Tribologische Untersuchung des Abriebverhaltens verzinkter Tiefziehbleche

Die grundlegende Untersuchung des Abriebverhalten verzinkter Bleche und ihre Beschichtungseigenschaften (Reibungs-, Verschleiß- und Abriebuntersuchungen) war Ziel dieses Vorhabens, um das Abriebphänomen beschichteter Feinbleche wissenschaftlich weiter zu durchdringen und das Verständnis der vorliegenden Reib- und Verschleißmechanismen der Zinkbeschichtungen zu erweitern.

Zunächst wurde eine Prüfmethode weiterentwickelt und optimiert, die mit ihrem Prinzip des intermittierenden Dauerhubes im offenen System eine hervorragende Nachbildung der spezifischen Presswerkbedingungen ermöglicht. Insbesondere die aufgrund der Adhäsionsneigungen und Kaltverschweißungen auftretenden Abrieberscheinungen, die eindeutig eine Funktion der Stückzahl darstellen, lassen sich mit den bisherigen Einzelversuchen nur bedingt untersuchen. Dies gibt dem Anwender die Möglichkeit, das Abriebverhalten der in der Produktion eingesetzten beschichteten Feinbleche quantitativ, reproduzierbar und unter möglichst praxisnahen Laborbedingungen zu bewerten.

Parallel dazu wurde eine systematische theoretische Verifizierung der verschiedenen Parameter an einem FE-Ziehsickenmodell durchgeführt. Diese trug zu einem tieferen Verständnis der örtlichen Beanspruchungen bei und half, wichtige Einflussgrößen auf den Prozess zu identifizieren. Als wesentlichste Parameter stellten sich die Blechstärke, der Blechwerkstoff und die Eindringtiefe der Ziehsicke heraus, die das für die An- bzw. Rückbiegung des Bleches erforderliche Biegemoment beeinflussen. Dieses stützt sich am Werkzeug über Kontaktkräfte ab und ruft Kontaktnormalspannungsspitzen an allen Biegestützstellen im Werkzeug hervor.

Die folgende grundlagenorientierte Untersuchung des Abriebs zielte darauf ab, den Einfluss sowohl der verschiedenen Systemparameter (Blechbeschichtung, Blechrauheit, Werkzeugwerkstoff und –beschichtung, Schmierstoff) als auch der technologischen Parameter (Werkzeuggeometrie, Beanspruchung) auf das Abriebverhalten zu identifizieren und quantitativ zu beschreiben. Begleitend zu den Versuchen wurden Oberflächenuntersuchungen durchgeführt: Mikroskopische Untersuchungen und REM-Aufnahmen der Werkzeug- und Blechoberflächen nach den Versuchen ergänzen diese Aussagen.

Als relevante Einflussfaktoren auf den Zinkabrieb konnten vor allem der Werkzeugwerkstoff, sein Oberflächenfinish bis hin zum Tuschieren der Kontaktspannungspeaks, die Beschichtungsart der Bleche sowie die technologischen Prüfbedingungen bis zum Erreichen der übertragbaren Maximalspannungen eines Werkstoffs identifiziert werden. Die getestete CrN-Schicht und das Plasmanitrieren hatten auf den Abrieb einen eher negativen Einfluss aufgrund höherer Rauheitskennwerte, auch der Einfluss des Schmierstoffs war weniger relevant.

Als Erklärung für die hohen Abriebmengen und die häufig auftretenden Aufschweißungen beim GGG 70 L können die durch die Oberflächenbearbeitung freigelegten Poren der Graphiteinschlüsse dienen. Diese füllen sich im Laufe der Tests mit Zinkablagerungen und bei Überschreitung gewisser Grenzwerte bilden sich Aufschweißungen und Flitter. Hier kommt es im Bereich der durch die FEM-Berechnungen aufgezeigten Kontaktspannungsspitzen offenbar zu einer Überlagerung von Makro- und Mikrokontaktspannungsspitzen an den Kraterrändern der Poren, was bei Erreichen kritischer Grenzwerte zur Bildung von Aufschweißungen führt.

Als Kriterien für eine Reduzierung des Abriebs können vor allem eine sorgfältige Oberflächenbearbeitung in Blechflussrichtung bis hin zu einem geometrischen Eintuschieren der durch die FEM-Analyse aufgezeigten Kontaktspannungsspitzen am Ziehsickenkanal und die Vermeidung kritischer Grenzwerte von Ziehsickentiefe und Flächenpressung bei Gusswerkzeugen genannt werden. In hochbelasteten Bereichen bietet sich der Einsatz von 1.2379 an, wobei feuerverzinkten Blechen dann auch noch eine Schmierstoffminimierung möglich ist.