Strukturchrombeschichtung von Dressierwalzen zur Herstellung texturierter Aluminiumfeinbleche

Bei Oberflächenstrukturen von Feinblechen ist eine tribologische Optimierung von großer Bedeutung. Insbesondere beim Einsatz von Aluminiumlegierungen haben die verwendeten Oberflächenstrukturen einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der hergestellten Blechformteile. Durch geeignete Beschichtungsparameter bei der Strukturbeschichtung von Dressierwalzen können die tribologischen Eigenschaften der Blechoberfläche wesentlich verbessert werden.

Bei den im Rahmen dieser Untersuchungen verwendeten Walzen wurden bei der Winterthurer Metallveredelung die Walzenpaare mit verschiedenen Strukturchrom-Topographien erzeugt und auf das Aluminiumblech AA 5182 (Grundoberfläche Mill-Finish)

mit den Abwalzgraden 2% und 4% (Walzenpaar Nr.1) und
mit den Abwalzgraden 2%, 6% und 10% (Walzenpaar Nr. 2 bis Nr.7)

übertragen.

Zur Ermittlung des Reibungsverhaltens der mit Topocrom strukturierten Bleche wurden Streifenziehversuche mit dem Werkzeugwerkstoff GGG 70L und den Schmierstoffen M100, KTLN1, KTLN16 sowie den Trockenschmierstoffen C2 und E1 (alle Zeller+Gmelin) durchgeführt. Die 3D-Kenngrössen der Oberflächentopographie der Walzenpaare und der strukturierten Blechoberflächen wurden erfaßt und miteinander verglichen.

Die mit Topocrom strukturierten Bleche zeigen für alle sieben Walzenpaare bei Flächenpressungen bis 50 N/mm² noch kein Auftreten von Adhäsionserscheinungen. Die ermittelten Reibungszahlen ergaben in Abhängigkeit des Abwalzgrades

Walzenpaar Nr.1 (Pc=131 cm-1, Ra =2,56 µm) und
Walzenpaar Nr.5 (Pc=138 cm-1, Ra =2,2 µm) haben
die niedrigsten Werte 0,08 - 0,12.
Walzenpaar Nr.4 (Pc=70 cm-1, Ra =9,07 µm) und
Walzenpaar Nr.6 (Pc=81 cm-1, Ra =5,64 µm) ergaben
die höchsten Werte 0,15 - 0,16.

Die niedrigsten Reibungskräfte wurden mit dem 2g/m² Trockenschmierstoff E1 erreicht.

Es wurde festgestellt, dass mit zunehmenden Abwalzgraden bei der Blechtexturierung die Reibungszahlen bei allen Walzenpaaren ansteigen.

Die Streifenziehversuche ergaben weiterhin, dass die mit Topocrom texturierten Oberflächen das stark anisotrope Reibungsverhalten der Mill-Finish Grundoberfläche wesentlich reduzieren können. Je größer die Spitzenzahl und je niedriger die Ra -Werte der Walzenpaare, desto weniger richtungsabhängig war das Reibungsverhalten.

Reibungsanisotropie-Effekte für die Walzenpaare Nr.1, Nr.5 und Nr.7 konnten beim Streifenziehversuch nicht festgestellt werden.

Die Untersuchungen zur Auswirkung der tribologisch optimierten Topocrom-texturierten Oberflächen auf den Ziehprozess zeigen, dass die Reißergrenze und somit das Grenzziehverhältnis im Vergleich zur Mill-Finish Oberfläche wesentlich zu größeren Werten hin verschoben werden können.

Weiterhin wurde mit dem Programm „Origin v.6.10“ eine Schnittstelle 1000 µm x 1000 µm (372.666 Punkte) sowie das Geometriemodell (Programm ANSYS) zwischen dem Oberflächenmessgerät „Topmess-3D“ und dem FEM-Programm „DEFORM“ entwickelt. Damit ist es möglich, das Einglättungsverhalten der topocrom-stukturierten Blechoberflächen mit der Finiten Elemente-Methode zu simulieren. Es wurden FE-Simulationen der Einglättung unter rein statischer (vertikale Belastung) und translatorisch bewegter (horizontale Werkzeugbewegung) Belastung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen zeigen dabei trotz der Übertragung von makroskopischen Kennwerten auf die Mikrostruktur eine gute Übereinstimmung mit der experimentell ermittelten Einglättung.

Es zeigte sich, dass die Einglättung sowohl durch ein Eindrücken der Rauheitsgipfel als auch in geringerem Maße durch ein Anheben der Täler erfolgt. Es fällt jedoch auf, dass bei Translation mehr Bereiche eingeglättet werden und die Oberflächenstruktur höheren Belastungen unterliegt. Die Erhebungen verformen sich plastisch bei der dynamischen Einglättung und bedecken teilweise feingliedrige Oberflächenstellen mit Schmierstofftaschen sowie abgeschlossenen Leeranteilen. Diese bei der FEM-Simulation ermittelten Effekte stimmen sehr gut mit realen Oberflächen nach dem Streifenziehen überein. Hierbei kann man teilweise noch verdeckte halbkugelnde Vertiefungen deutlich erkennen.

Relevant für den Einsatz von mit Topocrom-Walzen hergestellten Aluminiumblechen ist:

keine Richtungsabhängigkeit der Reibungseigenschaft
Reibungsverhalten besser als EDT-Oberfläche, dadurch auch Vergrößerung des Arbeitsbereiches der Niederhalterkraft
hohe Konstanz der Oberflächenparameter durch geringen Walzenverschleiß