MagiZinc - Tata Steel in the automotive industry

MagiZinc – Tribologische Vorteile im PresswerkAuthorsChiel Dane, Louisa Carless, Margot Vlot, Matthijs Toose,Corus Research, Development and Technology B.V.Please NoteCare has been taken to ensure that the information herein is accurate, but Tata Steel and its subsidiary companies do not acceptresponsibility for errors or for information which is found to be misleading. Suggestions for or descriptions of the end use orapplications of products or methods of working are for information only and Tata Steel and its subsidiaries accept no liability in respectthereof. Before using products supplied or manufactured by Tata Steel the customer should satisfy themselves of their suitabilityAll drawings, calculations and advisory services are provided subject to Tata Steel Standard Conditions available on request.

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 203MagiZinc – Tribologische Vorteile im PresswerkChiel Dane, Louisa Carless, Margot Vlot, Matthijs Toose,Corus Research, Development and Technology B.V. IJmuiden, Niederlande1. EinführungMagiZinc ist eine innovative Zinkbeschichtung die im Schmelztauchverfahren von Corusaus dem niederländischen IJmuiden für die Bau- und Automobilindustrie produziert wird. Beider Entwicklung von MagiZinc haben Corus und Salzgitter zusammen gearbeitet und dieMitbewerber haben ein ähnliches Produkt entwickelt.Im Vergleich zu den üblichen feuerverzinkten Produkten sind mit geringen Anteilen vonMagnesium und Aluminium fast „magische“ Schichteigenschaften erreicht worden. DasHauptziel eines verbesserten Korrosionsschutzes mit gleicher oder sogar geringerer Zinkschichtdickeist in beeindruckender Weise erreicht worden. In diesem Beitrag wird nach derCharakterisierung von MagiZinc das Korrosionsverhalten kurz aufgezeigt.Selbstverständlich sollen nicht nur der Korrosionsschutz sondern auch die Verarbeitungseigenschaftengleich bleiben oder sogar besser sein. Die Umformbarkeit, das Schweiß- undKlebverhalten sowie die Lackierbarkeit sind im Corus Labor und parallel in Zusammenarbeitmit Kunden, VDEh-Arbeitsgruppen und anderen Forschungsstellen ausführlich untersuchtworden. Dieser Beitrag legt den Fokus auf die Wechselwirkung mit dem Werkzeug.Seit vielen Jahren hat sich Corus an allen Verbundprojekten der PtU Darmstadt und EFB-Projekten zum Thema Zinkabrieb beteiligt. Mit den erworbenen Kenntnissen hat CorusRD&T eine eigene Philosophie und Tests entwickelt, um Zinkabrieb von der Blechseite herzu untersuchen. Neben innovativen Maßnahmen, um die Werkzeugoberflächenbearbeitungund Schmierung zu optimieren, wird MagiZinc im tribologischen System „Blech-Schmierung-Werkzeug" signifikant zur Abriebreduzierung beitragen. Gerne präsentieren wirin diesem Beitrag die potentiellen tribologischen Vorteile im Presswerk.2. Charakterisierung und KorrosionsverhaltenMagiZinc ist eine alternative Zn-Mg-Al-Variante, wobei im Vergleich mit üblichen feuerverzinktenStahlblechen die Zinkkörner in eine ternäre Zn-Mg-Al-Struktur eingebettet sind,zinkreiches Aluminium und MgZn 2 wie in Abbildung 1 gezeigt. Mehr Einzelheiten bezüglichder Charakterisierung von Zn-Al-Mg Beschichtungen sind in [1] erhalten.ZZinkEutektische PhaseMgZn 2 /Zn and AlMagiZincStahlAbbildung 1. SEM-Querschliff-Bild von Feuerverzinkt (Z) und MagiZinc

