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EFB-Forschungsbericht Nr. 040

Eigenschaften und Umformverhalten metallisch oberflächenveredelter Feinbleche beim Tiefziehen

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege, Dipl.-Ing. Ulrich Hesberg, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover

117 Seiten (Sw 60 Abb., 2 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-110-9

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,30

Schlagwörter: Schmierstoff

Zusammenfassung

Die Bedeutung und der Einsatz oberflächenveredelter Feinbleche in den verschiedenen Anwendungsbereichen nimmt vor allem im Hinblick auf die Notwendigkeit der Verbesserung des Korrosionsschutzes im Zuge des fortschreitenden Leichtbaues, hauptsächlich in der Automobilindustrie, stetig zu. Dabei stehen sowohl die funktionellen Eigenschaften des Stahles als Trägerwerkstoff als auch die Eigenschaften der Beschichtungswerkstoffe mit ihren ganz speziellen Problemen im Vordergrund.

Zink ist für Stahl ein guter Korrosionsschutz aufgrund der kathodischen Oberfläche und an Schutzwirkung an Verletzungen den Schnittkanten. Zink zeigt günstiges elektrochemisches Abscheideverhalten der ein aus verschiedenen wässrigen Lösungen, was für eine elektrolytische Oberflächenveredeleunq vorteilhaft ist.

Gleichzeitig eignet sich Zink aufgrund des geringen Schmelzpunktes aber auch hervorragend für eine Schmelztauchveredelung. Zink ist deshalb heute der wesentliche Überzugswerkstoff für Stahlfeinblech, wenn es um Korrosionsschutz geht.

Es reicht jedoch nicht aus, nur das Korrosionsverhalten der Überzüge zu betrachten. Vielmehr muß neben den Forderungen an das Gebrauchsverhalten auch der Verarbeitbarkeit Rechnung getragen werden. Dazu gehört neben der Herstellung der Beschichtung und der weiteren Verarbeitbarkeit wie z. B. dem Schweißen, hauptsächlich das Kaltumformverfahren. Die im Rahmen dieser Untersuchung durchgeführten Versuche beschäftigen sich hauptsächlich mit den das Umformverhalten oberflächenveredelter Feinbleche beeinflussenden Parametern.

Bei der Umformung derartiger Werkstoffe treten im Vergleich zur Formgebung unbeschichteter Bleche zusätzliche Probleme auf bzw. es treten andere Parameter in den Vordergrund. So gewinnt durch eine Oberflächenveredelung die Reibung zusätzlich an Bedeutung. Darüber hinaus treten Probleme mit Abrieberscheinungen auf, die an fertigen Teilen zu Ausschuß führen.
Zur Untersuchung des Umformverhaltens oberflächenveredelter Feinbleche wurde zunächst der Kenntnisstand über die Umformung unbeschichteten Bleches dargestellt.
Hierbei steht das Tiefziehen im Vordergrund.

Dabei wurde besonderer Wert auf die Reibungsverhältnisse gelegt, da diese von einer Oberflächenveredelung am stärksten betroffen sind. Neben einer Darstellung der verschiedenen Reibungstheorien wurden auch einige Meßmethoden zur Ermittlung der Reibzahlen ausführlich dargestellt. Es kristallisierte sich der Streifenziehversuch nach Witthüser als der am besten geeignete Modellversuch zur Beschreibung der Reibungsverhältnisse sowohl im Flansch als auch an der Ziehkante heraus.

Mit diesem Versuch konnte gezeigt werden, daß allein die Betrachtung des Überzugsmetalls zur Beurteilung der Reibungsverhältnisse nicht ausreicht.
Vielmehr muß das gesamte tribologische System aus Werkzeug, Schmierstoff, Blech und Versuchsparametern betrachtet werden.

Auf die eingehende Untersuchung der Wirkung verschiedener Schmierstoffe wurde verzichtet, da sowohl die Vielfalt an verschiedenen Schmierstoffen den Rahmen dieser Arbeit gesprengt hätte, als auch die geringe Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung dieser Schmierstoffe die Ergebnisse unbrauchbar gemacht hätte.

Lediglich ein unlegiertes Mineralöl wurde zum Vergleich herangezogen /32/. Für den metallischen Kontakt von Blech und Werkzeug, das heißt ohne Einwirkung von Schmierstoffen, wurden die Reibzahlen ermittelt. Dabei ließen sich günstige und ungünstige Werkstoffpaarungen unterscheiden.
Ein großes Problem bei der Serienfertigung von Karosserieteilen aus oberlächenveredeleten Feinblechen ist der Abrieb. Setzen sich z. B. abgeriebene Zinkpartikel auf dem Ziehteil ab, entsteht ein Oberflächenfehler, der spätestens bei der Lackierung zu Ausschuß führt.

Setzen sich die Partikel auf das Werkzeug, entstehen bei allen Folgeteilen Riefen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit versucht, die zu Abrieb führenden Verhältnisse genauer zu untersuchen.
Mit Hilfe des Streifenziehversuches und anhand von Ziehversuchen rotationssymmetrischer Teile konnte gezeigt werden, daß die Abriebgefahr einer Oberflächenschicht von der Fließgrenze des Beschichtungswerkstoffes abhängt. Wurde diese beim Ziehvorgang erreicht bzw. überschritten, zeigte sich teilweise ein sehr starker Abrieb. Blieben die Normalspannungen unterhalb der Fließgrenze, trat kein Abrieb auf.

Zusammen mit den Untersuchungen des mechanischen Festigkeitsverhaltens und der Analyse des Formänderungsvermögens der untersuchten Werkstoffe läßt sich Folgendes zusammenfassen:
Das mechanische Verhalten und die auftretenden Formänderungen oberflächenveredelter Feinbleche werden hauptsächlich vom Trägerwerkstoff bestimmt. Die auftretenden Formänderungen werden dabei nur durch die Reibungsverhältnisse geringfügig beeinflußt. Sie werden vorwiegend vom Überzugswerkstoff, aber auch vom Werkstoff des Reibungspartners beeinflußt. Hier kann durch richtige Werkstoffauswahl eine günstige Kombination gefunden werden. Schmierstoffe verringern die auftretenden Reibzahlen.

Für das Versagen der Oberflächenschichten durch Abrieb konnte die Versagensgrenze ermittelt werden. Die Fließgrenze des Beschichtungswerkstoffes sollte durch die auftretenden Normalspannungen, d.h. durch die Flächenpressung im Flansch und an der Ziehkante, nicht überschritten, möglichst sogar nicht erreicht werden.

Diese neu gewonnen Erkenntnisse können in die bisher bekannten und angewendeten Ansätze zur Bestimmung der Versagensgrenze beim Tiefziehen integriert werden und leisten so einen Beitrag zur Verkürzung der Auslegungs- und Vorbereitungsphase bei der Herstellung von Tiefziehteilen.

Das Forschungsvorhaben „Eigenschaften und Umformverhalten metallisch oberflächenveredelter Feinbleche beim Tiefziehen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 7316 von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 40 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

I Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Problemstellung
3 Stand der bisherigen Kenntnisse
3.1 Herstellverfahren oberflächenveredelter Feinbleche
3.1.1 Feuerverzinktes Feinblech
3.1.2 Elektrolytisch verzinktes Feinblech
3.1.3 Sonderformen der Beschichtung
3.1.4 Eigenschaften der Beschichtung
3.1.1.1 Korrosionsschutz
3.1.1.2 Weitere Verarbeitung
3.2 Einflußgrößen auf das Ziehergebnis
3.3 Berechnungsmöglichkeiten des Ziehvorganges
3.4 Reibung
3.4.1 Reibungstheorien
3.4.1.1 Festkörperreibung
3.4.1.2 Hydrodynamische Reibung
3.4.1.3 Grenz- und Mischreibung
3.4.2 Reibungsverhältnisse in der Kaltumformung
3.4.2.1 Reibungszonen beim Streck- und Tiefziehen
3.4.2.2 Bedeutung der Reibung für die Umformverfahren
3.4.3 Meßverfahren
3.4.4 Einflußfaktoren auf die Reibungsverhältnisse
3.4.4.1 Relativgeschwindigkeit
3.4.4.2 Flächenpressung
3.4.4.3 Schmierung
4 Auswahl der Versuchswerkstoffe
5 Durchführung und Ergebnisse der Untersuchungen
5.1 Allgemeine Grundkennwerte
5.2 Untersuchung der Reibungsverhältnisse
5.2.1 Versuchsdurchführung
5.2.1.1 Werkzeugwerkstoffe
5.2.1.2 Schmierstoff
5.2.1.3 Flächenpressung und Ziehgeschwindigkeit
5.2.2 Ergebnisse der Untersuchungen
5.3 Untersuchung des Formänderungsverhaltens
5.3.1 Grenzformänderungsanalyse
5.3.2 Formänderung beim Tiefziehen
5.4 Untersuchung des Abriebverhaltens
5.4.1 Oberflächenveränderung
5.4.1.1 Ergebnisse der Streifenziehversuche
5.4.2 Schichtdickenverlauf
5.4.2.1 Ergebnisse der Ziehversuche
6 Zusammenfassung
Anhang
Bilder
Tabellen
Schrifttum