A098

Untersuchung der chargenabhängigen Schwankungen im Umformverhalten von Warmband gleicher Güte

(A098 S 24/24/95)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 1996 – 31. Dezember 1997

Im Zuge der Kostenreduzierung in der blechverarbeitenden Industrie werden kaltgewalzte Feinbleche durch entsprechende Warmbandgüten ersetzt. Diese Entwicklung führt, aufgrund von chargenabhängigen Schwankungen bei Warmband gleicher Güte, zu erhöhten Problemen im Fertigungsprozeß, so daß oft auf den Einsatz des kostengünstigeren Warmbandes verzichtet werden muß.

Im Rahmen des Forschungsprojektes "Untersuchung der chargenabhängigen Schwankungen von Warmband gleicher Güte" sollten am Beispiel der Warmbandgüte StW-24 die Chargenschwankungen und deren Auswirkungen auf das Umformverhalten untersucht werden. Hierzu war es notwendig, im ersten Projektabschnitt die Schwankungen im Bereich der mechanischen, geometrischen als auch tribologischen Eigenschaften zu ermitteln. Aus diesen Untersuchungen sollte eine Klassifizierung von Warmband gleicher Güte abgeleitet werden. Aufbauend auf diese Klassifizierung war dann der Einfluß der Chargenschwankungen auf das Umformverhalten zu ermitteln. Danach sollten Maßnahmen angegeben werden mit dem Ziel, durch optimierte Prozeßbedingungen eine höhere Prozeßsicherheit bei der Verarbeitung von Warmband gleicher Güte zu erreichen. Abschließend wurden die Maßnahmen im Realprozeß verifiziert. Diese Untersuchungen sollen es dem Anwender ermöglichen, anhand des Werkstoffprüfzeugnisses vorab eine Beurteilung über das Umformverhalten der Walzcharge vorzunehmen. Hieraus soll er Maßnahmen ableiten, die einen stabilen Fertigungsprozeß gewährleisten.

Aus den Untersuchungen an 23 unterschiedlichen Walzchargen hat sich im Bezug auf die Chargenschwankung folgendes ergeben: Starke Streuungen wurden vor allem im Bereich der mechanischen Kennwerte, wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaßdehnung und Fließspannung ermittelt. Dabei ergab sich für die Fließspannung eine Chargenschwankung von ca. Dkf=+ 40 N/mm2 und für die Streckgrenze eine Streubreite von ca. 75 N/mm2. Auffallend bei den Untersuchungen war eine Charge, deren Kennwerte deutlich über den zulässigen Werten nach DIN 1614 (Rp0.2 = 434 N/mm2, Rp0.2,zul. = 320 N/mm2) lagen.

Deutliche Schwankungen wurden auch in der Oberflächenfeingestalt und den geometrischen Eigenschaften festgestellt. Die ermittelten Ra-Werte lagen zwischen 1,09 und 3,02 mm. Die Abweichungen der Blechdicke von der Nennblechdicke betrugen + 0,11 mm. Jedoch waren die gemessenen Schwankungen für Warmband aus dem Mittelbandbereich deutlich geringer (+0,06 mm). Bei den Untersuchungen des tribologischen Verhaltens lag die Streuung der Reibzahl m bei 12%. Hierbei war besonders auffallend die gute Korrelation zwischen Reibzahl m und den 2D-Oberflächenkennwerten.

Aus den Untersuchungen über die Chargenschwankung von Warmband gleicher Güte (StW-24) wurde eine Klassifizierung in drei Streckgrenzenbereiche abgeleitet. Ebenso wurde es als sinnvoll angesehen, die 2D-Oberflächenkennwerte in das Werkstoffprüfzeugnis aufzunehmen und diese in zwei Klassen zu unterscheiden.

Die Untersuchung der Auswirkungen der Chargenschwankungen auf das Umformverhalten ergab, daß Chargen aus dem unteren und mittleren Streckgrenzenbereich tendenziell höhere Grenzziehverhältnisse aufweisen als Chargen mit einer höheren Festigkeit. Eben-so wurde ein Einfluß der Oberflächenfeingesalt warmgewalzter Feinbleche auf das Grenzziehverhältnis nachgewiesen.

