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EFB-Forschungsbericht Nr. 372

Unterdrückung der verformungsinduzierten Martensitbildung zur Vermeidung von Nachbehandlungsschritten für den Scherschneidprozess

efb372

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Levent Altan, Dipl.-Ing. Christoph Michael Gaebel, M. Sc. Ilya Peshekhodov, Dipl.-Ing. Thomas Pielka, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover

116 Seiten (sw, 73 Abb., 16 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-414-8

Preis (Digital) EUR 48,11

Preis (Print) EUR 60,00

Zusammenfassung

In der Blechverarbeitung gehört das Scherschneiden zu den meist angewendeten Prozessen. Eine typische Anwendung ist das Ausstanzen von Konturen aus Stahlblech-Coils. Diese Zuschnitte werden anschließend in ein- oder mehrstufigen Umformprozessen weiterverarbeitet, um so die gewünschten Teile herzustellen.

Wie auch andere Umformoperationen erfordern Scherschneidoperationen an metastabilen austenitischen Edelstählen eine Nachbearbeitung der Schnittkanten aufgrund der verformungsinduzierten Martensitbildung (Bildung von α’-Martensit). Diese über die Umformung induzierte Phasenumwandlung erhöht die generell auftretende Kaltverfestigung an den geschnittenen Bereichen, wodurch die Kantenduktilität der Platinen für die nachfolgende Verarbeitung vermutlich negativ beeinflusst wird. Um im Scherschneidprozess hergestellte Platinen in weiterführenden Umformoperationen verarbeiten zu können, müssen die Schnittkanten oft durch ein Zwischenglühen nachbehandelt werden.

Das mit diesem Forschungsvorhaben verfolgte Ziel war die Untersuchung des negativen Einflusses verformungsinduzierter Martensitbildung während des Scherschneidens metastabiler austenitischer Edelstähle auf die Kantenumformbarkeit. Weiterhin wurde die Unterdrückung der verformungsinduzierten Bildung von a’-Martensit angestrebt, um so die Notwendigkeit weiterer Nachbehandlungsschritte zu vermeiden.

Hierzu erfolgte eine Auswahl von drei metastabilen austenitischen Edelstählen, welche sich in ihrer Austenitstabilität unterscheiden. Diese wurden in einem separaten Ofen aufgeheizt und bei verschiedenen Temperaturen geschnitten. Die Abkühlung, welche von der Entnahme aus dem Ofen bis zum Scherschnitt erfolgt, wurde vorher ermittelt und entsprechend kompensiert. Der Einfluss der Temperatur beim Scherschneiden auf die Martensitbildung an den Schnittkanten wurde mittels metallographischer Schliffbilder und FE-Simulationen des Prozesses festgestellt.

Zur Untersuchung der Schnittkantenumformbarkeit wurden Lochaufweitungstests in Anlehnung an den Marciniak-Test durchgeführt. Neben dem Lochaufweitungsverhältnis nach ISO 16630 kam eine Online-Messung zur Bestimmung des Lochaufweitungsverhältnisses kurz vor einer Rissbildung zur Anwendung. Somit konnte ein Bedienereinfluss minimiert werden. Ein  Zusammenhang zwischen einer hohen maximalen Formänderung im Bereich der Schnittkante und einer hohen Schnittkantenqualität konnte in einer Vergleichsstudie verifiziert werden.

Die Tests haben gezeigt, dass es während der Lochaufweitung zu einer signifikanten Martensitbildung kommt. Unterschiedliche anfängliche Martensitkonzentrationen im Kantenbereich haben keinen nachweisbaren Einfluss auf die Kantenduktilität.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Unterdrückung der verformungsinduzierten Martensitbildung zur Vermeidung von Nachbehandlungsschritten für den Scherschneidprozess“ wurde unter der Fördernummer AiF 16449N1 von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 372 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Shear cutting is one of the most frequently used processes in sheet metal processing. A typical application is to cut contoured blanks out of sheet metal coils. The blanks are then processed in single-stage or multi-stage forming operations to obtain the desired parts. Similar to other forming operations, shear cutting of metastable austenitic stainless steels causes strain induced formation of a'-martensite which is believed to negatively affect the formability of the cut areas. This might be a problem for subsequent forming operations. Heat treatments such as intermediate annealing become necessary to solve this problem.

The objective of the research was to investigate the negative effects of strain induced martensite formation during shear cutting of metastable austenitic stainless steels on the formability of the cut edges. Furthermore, suppression of the strain induced formation of a' martensite was pursued to make subsequent heat treatments redundant.

Therefore, three metastable austenitic stainless steels featuring different austenite stabilities were used. In order to ensure a variation of the intensity of the martensitic transformation at the cut edges, different blank temperatures were employed in a shear cutting process. For that, the specimens were heated in an oven and cut at different temperatures. The influence of the cutting temperature on the martensitic transformation at the cutting edge was determined by a microstructure analysis.

To analyse the formability of the cutting edges, a hole expansion test was used whose set-up is adopted from the Marciniak test. In addition to the hole expansion ratio according to ISO 16630, an online analysis method was used to determine the strains near the cut edge just before the crack formation. In a comparative study a relation between the highest major strains near the cutting edge and a high cutting edge quality was determined.

However, the experiments have shown that during the expansion of the holes a significant martensite transformation occurs. Differences of the martensite concentration at the beginning have no appreciable effect on the formability. The influences of different cutting processes on the formability were verified by the used analyse method.
The objective of the research was achieved.

Inhaltsverzeichnis

1    Abbildungsverzeichnis
2    Tabellenverzeichnis
3    Formelzeichen und Abkürzungen
4    Zusammenfassung
5    Stand der Technik
5.1    Scherschneiden
5.1.1    Einordnung des Scherschneidverfahrens
5.1.2    Unterteilung der Scherschneidverfahren
5.1.3    Beschreibung des Scherschneidvorgangs
5.1.4    Schnittfläche
5.2    Umformeigenschaften von metastabilen austenitischen Edelstählen
5.2.1    Mechanismen plastischer Deformation
5.2.2    Martensitische Phasenumwandlung
5.2.3    Einfluss von Umformtemperatur und Legierungszusammensetzung
5.2.4    Beeinträchtigung der Schneidkantenduktilität
5.3    Abbildung der verformungsinduzierten Martensitbildung in der numerischen Simulation
6    Zielsetzung und Vorgehensweise
7    Charakterisierung der Versuchswerkstoffe
7.1    Flachzugversuche
7.2    Grenzformänderungskurven
8    Konstruktion und Fertigung eines Versuchswerkzeuges
9    Schneiduntersuchungen
10    Ermittlung der Schnittflächenqualität
11    Ermittlung der martensitischen Phasenumwandlung infolge des Scherschneidprozesses
11.1    Untersuchung der Werkstoffverfestigung nahe der Schnittkante mittels Härteprüfung
11.2    Untersuchung der Gefügezusammensetzung anhand metallographischer Schliffbilder
12    Abbildung der Martensitevolution beim Scherschneidprozess
12.1    Geometrie und FE-Netz
12.2    Materialmodellierung
12.3    Kontaktdefinition
12.4    Randbedingungen
12.5    Ergebnisse und Diskussion
13    Analyse der Kantenduktilität mittels Lochaufweitungstests
13.1    Bestimmung der Lochaufweitungsverhältnisse
13.2    Formänderungsanalyse während der Lochaufweitungstests
13.3    Martensitbildung infolge der Lochaufweitungstests
14    Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse
15    Literaturverzeichnis
16    Anhang