Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung des Verschleißverhaltens von beschichteten Umformwerkzeugen für die Kaltmassivumformung mittels experimenteller und numerischer Methoden am Beispiel Flachwalzen

 

Das Projektziel besteht in der Entwicklung einer Methodik zur Bewertung von geeigneten Verschleißschutzschichten für Umformwerkzeuge unter den spezifischen Prozessparametern der Kalt-Umformung am Beispiel Flachwalzen von Stahlband. Die Methodik basiert auf versuchstechnisch ermittelten Kennwerten, welche zur Parametrierung von numerischen Simulationsmodellen zur Bestimmung der Schichthaftfestigkeit und der Schichtlebensdauer verwendet werden. Die Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf eine Vielfalt roll-, wälz-, und gleit-beanspruchter Bauteile macht das Projekt für KMUs (nicht nur aus dem Fachbereich Umformtechnik) besonders interessant. Zur Ermittlung der Simulationsmodell-Randbedingungen sind zahlreiche Tests und Prüfungen erforderlich. Die Bestimmung der Schichthaftfestigkeiten ist dabei eine besondere Herausforderung mit Innovationspotential. Die (umform-)prozess-beeinflussenden Parameter werden durch Makro-FEM Modelle ermittelt. Das Ergebnis dieser Simulationen sind Spannungs- und Deformationszustände der Umformwerkzeugstruktur in Abhängigkeit vom Umformprozess (Geometrien, Material, Kräfte, Reibung, Geschwindigkeit, Flächenpressung). Die darauf basierenden Meso-FEM-Modelle simulieren das Delaminationsverhalten der Beschichtung in Abhängigkeit vom Prozess und der Beschichtungsoberflächen. Zur Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit der Beschichtung wird ein semi-empirisches Verschleißmodell entwickelt. Die Modellverifizierungen werden mittels eines 3-Rollen-Verschleißprüfstandes durchgeführt. Mit dem beschriebenen Modellen ist es möglich, eine gezielte Auswahl einer Verschleißschutzschicht für ein Umformwerkzeug, ohne aufwändige Feldversuche, vorzunehmen. Eine damit einhergehende Verbesserung des Verschleißschutzes erhöht die Werkzeugstandzeiten und senkt die Produktionsstillstände.

Gelingt die Entwicklung eines prognosefähigen Verschleißmodelles, können aufwendige Feldversuche vermieden, Werkzeugstandzeiten erhöht und Produktionsstillstände vermindert werden. Dieses kommt insbesondere den KMU in der umformtechnischen Prozesskette zu Gute. Der Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft enthält konkret beschriebene Maßnahmen, die einen schnellen Transfer in die Wirtschaft ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Für die Bewertung von Verschleißschutzschichten auf Umformwerkzeugen unter den spezifischen Bedingungen des Kaltwalzens von Stahlband wurde im Rahmen des Projektes experimentelle und numerische Methodik entwickelt. Am Beispiel eines Kaltwalzprozesses wurden dafür Prozessmodelle auf Makro- und Mesoebene zur Berechnung der Lastkollektive aufgebaut und Methoden zur Ermittlung der Haftfestigkeit und der Ermüdung der Schicht auf dem Umformwerkzeug erarbeitet. Als Walzenbeschichtungen wurde Hartchrom und Chemisch-Nickel ausgewählt.

Die Haftscherfestigkeit der Nickelschicht wurde erstmals mit dem neu entwickelten Mikrohaftschertest durch Abscheren von abgeschiedenen Nickel-Mikrostrukturen mit einem Nanoindeter zu 315 MPa bestimmt. Der Einfluss zyklischer Belastungen auf das Schichtversagen wurde ebenfalls mit einem Nanoindenter untersucht.

Auf Grundlage einer Parameterstudie auf der Mesoebene konnte 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 Nickelbeschichtung erstellt, demzufolge eine Delamination nach 165.000 Arbeitszyklen auftreten sollte.

Für die Validierung der Methode wurde ein 3-Rollen-Verschleißprüfstand aufgebaut und unter mit dem Kaltwalzen vergleichbaren Belastungen betrieben. Eine Delamination der Nickel- oder Chromschicht konnte selbst nach einer hohen Anzahl von 500.000 Lastwechseln nicht nachgewiesen werden. Im Fall der 20 µm- und 50 µm-Chrom-

schicht steht dies in Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen. Die Simulationsergebnisse, die eine Delamination der Nickelschicht nach ca. 165.000 Belastungen vorhersagen, konnten allerdings experimentell nicht bestätigt werden. Eine wahrscheinliche Ursache hierfür ist, dass die experimentelle Ermittlung von Zug- und Scherhaftfestigkeiten grundsätzlich schwierig und fehlerbehaftet ist.