Umformtechnische Verarbeitung von Edelstahl mit Klarlackbeschichtung
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Christoph Michael Gaebel, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover
94 Seiten - 58,00 EUR (sw, 63 Abb., 9 Tab.)
ISBN 978-3-86776-417-9
Zusammenfassung
Seit den 60er Jahren werden bandbeschichtete Bleche im zunehmenden Maße im Bauwesen sowie in der Haushaltsgeräte- und Fahrzeugindustrie eingesetzt. Die grundlegende Strategie bei der Verwendung bandbeschichteter Ausgangswerkstoffe lässt sich mit dem Ausdruck „finish first, fabricate later“ zusammenfassen. Die breite Verfügbarkeit dieser Verbundwerkstoffe, bestehend aus einem metallischen Trägermaterial und einer organischen Beschichtung, führt zu einer Verkürzung der Prozessketten in verarbeitenden Unternehmen, was eine Reduktion der Fertigungstiefe beim Endverarbeiter ermöglicht und so eine hohe Wirtschaftlichkeit bietet. Neben den finanziellen Vorteilen gegenüber einer Stückbeschichtung bestehen jedoch Einschränkungen hinsichtlich der qualitätsbestimmenden Oberflächeneigenschaften und der Verarbeitbarkeit.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein Edelstahlblechwerkstoff betrachtet, der eine geschliffene Oberfläche aufweist, die im Bandbeschichtungsverfahren mit einer wenige Mikrometer dicken Klarlackbeschichung versehen ist. Diese reduziert die Sichtbarkeit von Fingerabdrücken im alltäglichen Gebrauch maßgeblich, sodass der Werkstoff beispielsweise bei hochqualitativen Küchengeräten Anwendung findet. Die anforderungsbedingt hohe Härte des Klarlacks führt beim Umformen zu Rissbildungen und Ablöseerscheinungen.
Das Auftreten dieser Lackschädigungen wurde durch Biegeversuche sowie Umformversuche mithilfe des Nakajima-Versuchsaufbaus analysiert. Dazu wurden die Risse im Klarlack durch ein elektrochemisches Ätzverfahren optisch kenntlich gemacht. Mit zunehmender Formänderung nimmt die Intensität der Lackschädigung sukzessive zu, wobei eine Abhängigkeit vom Dehnzustand festzustellen ist. Als Kenngröße für die Lackschädigungen wurde die flächenanteilige Lackablösung bestimmt. Auf Basis umfangreicher Umformversuche konnte die Schädigungscharakteristik im Formänderungsdiagramm beschrieben werden. Ein Lackschädigungsgrenzwert dient weiterhin für die Formulierung einer beschichtungsbezogenen Grenzformänderungskurve. Sie kann in der Umformsimulation zur Prognose einer nicht-tolerierbaren Schädigungsintensität herangezogen werden. Die Anwendbarkeit wurde anhand von Simulationsbeispielen im Vergleich mit den real auftretenden Lackschädigungen aufgezeigt.
Die verformungsbedingten Schädigungen des Klarlacks beeinflussen die Gebrauchseigenschaften des Materials. In Versuchsreihen mit Dornbiegeproben wurde im neutralen Salzsprühnebeltest eine starke Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der Lackschädigungsintensität festgestellt. Ausschlaggebend sind Rissbildungen im Klarlack, welche Korrosionsvorgänge begünstigen. Versuche mit dem gleichen Werkstoff in unbeschichteter Form zeigten weiterhin bei identischer Probendeformation keine nennenswerten Korrosionserscheinungen.
In temperierten Umformversuchen konnte weiterhin eine Abhängigkeit des Schädigungsverhaltens von der Prozesstemperatur ermittelt werden. Bei einer vorgegeben Dehnung ohne Werkzeugkontakt oder Einsatz von Ziehfolien konnte die Schädigungsintensität in einem Temperaturbereich von 80 bis 100 °C auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Herstellung einer praxisnahen Bauteilgeometrie war diese Schädigungsminderung an kleinen Radien hingegen begrenzt. Es zeigte sich dabei auch, dass der Einsatz von Ziehfolie die Wirkung einer Prozesstemperierung relativiert.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Umformtechnische Verarbeitung von Edelstahl mit Klarlackbeschichtung“ wurde unter der Fördernummer AiF 16386N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 374 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Since the 1960s coil-coated sheet metal parts have been used increasingly in the construction industry, for household appliances and in the vehicle industry. The basic strategy for the use for coil-coated materials can be summarized in the expression “finish first, fabricate later”. The wide availability of these composites, made out of metal carrier material and an organic coating, leads to a reduction of the process chains in processing companies, which provides a reduction of the production depth at the end fabricators and offers a high economic efficiency. In addition to the financial advantages compared to a piece coating there are restrictions in terms of surface quality and processability.
In this research project, a stainless steel sheet metal was regarded, which has a brushed surface, provided in the coil coating process with a thin clear coating of a few micrometres. This significantly reduces the visibility of fingerprints in everyday use. So the material is used for example in high quality kitchen devices. The high hardness of the clear coating leads to crack formation and flacking caused by forming processes.
The appearance of these defects in the clear coating was analysed by bending experiments and forming experiments using the Nakajima-test set-up. Therefor the cracks in the clear coating were visually identified by electro-chemically etching. With increasing deformation the intensity of the cracks also gradually increases, but there is also a dependency of the strain state. To characterize the coating defects the surface ratio of delaminated clear coating was considered. Based on extensive forming experiments it was possible to characterize the damage in a forming limit diagram. A damage threshold was used for the formulation of a coating based forming limit curve. In forming simulations the curve can forecast a non-tolerable intensity of coating defects. The applicability of the coating related forming limit curve was demonstrated by some simulations in comparison with the resulting coating defects on the real formed parts.
The defects in the clear coating caused by the forming processes influence the usage property of the material. In salt spray tests on mandrel-bending specimens a strong dependency of the defect intensity on the corrosion behaviour was determined. Crucial are larger cracks in the clear coating which abet the corrosion process. In contrast, experiments with the same material and deformations but without coating showed no appreciable corrosion.
In temperate forming experiments a dependency of the process temperature on the damage behaviour was also determined. At a certain deformation without tool contact or use of draw foils the damage could be reduced to a minimum at the temperature of 80 to 100 °C. In forming processes of a covering part in step with actual practice the decrease of damage at small radius was limited. But by use of draw foils the effect of the process heating is relativized. The objective of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
1 Abbildungsverzeichnis
2 Tabellenverzeichnis
3 Formelzeichen und Abkürzungen
4 Zusammenfassung
5 Anlass für das Forschungsvorhaben
6 Stand der Technik
6.1 Prüfmethoden zur Bewertung des Erscheinungsbildes einer Beschichtung
6.2 Prüfmethoden zur Bewertung der Verformbarkeit einer Beschichtung
6.3 Prüfmethoden zur Bewertung der Härte einer Beschichtung
6.4 Prüfmethoden zur Bewertung der Haftfestigkeit einer Beschichtung
6.5 Prüfmethoden zur Bewertung der Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit einer Beschichtung
6.6 Forschungsarbeiten zur Charakterisierung der Umformeigenschaften von Bandbeschichtungen
7 Zielsetzung und Vorgehensweise
8 Durchgeführte Arbeiten
8.1 Materialcharakterisierung des Blechwerkstoffs
8.1.1 Mechanische Kennwerte aus dem Flachzugversuch
8.1.2 Grenzformänderungskurve des Blechwerkstoffs
8.2 Versagenscharakteristik der Beschichtung
8.2.1 Analyse von Lackschädigungen
8.2.2 Voruntersuchungen an Flachzugproben
8.2.3 Probendeformation mittels Nakajima-Versuchsaufbau
8.2.4 Formänderungscharakteristik bei unterschiedlichen Dehnungszuständen
8.3 Versagenskriterium für die Umformsimulation
8.3.1 Akzeptanzgrenze als beschichtungsbezogene Grenzformänderungskurve
8.3.2 Schädigungsprognose mittels Umformsimulation
8.4 Korrosionsuntersuchungen
8.4.1 Lackschädigungsanalyse an Dornbiegeproben
8.4.2 Salznebelsprühtest bei Dornbiegeproben
8.5 Optimierung des Umformprozesses für eine stilisierte Edelstahlblende
8.5.1 Geometrieoptimierung am Ziehring
8.5.2 Tribologische Anpassung des Umformprozesses
8.5.3 Zuschnittsermittlung und Formänderungsanalyse
8.5.4 Integration einer Prozesstemperierung
8.5.5 Temperierte Vorversuche an Flachzugproben
8.5.6 Lackschädigungen an den Edelstahlblenden
9 Zusammenfassung der Ergebnisse
10 Projektauswertung
10.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
10.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
10.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literatur
