Ein Beitrag zum Wärmeeinfluss und zur Temperaturführung bei der Umformung von nichtrostenden Stahlblechwerkstoffen

Abstract

Die Umformung nichtrostender austenitischer Blechwerkstoff ist aufgrund der dehnungsinduzierten α‘-Martensitbildung und des damit einhergehenden TRIP-Effekts (Transformation Induced Plasticity) stark von der Umformtemperatur beeinflusst. Änderungen der Umformtemperatur sind dabei nicht nur vom Werkstoff selbst hervorgerufen, sondern auch von tribologischen oder werkzeugspezifischen Rahmenbedingungen und wirken sich unmittelbar auf die Umformbarkeit und Bauteilqualität aus. Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Einfluss der Temperatur und Wärmeströme in Umformwerkzeugen auf das Materialverhalten und Umformergebnis untersucht und Methoden aufgezeigt, um den Wärmeeinfluss als Größe zur gezielten Verbesserung vorhandener Prozesse einzusetzen. Im Hauptteil der Arbeit wurde mittels nichtisothermen uniaxialen Zugversuchen grundlegendes Wissen zur Martensitentwicklung erlangt und Zusammenhänge mit den mechanischen Werkstoffeigenschaften hergestellt. Mithilfe von temperierten Nakajima-Versuchen konnten temperaturabhängige Versagensgrenzen bestimmt und in Zusammenhang mit der Austenitstabilität gebracht werden. Grundlagenversuche zum Zwischenglühen von Austeniten zeigen, dass durch den gezielten Einsatz von Wärme die Werkstoffeigenschaften in mehrstufigen Umformprozessen gezielt beeinfluss werden können. In weiterführenden Untersuchungen des tribologischen Systems und von Wärmeübergängen in Umformwerkzeugen konnte der Einfluss der Werkzeugoberflächenbeschaffenheit sowie von Schmierstoffen und Ziehfolien auf die Wärmeflüsse qualitativ und quantitativ erfasst werden. Die passive Erwärmung von Umformwerkzeugen wurde mittels Dauerlaufversuchen in Labor- und Realversuchen erfasst und diskutiert. Dieses Wissen dient als Basis für zukünftige weiterführende Verbesserungen der Temperaturführung in Umformwerkzeugen. Der Fokus der durchgeführten Arbeiten lag dabei auf Tiefziehprozessen, wobei die Übertragbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse auf Sekundärprozesse wie dem Scherschneiden nachgewiesen wurde. Aufbauend auf den gewonnenen Ergebnissen konnte die generelle Beeinflussung der Martensitbildung mithilfe von lokal temperaturgeführten Umformwerkzeugen sowie dem lokalen Zwischenglühen von Bauteilen belegt werden. In diesem Kontext wurde ein innovatives Werkzeugtemperiersystem auf Basis der Peltier-Kühltechnik entwickelt, umgesetzt und in praktischen Versuchen validiert. Die im abschließenden Kapitel der Arbeit durchgeführten simulativen Studien eines Serienprozesses zeigen die generelle Umsetzbarkeit und Abbildbarkeit von Wärmeentwicklungen und deren Einfluss auf die dehnungsinduzierte Martensitbildung. Gleichzeitig konnte ein vereinfachtes Werkstoffmodell entwickelt werden, mithilfe dessen die Rechenzeiten bei Anwendung numerischer Methoden sowie Komplexität der Modellparameterbestimmung durch Miteinbeziehung der Austenitstabilität in die Modellierung verbessert werden kann. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der innerhalb der vorliegenden Arbeit durchgeführten Forschungsarbeiten. Mithilfe dieser wurde ein wissenschaftlicher Beitrag zur Werkstoffcharakterisierung nichtrostender Austenitischer Stähle und zur Auslegung temperaturgeführter Umformprozesse und Werkzeuge geleistet sowie weitere zukünftige Potenziale aufgezeigt.