Als prozeßstabilisierende Maßnahmen wurden außer der Einordnung der mechanischen Kennwerte in Streckgrenzenbereiche, tribologische Maßnahmen vorgeschlagen. Durch geeignete Wahl der Reibbedingungen kann die Schwankung der Reibzahl m bzw. der Oberflächenfeingestalt kompensiert werden. Dies wurde durch eine geeignete Wahl des Schmierstoffes bzw. der Schmierstoffmenge erreicht. Diese Maßnahmen wurden in einen Tiefziehversuch zur Ermittlung des Grenzziehverhältnisses verifiziert: durch die Erhöhung der Schmierstoffmenge oder -viskosität wurde eine Steigerung des Grenzziehverhältnisses erreicht. Bei Chargen mit einem niedrigerem Umformvermögen, d.h. mit einer hohen Streckgrenze bzw. hohen Ra-Wert  führte dies zu einem ausgeglichenen Grenzziehverhältnis. Zu ergänzen ist, daß für ein warmgewalztes Feinblech mit vergleichbaren 2D-Oberflächenkennwerten wie bei Kaltbändern, in einem Referenzversuch (St-14, EDT) deutlich höhere Reibzahlen (ca. +15-20%) ermittelt wurden.

Auf Anregung eines Arbeitskreismitgliedes wurden Werkzeugschichten hinsichtlich ihrer Eignung für die Umformung von warmgewalzten Feinblechen untersucht. Dabei wurden zwei Standardschichten (CrN und TiC/TiN), die sich bei der Verarbeitung von Kaltbänder bewährt haben, in das Versuchsprogramm aufgenommen. Ergänzend wurden zwei Entwicklungsschichten und als Referenz ein unbeschichtetes Werkzeug aus dem Stahl 1.2379 untersucht. Bei den Entwicklungsschichten handelt es sich um eine a:C-H-Schicht und um ein Vollkeramikwerkzeug auf der Basis von Siliziumnitrid mit dem unbeschichteten Werkzeug. Beim Verarbeiten von Warmband gleicher Güte waren Prozeßstörungen durch starke Kaltaufschweißungen aufgetreten.

Durch den Einsatz der Standardschichten konnten die Reibzahlen um ca. 10 - 15 % reduziert werden. Eine weitere Reduzierung wurde durch den Einsatz des Keramikwerkzeuges und der a:C-H-Schicht erreicht. Bei der a:C-H-Schicht kam es in der Verschleißuntersuchung jedoch zu einem frühen Werkzeugverschleiß: Nach ca. 16.000 Hüben wurde ein Abscheren der Hartstoffschicht vom Grundkörper festgestellt. Am unbeschichteten Werkzeug wurden bereits nach 10.000 Hüben starke Verschleißerscheinungen durch Kaltaufschweißungen nachgewiesen. Die Standardschichten und das Keramikwerkzeug wiesen über die gesamte Hubzahl von 50.000 Hübe keinen Verschleiß auf.

Im Realversuch wurden die Erkenntnisse aus den Schichtuntersuchungen an einem Bauteil der Automobilindustrie verifiziert. Hier kam es ebenfalls nach ca. 10.000 Teilen beim unbeschichteten Werkzeug aus 1.2379 zu starken Kaltaufschweißungen. Mit der Standardschicht aus CrN war es problemlos möglich, 300.000 Teile aus warmgewalzten Feinblech der Güte StW-24 zu fertigen. Ebenso kann durch den Einsatz von Hartstoffschichten, bedingt durch die niedrigeren Reibzahlen, eine Vergrößerung des Arbeitsbereichs erreicht werden; d.h. der Bereich zwischen minimaler und maximaler Niederhalterkraft kann vergrößert werden.

Zusammenfassend läßt sich sagen: Durch die Verwendung von Hartstoffschichten bei der Verarbeitung von warmgewalzten Feinblechen gleicher Güte kann eine höhere Prozeßstabilität erreicht werden. Mit einer angepaßten Schmierung läßt sich eine weitere Steigerung der Prozeßstabilität erreichen. Probleme aufgrund von Blechdickenschwankungen lassen sich mit den erwähnten Maßnahmen nicht bekämpfen. Hier ist es empfehlenswert, je nach Anwendungsfall auf warmgewalzte Feinbleche aus dem Mittelbandbereich zurückzugreifen, da diese in der Regel geringere Schwankungen aufweisen.

Forschungsstelle 1:
Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen der TU Darmstadt (PtU)
www.ptu.tu-darmstadt.de

Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. D. Schmoeckel
(vorgelegt vom Wirtschaftverband Stahlumformung e.V. - WSU -, Hagen)

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF