Oberflächenbeschichtung für das schmierstofffreie Tiefziehen hochlegierter rostfreier Stähle

 Antragsteller: Seefeld (Bremen)

Werkstoffe: rostfreie hochlegierte Stahlbleche

Methoden: Tiefziehen

Publikationen
Stand 1. Juni 2020
SPP1676_Publications_Seefeld_Bremen.pdf
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Final Report
Abschlussbericht (in englischer Sprache)
DMFOAJ_6_2020_302-315_Ditsche.pdf
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In der Blechumformung werden heute Schmierstoffe eingesetzt, welche oftmals umweltschädlich sein können und zudem in zusätzlichen Prozessschritten aufgetragen und wieder entfernt werden müssen. In der vorliegenden Arbeit wird das schmierstofffreie Tiefziehen von rostfreien hochlegierten Stahlblechen mithilfe einer Metall-Matrix-Coposite (MMC)-Werkzeugoberfläche erfolgreich angewandt, die sich auszeichnet durch eine Hoch-Tief-Struktur mit einem Plateau aus der Matrix hervortretender Wolfram-Schmelzkarbid (WSC)-Hartstoffteilchen. Um diese partikelverstärkte Oberfläche herzustellen, wurde eine lasergestützte Prozesskette angewendet, bei der im ersten Schritt ein Laserdispergieren von Hartstoffpartikeln in einem Bronzewerkzeug erfolgte. Die Schichtgeometrie und ein Hartstoffgehalt von bis zu 55% können dabei durch die Wahl der Prozessparameter eingestellt werden. Zur weiteren Erhöhung des Traganteils der Oberfläche und damit zur Reduzierung des lokalen Kontaktdrucks im Werkzeugradius wurde ein neuartiger Local Laser Particle Fusion (LLPF)-Prozess eingeführt. Dabei werden WSC-Hartstoffteilchen in einem zweiten Prozessschritt unter weiterer Hartstoffzugabe agglomeriert und zusammengeschmolzen und bilden sogenannte Nuggets in der Werkzeugoberfläche. Deren Zusammensetzung entspricht der von Wolframkarbid und die Härte beträgt bis zu 2500 HV0.5. WSC-Nuggets mir einer Fläche von mehr als 1 mm² können in den hochbeanspruchten Bereichen des Werkzeugs angewendet werden. Eine Mikrostrukturierung der Oberfläche wurde durch eine selective Laserablation realisiert, welche die Matrix starker abträgt als die Hartstoffe, welche somit ein erhabenes Plateau bilden. In Abhängigkeit von den Scanparametern konnte die Matrix sehr kontrolliert um bis zu 25 µm zurückgesetzt werden. Beim trockenen Blechumformen konnte mithilfe dieser Werkzeugoberfläche das Auftreten von Adhäsivverschleiß fast gänzlich unterdrückt werden. Eine Erhöhung des Hartstoffanteils führte zu einer Verringerung der Reibung und der Umformkräfte. Allerdings können die Hartstoffteilchen in die Blechoberfläche eindringen, was zu einer Riefenbildung führt. Diese kann vermieden und die Oberflächengüte der gezogenen Bleche wesentlich verbessert werden, wenn WSC-Nuggets in allen hoch beanspruchten Werkzeugbereichen eingesetzt werden. Dadurch können die lokalen Kontaktdrücke gesenkt und die Umformkräfte sogar unter das Niveau der Referenzwerkzeuge aus unverstärkter Bronze reduziert werden. Somit konnte gezeigt und verstanden werden, wie ein trockenes Tiefziehen mit MMC-Werkzeugoberflächen möglich ist.

English:

Surface coating for the lubricant-free deep drawing of high-alloy stainless steels

Sheet metal forming is today using environmental harmful lubricants which will be applied and removed in additional process steps. In this research non-lubricated deep drawing of high alloy stainless steel sheets was successfully carried out by a metal matrix composite (MMC) tool surface with a high-low surface structure featuring protruding fused tungsten carbide (FTC) particles. To obtain such a hard particle reinforced surface, a process chain was successfully implemented where in a first process step a laser melt injection (LMI) was conducted to reinforce the aluminum bronze tool matrix material by hard particles. The geometry and hard particle content of the LMI tracks can be influenced especially with the process parameters laser power, process velocity and powder feed rate which allows for a hard particle content up to 55 %. To further increase the contacting area and reduce the local contact pressure in the radius area of the tool, a novel local laser particle fusion (LLPF) process is introduced. In LLPF, FTC particles are fused together in a second local LMI step under additional powder supply to produce large FTC nuggets in the tool surface. Characterization of the FTC nuggets shows that the chemical composition is comparable to tungsten carbide with a hardness of up to 2500 HV0.5. LLPF can be applied for regions of higher local contact pressures where one nugget can cover an area of more than 1 mm2. Surface finishing of the MMC tool is realized by laser ablation which was carried out to set back the matrix to obtain a protruding particle surface area. Depending on the scan repetition, a depression of up to 25 µm between the matrix and particle plateau can be adjusted. Dry forming of sheet metals showed that adhesive wear can be prevented by using MMC tools with a high-low structured surface. An increase in the hard particle content leads to a reduction of the friction coefficient and forming force, and to lower local contact pressures. However, in dry forming with MMC tools a penetration of the hard particles into the metal sheet surface may result in scratches and grooves. This can be prevented, and the surface quality of the metal sheets can be significantly improved by reinforcement with FTC nuggets in all high local pressure regions of the tool. Application of FTC nuggets covering the top area, the leading edge area and the radius center area of the drawing die can minimize local pressure and reduce the forming force even below the forming force of the aluminum bronze reference tool. Thus, it was shown that a dry metal forming with MMC tool surfaces is feasible.

BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH

Name: Dr.-Ing. Thomas Seefeld

Position: Projektleitung

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Description: BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH