Beschreibung
P 1365 – Modellierung des Verschleißverhaltens von beschichteten Umformwerkzeugen für die Kaltmassivumformung mittels experimenteller und numerischer Methoden am Beispiel Flachwalzen
Die Warm- und Kaltumformung führt aufgrund thermischer und mechanischer Wechselbeanspruchungen zu hohem Werkzeugverschleiß. Eine Möglichkeit, den Verschleiß zu senken, besteht in der Beschichtung der Umformwerkzeuge. Der Aufwand für die experimentelle Entwicklung von neuen, verschleißschützenden Schichten ist für KMU jedoch immens, da derzeit keine Methodik bekannt ist, mit der die Verschleiß- und Haftfestigkeit von Metallbeschichtungen auf Umformwerkzeugen quantifiziert werden können.
Das Ziel des Forschungsprojektes bestand in der Entwicklung einer experimentellen und numerischen Methodik zur Bewertung von Verschleißschutzschichten auf Umformwerkzeugen unter den spezifischen Prozessrandbedingungen des Kaltwalzens von Stahlband. Dafür wurden Prozessmodelle auf Makro- und Mesoebene zur Berechnung der Lastkollektive aufgebaut und Methoden zur Ermittlung der Haftfestigkeit und der Ermüdung der Schicht auf dem Umformwerkzeug entwickelt. Als Walzenbeschichtungen wurden das häufig eingesetzte Hartchrom mit Schichtdicken von 20 µm und 50 µm und das möglicherweise ebenfalls nutzbare Chemisch-Nickel mit einer Schichtdicke von 20 µm ausgewählt.
Die Haftscherfestigkeit der Chemisch-Nickel-Schicht wurde erstmals mit einem neu entwickelten Mikrohaftschertest durch Abscheren von abgeschiedenen ChemischNickel-Mikrostrukturen mit einem Nanoindeter zu 315 MPa bestimmt. Der Einfluss einer zyklischen Belastung auf das Schichtversagen wurde ebenfalls mit dem Nanoindenter untersucht. Ein signifikanter Einfluss einer zyklischen Belastung in Normalenrichtung ist nicht erkennbar. Das Risiko einer Delamination der Ni-Beschichtung nimmt jedoch mit der Anzahl an lateralen Belastungszyklen deutlich zu. Da die Haftfestigkeit der CrBeschichtung experimentell nicht bestimmt werden konnte, wurde für die Simulation auf Haftfestigkeitswerte aus der Literatur zurückgegriffen.
Der zweigerüstige industrielle Kaltwalzprozess wurde mit dem Makro-FE-Modell nachgebildet. Die im Betrieb ermittelte Walzkraft konnte mit dem Makromodell präzise reproduziert werden. Auf Grundlage einer Parameterstudie mit dem Mesomodell kann das Delaminationsrisiko unter den berechneten Belastungen im Walzspalt für die Nickelschicht als relativ hoch und das der Chromschicht als gering bewertet werden. Weiterhin wurde mittels Simulation ein semi-empirisches Verschleißmodell für die NiBeschichtung erstellt. Diesem Modell zufolge sollte die Delamination nach 165.000 Arbeitszyklen auftreten. Für die Validierung der Methode wurde ein 3-Rollen-Verschleißprüfstand aufgebaut und unter Belastungen betrieben, die denen im Kaltwalzprozess möglichst ähnlich sind.
Eine Delamination der Chemisch Nickel- oder der Chromschichten von den Arbeitsrollen konnte selbst nach einer hohen Anzahl von 500.000 Lastwechseln nicht nachgewiesen werden. Im Fall der 20 µm und 50 µm-Chromschicht steht dies in Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Die Simulationsergebnisse, die eine Delamination der Nickelschicht nach ca. 165.000 Belastungen vorhersagen, können allerdings experimentell nicht bestätigt werden. Ein Grund hierfür könnte sein, dass die Zug- und Scherhaftfestigkeiten als Eingangsparameter für die Simulation experimentell noch nicht genau genug bestimmt werden konnten.
Veröffentlichung:
Juni 2022
Autoren:
Dr. A. Bán, A. Tacke, Z. Liu, A. Quadfasel, Prof. Dr.-Ing. G. Hirt
