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Oktober 2013
Kunning Zhao
Micro hot coining of high strength metals using electric conductive heating
Es gibt im industriellen Sektor Bedarf an einem großen Spektrum von funktionellen Oberflächenstrukturen in hochfesten Metallen. Kaltprägen von härteren Werkstoffen führt allerdings zu rascher Werkzeugabnutzung und resultiert in schlechter Umformung.
Das Ziel dieser Arbeit ist es die Umsetzbarkeit des Mikrowarmprägens von hochfesten Metallen durch Zuhilfenahme einer integrierten konduktiven Erwärmung zu untersuchen. Zuerst wurden die Einflussgrößen der elektrischen konduktiven Erwärmung untersucht, daraufhin wurde ein Mikrowarmprägewerkzeug mit integrierter konduktiver Erwärmung hergestellt. Die Erwärmung und der Prägevorgang wurden gekoppelt und liefen automatisch nacheinander ab. Daraufhin wurden komplexe Oberflächenstrukturen zur Anwendung im Bereich der Mikrofluidik in nichtrostenden Stahl 1.4401 und Titan geprägt.
Betreffend die elektrisch konduktive Erwärmung wurden die Proben innerhalb von fünf Sekunden auf Zieltemperatur gebracht. Es wurde herausgefunden, dass Vakuum, Argon und Luft Umgebungsatmosphäre nur geringen Einfluss auf Heiztemperatur und Emissivität haben. Das 3D FE-Modell hat gezeigt, dass die elektrisch konduktive Erwärmung einen ausreichend großen Prägebereich aufheizen kann und dabei eine homogene Temperaturverteilung liefert.
Verfügbare empirisch herausgestellte Beziehungen zwischen Formfüllung und normierten Spannung beim Mikrokaltprägen können auf das Mikrowarmprägen übertragen werden, wenn die normierte Spannung auf die mittlere Fließspannung und nicht auf die anfängliche Fließspannung basiert. Im FE- Modell wurden die Reibungs- und den Wärmeübergangskoeffzienten durch Vergleiche der Experimente mit den Simulationen kalibriert. Während der Herstellung der Mikroreaktor- und Kühlstrukturen wurde bei Titan ein Größeneffekt zweiter Ordnung entdeckt, der abhängig von den Korngrößen ist.
Das PEP/StrucSim Modell wurde aktualisiert, um die Entwicklung der Mikrostruktur zu simulieren. Das aktualisiert Modell zeigt, dass während des Mikrowarmprägens von nichtrostendem Stahl 1.4401 um 1000°C dynamische Rekristallisation in den stark verformten Kanalstrukturen eintritt und sich Feinkorn bildet. Metallographie und Mikrohärteprüfungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es die Umsetzbarkeit des Mikrowarmprägens von hochfesten Metallen durch Zuhilfenahme einer integrierten konduktiven Erwärmung zu untersuchen. Zuerst wurden die Einflussgrößen der elektrischen konduktiven Erwärmung untersucht, daraufhin wurde ein Mikrowarmprägewerkzeug mit integrierter konduktiver Erwärmung hergestellt. Die Erwärmung und der Prägevorgang wurden gekoppelt und liefen automatisch nacheinander ab. Daraufhin wurden komplexe Oberflächenstrukturen zur Anwendung im Bereich der Mikrofluidik in nichtrostenden Stahl 1.4401 und Titan geprägt.
Betreffend die elektrisch konduktive Erwärmung wurden die Proben innerhalb von fünf Sekunden auf Zieltemperatur gebracht. Es wurde herausgefunden, dass Vakuum, Argon und Luft Umgebungsatmosphäre nur geringen Einfluss auf Heiztemperatur und Emissivität haben. Das 3D FE-Modell hat gezeigt, dass die elektrisch konduktive Erwärmung einen ausreichend großen Prägebereich aufheizen kann und dabei eine homogene Temperaturverteilung liefert.
Verfügbare empirisch herausgestellte Beziehungen zwischen Formfüllung und normierten Spannung beim Mikrokaltprägen können auf das Mikrowarmprägen übertragen werden, wenn die normierte Spannung auf die mittlere Fließspannung und nicht auf die anfängliche Fließspannung basiert. Im FE- Modell wurden die Reibungs- und den Wärmeübergangskoeffzienten durch Vergleiche der Experimente mit den Simulationen kalibriert. Während der Herstellung der Mikroreaktor- und Kühlstrukturen wurde bei Titan ein Größeneffekt zweiter Ordnung entdeckt, der abhängig von den Korngrößen ist.
Das PEP/StrucSim Modell wurde aktualisiert, um die Entwicklung der Mikrostruktur zu simulieren. Das aktualisiert Modell zeigt, dass während des Mikrowarmprägens von nichtrostendem Stahl 1.4401 um 1000°C dynamische Rekristallisation in den stark verformten Kanalstrukturen eintritt und sich Feinkorn bildet. Metallographie und Mikrohärteprüfungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen.
Schlagwörter: micro hot coining; conductive heating; high strength metals
Umformtechnische Schriften
Herausgegeben von Univ. Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirt (Aachen), Prof. Dr.-Ing. Dierk Raabe (Düsseldorf) und Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Dr.-Ing. E.h. Reiner Kopp, Aachen / Düsseldorf
Band 166
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Shaker Verlag GmbH
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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