibung und erhöhter Verschleiß infolge der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen Gleichzeitig erfordern aktuelle Gesetzgebungen umweltfreundliche Tribosysteme, womit allerdings den erhöhten Prozessanforderungen nicht vollständig nachgekommen werden kann Werkzeugoberfläche Ziehrichtung S90 T S45 S45 Motivation und Zielsetzung der Vorarbeiten Verlagerung der reibungs- und verschleißminimierenden Schmierstoffeigenschaften auf strukturierte Werkzeugoberflächen Strukturierung der Werkzeugoberflächen durch maschinelles Festklopfen zur Ausnutzung fluidmechanischer Eigenschaften und zur Reduktion der wahren Kontaktfläche im Reibkontakt Ausnutzung von Kaltverfestigung und Druckeigenspannungen in der Werkzeugrandzone zur Verbesserung der Tragfähigkeit und Verschleißbeständigkeit der Strukturen Seite 4

3 Reibwert µ [-] Reibwert µ [-] Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten: Experimentelle Reibwertanalyse (a) Strip drawing Streifenziehversuch test Wirkpaarung σ K (F N ) = 7 MPa v = 4 m/min T = 20 C Öl: Geroform 747 Werkstoffe Blech: Niederhalter: Achsen Blech F R F N v Niederhalter Stempel F N F R Reibwertanalyse (13 g/m²) 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01-58% 0 Ref. S90 T S45 Reibwertanalyse (4 g/m²) 0,05-57 % 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Ref. S90 T S45 Versuchsdurchführung & -auswertung Kombinierter Flachbahn-Umlenk-Streifenziehversuch Bestimmung der Reibwerte nach Coulomb Untersuchung der Reibwerte zweier unterschiedlicher Schmierungszustände: vollständige Benetzung (13 g/m²) teilweise Benetzung (4 g/m²) Reibwertermittlung jeweils am linken und rechten Niederhalterpaar Zur statistischen Absicherung wurden die Versuche fünfmal wiederholt. Hieraus ergeben sich 10 Messwerte. Bei sonst konstanten Versuchsbedingungen konnten die Reibwerte ggü. der Ref. um bis zu 58% reduziert werden Legende: σ K = Kontaktnormalspannung [MPa], F N = Normalkraft [N], F R = Reibkraft [N], v = Ziehgeschwindigkeit [m/min], T = Temperatur der Wirkpaarung [ C], µ = Reibwert nach Coulomb [-] Seite 5

4 Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten: Numerische Analyse des Kontakts Numerische Analyse des tribologischen Kontakts Kontaktnormalspannung Hydrostatischer Fluiddruck Einglättung der Struktur z y x Ohne Fluid Mit Fluid Schmierstoff (grau) (Mit Fluid) Festkörper (grau) Ohne Fluid Mit Fluid σ K 3 p fl 130 U 0,5 Ohne Mit Mit Ohne Mit 0 GPa 0 MPa -2 µm Zusammenfassung und verbleibende offene Fragestellungen Die reduzierten Reibwerte festgeklopfter Werkzeugoberflächen im Vergleich zum Referenzsystem können aus physikalischer Sicht wie folgt erklärt werden Der Einfluss tribochemischer Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und modifizierter Werkzeugoberfläche (Benetzung) ist unbekannt - durch eine reduzierte wahre Kontaktfläche - durch einen hydrostatischen Drucken Durch die Vergrößerung der Werkzeugoberfläche besteht die Gefahr einer unzureichenden Benetzung der Oberflächenstrukturen und folglich Verschleiß Legende: σ K = Kontaktnormalspannung [GPa], p FL = Fluidmechanischer Druck [MPa], U = Verschiebung des Werkstoffs [µm] Seite 6

5 Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen 4 Ausblick: Verschleißanalyse festgeklopfter Oberflächen 5 Zusammenfassung Seite 7

6 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Einführung in die Vorarbeiten: Experimentelle Reibwertanalyse Kamera Tropfenkonturanalyse Lichtquelle Tropfenkonturmesssystem der Fa. KRUSS Typ DSA100 Sessile-Drop- (liegend) und Pendant- Drop-Methode (hängend) zur Bestimmung des Kontaktwinkels Charakterisierung der Benetzbarkeit von Oberflächen Motivation und Zielsetzung Die Kenntnis des Einflusses der tribochemischen Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und Oberfläche erlaubt die Optimierung des Benetzungsverhaltens strukturierter Werkzeugoberflächen Eine vollständige Benetzung der Oberflächenstrukturen ist notwendige Voraussetzung zur Bildung einer trennenden Schutzschicht und fluidmechanischer Drücke innerhalb der Schmierstofftaschen Hierdurch kann gezielt auf Reibung und Verschleiß Einfluss genommen werden Das Ziel ist die tribochemische Charakterisierung der geklopften Oberflächenstrukturen und der Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und Oberflächenstruktur anhand des Kontaktwinkels, welcher mithilfe der Tropfenkonturanalyse ermittelt wird Hieraus lassen sich chemische Bindungsarten und -energien bestimmen, welche eine Aussage über die Benetzbarkeit und Wirksamkeit des Schmierstoffs erlauben Seite 8

7 Iterative Vorgehensweise an Niederhalterplatten aus X155CrMoV12 (2.2379) Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Vorgehensweise Stand der Technik Ausgangssituation und Motivation f Analysieren Abstrahieren Analyse MPa, HRC Oberflächenstrukturierung Randschichteigenschaften F R v F N F N Streifenziehversuch F R v, p, σ... Fluidmech. Eigenschaften Reibwertanalyse Hängender Tropfen Liegender Tropfen Wetting Envelope? S FK/FL > 0 Adhäsionsarbeit/Spreitdruck Tropfenkonturanalyse Ausblick und Anwendung Abrasion/ Adhäsion μ Reibwertentwicklung F R F N v F N Streifenziehversuch F R Verschleißanalyse Seite 9

8 Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen 4 Ausblick: Verschleißanalyse festgeklopfter Oberflächen 5 Zusammenfassung Seite 10

9 Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen Grundlagen der Tropfenkonturanalyse Tropfenkonturmesssystem Bestimmung der Oberflächenspannung von Schmierstoffen Die Oberflächenspannung der Schmierstoffe ist ein Maß für den kohäsiven Zusammenhalt des Fluids Eine hohe Kohäsivität verhindert ein Aufreißen des Schmierfilms, wirkt jedoch auch einer guten Benetzung der Werkzeuge entgegen Bestimmung der Oberflächenspannung erfolgt mithilfe des hängenden Tropfens Zur Aufteilung der Oberflächenspannung in dispersive und polare Spannungskomponenten findet die Methode des liegenden Tropfens mit Festkörpern bekannter Eigenschaften (z.b. Teflon) Anwendung Liegender Tropfen Hängender Tropfen Bestimmung der Oberflächenenergie von Festkörpern Die Oberflächenenergie von Festkörpern erfolgt mithilfe der Methode des liegenden Tropfens Hierbei werden Referenzflüssigkeiten, wie Diiodmethan, Ethylenglycol und destilliertes Wasser mit jeweil bekannter Oberflächenspannungskomponenten (dispersiv und polar), verwendet Mithilfe der Methode nach Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK) können die Oberflächenenergien und ihre Komponenten bestimmt werden Seite 11

10 Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen Bestimmung der Oberflächenspannung des Schmierstoffs Oberflächenspannung des Schmierstoffs Mineralölfreies und emulgierbares Tiefziehmittel Geroform 747 der Fa. Henkel Viskosität: 230 mm²/s bei 20 C Dichte: 1,00 g/cm³ bei 20 C Geroform 747 Warum sollte die Oberflächenspannung in polare und dispersive Komponenten aufgeteilt werden? Theorie nach OWRK Entsprechend der Theorie von OWRK können nur Flüssigkeiten und Festkörper mit gleichartigen Energien eine Bindung eingehen Demnach kann eine Oberflächenspannung, die nur aus polaren Anteilen besteht, keine Bindung mit einer Oberflächenenergie mit rein dispersiver Komponente eingehen Betrag der Bindungsenergie Oberflächenspannung: 28,90 mn/m Polarer Anteil: 15,42 mn/m Dispersiver Anteil: 13,38 mn/m Zum Vergleich: Oberflächenspannung von Wasser: 72,75 mn/m T = 20 C; t = 2 s Wasser T = 20 C; t = 2 s Polare und dispersive Bindungen gehören zu den Van-der- Waals-Bindungen Polare Bindungen sind gerichtete Bindungen zwischen zwei permanenten (Keesom-Bindung) oder zwischen permanenten und induzierten (Debye-Bindung) Dipolen Dispersionskräfte (London-Bindung) sind unpolare gerichtete Bindungen zwischen zwei induzierten Dipolen Bei Kenntnis der Bindungsarten kann entsprechend der Theorie nach OWRK eine Abstimmung von Schmierstoff und Festkörper erfolgen Darüber hinaus ist die Bindungsenergie von polaren Bindungen mindestens um den Faktor 2 stärker Legende: T = Prüftemperatur, t = Zeitpunkt der Auswertung Seite 12

11 Oberflächenenergie [mn/m] Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen Bestimmung der Oberflächenenergie der Strukturen Oberflächenenergie der Oberflächenstrukturen Bestimmung der Oberflächenenergie von Festkörpern mithilfe der Methode des liegenden Tropfens unter Verwendung bekannter Referenzflüssigkeiten Nach der Theorie von OWRK können unter Verwendung der Referenzflüssigkeiten Diiodmethan, Ethylenglycol und destilliertes Wasser bekannter polarer und dispersiver Komponenten die Komponenten der Festkörper bestimmt werden Ermittlung des Kontaktwinkels im Drei-Phasen-Punkt , 14.26, 10.46, 9.64, 5.77, 25.21, 29.58, 24.5, 24.96, 27.03, Poliert Ge- T S45 S90 schliffen Diiodmethan Diiodmethan Diiodmethan Drei-Phasen-Punkt γ FL γ FK/FL θ γ FK T = 20 C; t = 4 s T = 20 C; t = 8 s T = 20 C; t = 30 s Legende: FL = Oberflächenspannung der Flüssigkeit, FK = Oberflächenenergie des Festkörpers, FK/FL = Grenzflächenspannung, = Kontaktwinkel nach Young Seite 13

12 Polare Oberflächenenergie des Festkörpers σ s,p [mn/m] Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen Bestimmung der Benetzbarkeit d. geklopften Oberflächenstrukturen Benetzung der Wirkpartner Bei Kenntnis der dispersiven und polaren Anteile können sogenannte Wetting Envelopes erstellt und mit den Komponenten der Schmierstoffe zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens der Wirkpartner kombiniert werden Schmierstoffe, deren dispersive und polare Anteile innerhalb eines betrachteten Wetting Envelopes sind, lassen eine vollständige Benetzung der Oberflächen erwarten Schmierstoffe außerhalb eines Wetting Envelopes sollten vermieden werden Sehr viel besseres Benetzungsverhalten beim Blechwerkstoff Vergleichbares Benetzungsverhalten bei der Referenzoberfläche und den Oberflächenstrukturen Schlechtes Benetzungsverhalten mit polierten Werkzeugoberflächen Unterschiede im Benetzungsverhalten könnten durch die chemischen Adhäsionsarbeit erklärt werden X5CrNiMo18-10 (Glänzend) X5CrNiMo18-10 (Matt) Geroform 747 S45 S90 Geschliffen Poliert Disperse Oberflächenenergie des Festkörpers σ s,d [mn/m] T Seite 14

