Verschleißanalyse festgeklopfter Werkzeugoberflächen bei der folienfreien Umformung von Edelstahlblechen

S45: Hub 100 Verschleißanalyse festgeklopfter Werkzeugoberflächen bei der folienfreien Umformung von Edelstahlblechen 2 mm GfT - Tribologie Fachtagung 2014 Fritz Klocke, Daniel Trauth, Andreas Feuerhack, Patrick Mattfeld 50 µm Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Göttingen, 24.09.2014

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 Oberflächenhämmern 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 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 Achsen Blech F N Werkstoffe Blech: 1.4301 (V2A) Niederhalter: 1.2379 (D2) v Niederhalter Stempel F N 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], = Reibkraft [N], v = Ziehgeschwindigkeit [m/min], T = Temperatur der Wirkpaarung [ C], µ = Reibwert nach Coulomb [-] Quelle: F. Klocke, D. Trauth, F. Schongen, A. Shirobokov: Analysis of friction between stainless steel sheets and machine hammer peened structured tool surfaces: experimental and numerical investigation of the lubricated interaction gap. Production Engineering, June 2014, Volume 8, Issue 3, pp 263-272 Seite 4

Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten: Numerische Analyse des Kontakts Numerische Analyse des tribologischen Kontakts z y x Kontaktnormalspannung Ohne Fluid Mit Fluid Schmierstoff (grau) Hydrostatischer Fluiddruck (Mit Fluid) Festkörper (grau) Einglättung der Struktur 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 gehämmerter Werkzeugoberflächen im Vergleich zum Referenzsystem können zwischen Schmierstoff und modifizierter Werkzeug- Der Einfluss tribochemischer Wechselwirkungen aus physikalischer Sicht wie folgt erklärt werden oberfläche (Benetzung) ist unbekannt - durch eine reduzierte wahre Kontaktfläche - durch einen hydrostatischen Druck 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] Quelle: F. Klocke, D. Trauth, F. Schongen, A. Shirobokov: Analysis of friction between stainless steel sheets and machine hammer peened structured tool surfaces: experimental and numerical investigation of the lubricated interaction gap. Production Engineering, June 2014, Volume 8, Issue 3, pp 263-272 Seite 5

Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten: 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 6

Polare Oberflächenenergie des Festkörpers σ s,p [mn/m] Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten: Bestimmung der Benetzbarkeit Benetzung der Wirkpartner Bei Kenntnis der dispersiven und polaren Spannungsanteile können 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 physikalisch-chemischen Adhäsionsarbeit erklärt werden 40 35 30 25 20 15 10 5 X5CrNiMo18-10 (Glänzend) X5CrNiMo18-10 (Matt) Geroform 747 S45 S90 Geschliffen Poliert 5 10 15 20 25 30 35 40 Disperse Oberflächenenergie des Festkörpers σ s,d [mn/m] T Quelle: F. Klocke, D. Trauth, M. Terhorst, P. Mattfeld: Friction analysis of alternative tribosystems for a foil free forming of stainless steel using strip drawing test: analysis of physicochemical interactions between coatings and lubricants. Production Engineering, June 2014, Online first. Seite 7

Ausgangssituation und Rückblick Einführung in die Vorarbeiten: Bestimmung der Adhäsionsarbeit 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 [J/m2] Spreitdruck S FK/FL [mn/m] 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 Legende: X5CrNiMo18-10 (Glänzend) X5CrNiMo18-10 (Matt) Adhäsionsarbeit W FK/FL 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 Poliert S45 57 56.5 S90 T Geschliffen 56 59 60 61 0 20 40 60 80 100 Benetzungsdauer t [s] Ausreichendes Benetzungsverhalten für Spreitdrücke innerhalb des Bereichs -5 < S < 0 0-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8-9 -1.6 59 60 61 0 20 40 60 80 100 Benetzungsdauer t [s] Quelle: F. Klocke, D. Trauth, M. Terhorst, P. Mattfeld: Friction analysis of alternative tribosystems for a foil free forming of stainless steel using strip drawing test: analysis of physicochemical interactions between coatings and lubricants. Production Engineering, June 2014, Online first. -1.1 Seite 8

Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen 4 Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen 5 Zusammenfassung Seite 9

Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Motivation und Zielsetzung Streifenziehversuch v Stempel Achsen Blech Motivation Mithilfe der Reibwertanalyse wurde eine um bis zu 58% reduzierte Reibung beobachtet Numerische Analysen des tribologischen Kontakts zeigten ein stark reduzierte wahre Kontaktfläche F N F N Durch die reduzierte wahre Kontaktfläche steigt die Kontaktnormalspannung, wodurch die Verschleißbeständigkeit der Oberflächenstrukturen untersucht werden muss Niederhalter Kombinierter Flachbahn-Umlenk- Streifenziehversuch Bestimmung der Reibwerte nach Coulomb Durchführung von 500 Hübe pro Struktur Physikalisch-chemische Analyse lassen in einem ersten Schritt eine vollständige Benetzung der Werkzeugoberflächen vermuten In einem zweiten Schritt müssen adhäsive und abrasive Verschleißeffekte untersucht werden Zielsetzung Quantifizierung des adhäsiven oder abrasiven Verschleißes der Oberflächenstrukturen unter Durchführung von 500 Hub mittels Streifenziehversuch je Oberflächenstruktur Seite 10

Iterative Vorgehensweise an Niederhalterplatten aus X155CrMoV12 (1.2379) Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise Vorgehensweise Stand der Technik Ausgangssituation und Motivation f Analysieren Abstrahieren Analyse MPa, HRC Oberflächenstrukturierung Randschichteigenschaften v F N F N Streifenziehversuch 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 N v F N Streifenziehversuch Verschleißanalyse Seite 11

Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen 4 Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen 5 Zusammenfassung Seite 12

Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen Sicherstellung einer reproduzierbaren Benetzung Beölungsanlage Analyse des Beölungsbildes Geroform 747 (1,5 g/m²) Durchführung einer Verschleißanalyse Achsen Blech v Stempel Laboranlage LBA 200/ 04-50 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: 1.4301 Niederhalter: S45, S90 Wirkpaarung σ K (F N ) = 7 MPa v = 4 m/min T = 20 C Öl: Geroform 747 Wiederholungen: je 500 Seite 13

Reibwert µ [-] Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen Entwicklung des Reibwertes (a) Beölungsanlage (b) Streifenziehversuch (c) Reibwertentwicklung Ölspeicher Düsen 0,12 Achsen v Stempel 0,05 0,04 Blech 0,03 0,02 F 0,01 R F N F 0 N 1 20 60 100 200 300 400 500 Niederhalter Hubnummer H [-] Steuerung Ref. S90 S45 Standardabweichung Versuchsdurchführung & -auswertung Reproduzierbare Benetzung durch Beölungsanlage Kombinierter Flachbahn-Umlenk-Streifenziehversuch Bestimmung der Reibwerte nach Coulomb Durchführung von 500 Hübe pro Struktur Auswertung von je fünf Reibwerten vor und nach der betrachteten Hubnummer jeweils links und rechts Signifikante Verschlechterung des Reibwerts der polierten (Ref.) Niederhalterpaare ab 100 Hübe Reibwertniveau von S45 und S90 im Bereich der Ausgangsreibwerte. Starke Schwankungen der Reibwerte ab 100 Hübe Schwankungen könnten mit adhäsivem oder abrasivem Verschleiß erklärt werden Seite 14

S90 S45 Röntgenemmision [-] Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen Analyse des Verschleißes (a) REM-Analyse Hub 0 Hub 100 Verschleiß Spot 2 1 mm 1 mm 50 µm Spot 1 (b) EDX-Analyse Spot 1 Spot 2 Grundwerkstoff Aufschmierung = AISI 304 Hub 0 Hub 100 Verschleißfrei 1 mm 1 mm 50 µm Chemisches Element [-] Chemisches Element [-] Versuchsdurchführung & -auswertung REM-Analyse der Oberflächenstrukturen zeigen adhäsive Aufschmierungen bei S45 ab dem 100 Hub und bei S90 ab dem 200 Hub EDX-Analyse des aufgeschmierten Materials ermittelt Elemente wie Nickel und Vanadium, welche nur im Blechwerkstoff vorhanden sind Infolge der stark reduzierten wahren Kontaktfläche steigen die Kontaktnormalspannungen deutlich an Unter Relativbewegung entstehen hierdurch hohe Reibschubspannungen, welche die Fließspannung des weichen Blechwerkstoffs überschreiten und zu Aufschmierungen führen Durch die Verwendung einer Werkzeugbeschichtung könnte die Kontaktmechanik positiv beeinflusst werden Seite 15

Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen 4 Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen 5 Zusammenfassung Seite 16

Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen Analyse der Schichteigenschaften (a) Kalottenschleifen (b) Ritztest (c) Rockwell-Test Ref. S90 S45 0 N Ref. S90 S45 d 1000 µm Lc 1 Lc 2 S45 D 100 N 250 µm S45 250 µm Versuchsdurchführung & -auswertung Maschinelles Oberflächenhämmern hat keinen Einfluss auf die abgeschiedene Schichtdicke h Ebenfalls werden die Schichtfestigkeit (Lc 1 und Lc 2 ) sowie die Schichthaftfestigkeit (Lc 3 ) bis max. 100 N Prüfkraft nicht signifikant beeinflusst Rockwell-Tests zeigen bei 1,5 kn Prüfkraft eine deutliche Verschlechterung der Schichthaftfestigkeit Dies wird durch erhöhte Schubspannungen im Interface infolge des durch die geometrische Oberflächenstruktur erzeugten mehrachsigen Spannungszustandes erklärt Struktur Ref.- SPCS S90- SPCS S45- SPCS Schichtdicke h [µm] Lc 1 [N] Lc 2 [N] Lc 3 [N] HK 1,102 11,5 19,4 54,6 2-3 1,025 10,3 18,8 54,7 4 1,013 9,2 18,2 55,7 4 [-] Seite 17

S90-SPCS Reibwert µ [-] S90 Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen Analyse der Verschleißbeständigkeit beschichteter Strukturen 0,12 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 1 20 60 (a) Reibwertentwicklung 100 200 300 Hubnummer H [-] S90 S90-SPCS S45 S45-SPCS 400 500 Ref. Ref.-SPCS (b) REM-Analyse Hub 0 Hub 100 Hub 200 Verschleiß 1 mm 1 mm 1 mm 50 µm Hub 0 Hub 300 Hub 500 Verschleißfrei 1 mm 1 mm 1 mm 50 µm Versuchsdurchführung & -auswertung Zusätzliche Versuche unter Verwendung einer modifizierten TiCN-Beschichtung der Fa. Eifeler Vacotec Durch die Beschichtung wurde das Verschleißverhalten der Werkzeuge verbessert Der Reibwert der polierten Werkzeuge konnte deutlich verringert werden Der Reibwert der beschichteten Oberflächenstrukturen S45 und S90 variiert in ähnlicher Weise wie der Reibwert der unbeschichteten Strukturen Adhäsive Aufschmierungen wurden bis 500 Hübe nicht beobachtet Seite 18

Gliederung 1 Ausgangssituation und Rückblick 2 Motivation, Zielstellung und Vorgehensweise 3 Verschleißanalyse maschinell gehämmerter Oberflächenstrukturen 4 Bewertung der Schichthaftfestigkeit beschichteter Oberflächenstrukturen 5 Zusammenfassung Seite 20

Zusammenfassung Durch maschinelles Hämmern 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 Adhäsionsarbeit zwischen Schmierstoff und Oberflächenstruktur ist unter Verwendung der Oberflächenstruktur S45 am größten Innerhalb von 500 Hüben im Streifenziehversuch wurden leichte adhäsive Verschleißspuren an unbeschichteten Werkzeugen beobachtet Oberflächenstrukturen haben keinen negativen Einfluss auf die Schichthaftfestigkeit Der adhäsive Verschleiß der Oberflächenstrukturen wurde durch Verwendung einer TiCN-Beschichtung innerhalb von 500 Hübe vermieden θ Seite 21

S45: Hub 100 2 mm Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Daniel Trauth Gruppenleiter Umformende Fertigungsverfahren Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen ( +49 241/ 80 27999 * D.Trauth@wzl.rwth-aachen.de Seite 22