13 [J/m2] Spreitdruck S FK/FL [mn/m] Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen Bestimmung der Adhäsionsarbeit und des Spreitdrucks Unter Adhäsionsarbeit (W FK/FL ) wird die reversible Oberflächenarbeit (auch differenzielle Grenzflächenarbeit genannt) verstanden, die zum Ablösen der Benetzung vom Untergrund erforderlich ist (Nach Dupré 1869): W FK/FL = σ FL (cos θ + 1) = σ FK + σ FL γ FK/FL Legende: X5CrNiMo18-10 (Glänzend) X5CrNiMo18-10 (Matt) Poliert S45 S90 T Geschliffen Der Spreitdruck ist ein Maß für die Neigung zur vollständigen Benetzung einer flüssigen Phase auf einem Festkörper. Der Spreitdruck S ist die Differenz aus der Adhäsionsarbeit zwischen den Phasen und der Kohäsionsarbeit der flüssigen Phase und sollte S > 0 sein: S FK/FL = W FK/FL W FL > 0 Ausreichendes Benetzungsverhalten für Spreitdrücke innerhalb des Bereichs -5 < S < Adhäsionsarbeit W FK/FL Benetzungsdauer t [s] Benetzungsdauer t [s] Seite 15

14 Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen 4 Ausblick: Verschleißanalyse festgeklopfter Oberflächen 5 Zusammenfassung Seite 16

15 Ausblick: Verschleißanalyse festgeklopfter Oberflächen Sicherstellung einer reproduzierbaren Benetzung Laboranlage Beölungsanlage zur Beölung von Blechen Analyse des Beölungsbildes Geroform 747 (1,5 g/m²) Durchführung einer Verschleißanalyse Achsen Blech v Stempel F R F R Laboranlage LBA 200/ der Fa. Raziol Zur reproduzierbaren Applikation von Schmierstoffen Aufstäuben des Schmierstoffs über beheizbares Düsensystem zur Steuerung der Schmierfilmmenge und -verteilung Geroform 747 (1,5 g/m²) 2 mm 250 µm F N Niederhalter F N Werkstoffe Blech: Niederhalter: S45, S90 Wirkpaarung σ K (F N ) = 7 MPa v = 4 m/min T = 20 C Öl: Geroform 747 Wiederholungen: je 500 Seite 17

16 Impulse Reibwert µ [-] Ausblick: Verschleißanalyse festgeklopfter Oberflächen Aktueller Stand der Verschleißanalyse Entwicklung des Reibwerts als Verschleißindiz Rasterelektronenmikroskopische Analysen 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Ref Hübe H [-] S45: Hub 0 S45: Hub 40 2 mm 2000 Adhäsive Aufschweißung ab 100 Hub Grundmaterial Aufschweißung S90 S45 2 mm 0 Bezeichnung Bezeichnung Veränderung des Reibwerts bis 100 Hübe Rasterelektronenmikroskopische Analyse des adhäsiven und abrasiven Verschleißes nach dem 1., 5., 20., 40., 60., 80. und 100. Hub S45: Hub mm Spot 1 Spot 2 Seite 18

17 Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Tropfenkonturanalyse festgeklopfter Oberflächenstrukturen 4 Ausblick: Verschleißanalyse festgeklopfter Oberflächen 5 Zusammenfassung Seite 19

18 Zusammenfassung Durch Festklopfen hergestellte Oberflächenstrukturen können den Reibwert einer Gleitpaarung um bis zu 58 % reduzieren Die Tropfenkonturanalyse zeigt, dass durch die Oberflächenstrukturierung die Oberflächenenergie erhöht wird, wodurch eine bessere Benetzung zu erwarten ist Die aufbauende Berechnung der Adhäsionsarbeit bestätigt diese Erwartung Die Adhäsionsarbeit zwischen Schmierstoff und Oberflächenstruktur ist unter Verwendung der Oberflächenstruktur S45 am größten Innerhalb von 100 Hüben im Streifenziehversuch wurden bereits leichte adhäsive Verschleißspuren beobachtet Wechselhafte Veränderung des Reibwerts konnte beobachtet werden θ Seite 20

19 Industrie 4.0 Aachener Perspektiven Wir freuen uns darauf, Sie zum 28. Aachener Werkzeugmaschinen Kolloquium vom 22. bis 23. Mai 2014 begrüßen zu dürfen. Weitere Informationen: Seite 21

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Gruppe Umformende Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen ( / * D.Trauth@wzl.rwth-aachen.de Seite 22

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