204 Chiel DaneNeben den Vorteilen im Presswerk, die weiterhin detailliert erläutert werden, ist MagiZinc primär entwickelt worden, um einen optimalen Korrosionsschutz nicht nur für Bauten sondernauch für die Automobilindustrie [2] zu bieten.Bei gleichen oder sogar geringeren Zinkschichtdicken bis zu 70 g/m 2 im Vergleich zu traditionellverzinkten Varianten können mit MagiZinc Kostenvorteile erzielt werden. Eine dünnereKathode-Tauch-Lackierschichtdicke und weniger zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen imFlanschbereich zwischen Innen- und Außenhautteilen sind mit MagiZinc schon ausreichend.[Wochen]bevor Rotrostbildung86420Z1007 mZ14010 mMZ705 mMZ14010 mZ100MZ70Z140MZ140Abbildung 2. Korrosionstestresultate Z und MagiZinc mit KTL, links: Glas-Flansch mit Spalt zwischen0 und 250 m (Volvo STD 423-0014), Photos rechts zeigen die Rostbildungsunterschiede nach 10WochenDurch diese hervorragenden Korrosionsschutzeigenschaften von MagiZinc sind die Steinschlagschottereigenschaftenbesser als mit Z und ZE (Abbildung 3).Abbildung 3. Korrosionsempfindlichkeit nach 7 Wochen KTL Muster Z und MagiZinc mit Kratzern(Photos links) und Korrosion nach 20 Wochen mit Kratzern auf Mustern Z, ZE, ZE+ Korrosion-SchutzPrimer und MagiZinc (nach Entfernung der Endlackierung)Bei Nippon Steel Corporation war schon bekannt, dass Zn-Mg-Al als Beschichtung nacheinem Schmelztauchverfahren hervorragende Korrosionsschutzeigenschaften für das Baugewerbehat.

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 205In Japan kommt im Automobilbereich trotzdem noch immer überwiegend Hot Dip Galvannealed(ZF) zum Einsatz. In Europa wird das relativ teure elektrolytisch verzinkte Stahlblech(ZE) mit Phosphatschicht (ZE+ph) oder Korrosionsschutz-Primer (ZE+KSP) wegen derKostenvorteile mehr und mehr durch feuerverzinkte Varianten verdrängt.Die Umstellung auf ZF im Presswerk ist ohne eine Nachbehandlung aus tribologischenGründen schwierig wegen der höheren Reibung und nachteiligen Folgen der relativ sprödenSchicht wie Zink-Eisen-Pulverisierung (Powdering) und/oder Flitterbildung (Flaking). DerVorteil von 11% Fe in der ZF-Zinkschicht liegt jedoch in der größeren Schichthärte, diedurch eine richtige Durchlegierung erzeugt wird und die Adhäsionsneigung mit dem Werkzeugim Vergleich zu unlegierten und unbehandelten ZE oder Z verringert.Für Presswerke wäre es ideal, eine kostengünstige Z-Variante mit einer stabilen Reibungund geringeren Adhäsionsneigung zu verarbeiten. Die Idee, dass eine härtere Zinkschichtdie Adhäsionsneigung mit dem Werkzeug verringert, begründet die Philosophie, MagiZinc für Einsatz in der Automobilindustrie weiterzuentwickeln.Wie mit Nickel in ZE und Fe in Galvannealed wird bereits mit einer geringen Magnesiummengein Z eine höhere Zinkschichthärte erreicht wie Abbildung 4 zeigt. Mit einem gezieltenAluminium- und Magnesiumgehalt hat MagiZinc eine Oberfläche, die zwar härter und spröderist; aber die Haftung bleibt selbst nach extremer Umformung gewährleistet, wie bei 0T-Biegetests; Abbildung 5, [1].Brinell Härte75737169676563615957550,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100Mg%Abbildung 4. Härtezunahme Magnesium in ZinkAbbildung 5. Mikrorisse ohne Ablösung inMagiZinc nach OT-Biegeversuch3. Wechselwirkung zwischen MagiZinc undWerkzeugDie Wechselwirkung der Zinkschicht mit dem Werkzeug ist ein sehr wichtiges Thema bei derEinführung neuartig verzinkter Stahlbleche, weil die Prozess-Stabilität und dadurch auchpotentielle Kostensenkungen beeinflusst werden. Die tribologischen Aspekte Werkstoff- undWerkzeugverschleiß spielen hierbei eine Rolle.In der industriellen Praxis sind Zinkabrieb und Adhäsionsverschleiß noch immer häufig anzutreffendetribologische Themen, die in Verbundprojekten und in aktuellen EFB-Projektenweiter erforscht werden. Corus hat sich an vielen EFB-Projekten [3..6] intensiv beteiligt undviele Tonnen feuerverzinkten Stahl als Spaltband dem PtU der TU Darmstadt zur Verfügunggestellt [3..7], um die Blechmaterial bezogenen Parameter:

206 Chiel DaneZinkart: Z vs ZFRauheitstexturierung: EDT vs PretexWalzwerkbeölung: Prelube vs Hotmeltin Zusammenhang mit Prozess- und Werkzeugeinflussparametern zu untersuchen.Kürzlich abgeschlossene EFB-Projekte haben gezeigt, dass Abrieb bei der Verarbeitungvon weichen Zinkschichten in Gusswerkzeugen besonders verstärkt auftritt. Die meistenMaßnahmen der Abriebverringerung sind deswegen auf die Optimierung der Werkzeugoberflächenfokussiert [5,8]. Neben innovativen Maßnahmen zur Optimierung der Werkzeugoberflächenbearbeitungund Schmierung kann Corus mit MagiZinc von der Blechseitezur Abriebreduzierung beitragen.3.1 WerkstoffverschleißIm tribologischen Jargon bedeutet Werkstoffverschleiß den Verlust von Zink des Stahlblecheswährend des Umformprozesses. Die Abnahme der Zinkbeschichtungsmasse und dasAuftreten von Mikrobrüchen oder Mikrorissen in der Zinkschicht nach der Umformung habenwegen des kathodischen Schutzes von Zink auf Stahl kaum negative Konsequenzen für dasKorrosionsverhalten. So lange der Zinkschichtverlust im Werkzeug nicht zu einer unakzeptablenWerkzeugverschmutzung führt, ist Werkstoffverschleiß also kein Problem.Während des Tiefziehens von spröden Zinkarten wie Galvannealed kommt es oft zu einerZnFe-Pulverisierung. Die ZnFe-Teilchen werden zusammen mit dem Schmierstoff zumStempel verschleppt und an dieser Stelle treten Abdrücke in Bauteilen auf. Nicht nur dieAusschuss- oder Reparaturkosten insbesondere an Außenhautteilen führen zu hohen Kosten,sondern auch die Prozesszeit, die benötigt wird, um Werkzeuge wieder zu säubern.Eine ähnliche Werkzeugverschmutzung wie bei ZF kann auch bei relativ duktilen Zinkartenwie Z oder ZE auftreten, aber hier unterscheidet sich der Mechanismus von spröden Zinkschichten.Danach unterscheiden wir hier zwei Werkzeugverschmutzungsquellen: direkten Abrieb, oft mit Flitterbildung gekennzeichnet, und indirekten Abrieb, der von Zinkadhäsionen induziert wirdAdhäsionsverschleiß (galling) kann bei Außenhautteilen wegen unzulässiger Kratzerbildungauch direkte Kosten verursachen.Flitterbildung: direkter AbriebDirekter Abrieb ist der Effekt von Zinkmikrospänen, die nach dem Eindringen der Werkzeugrauheitsspitzenin die weichere Zinkschicht vor allem bei scharfen Radien abgetragen werden.Abbildung 6 zeigt ein Beispiel exzessiver Flitterbildung im Einlaufbereich des Blechesin das Werkzeug. Diese Flitter verursachen kleine oder größere Druckstellen (high spots,picots, pimple defects) die unvermeidlich zu Kosten führen wegen: eventueller Nachbearbeitung Ausfall von Außenhautteilen Säubern der Werkzeuge

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 207Abbildung 6. Direkter Zinkabrieb (Flitterbildung) und resultierende Druckstellen in AußenhautteilenIndirekter Zinkabrieb: AdhäsionsverschleißIndirekter Abrieb ist der Effekt kalt verschweißter Zinkadhäsionen, die durch die tangentialeRelativbewegung zwischen Blech und Werkzeug abgehobelt werden und irgendwo imWerkzeug abgelagert werden.Adhäsionsverschleiß führt nicht nur zum oben erwähnten indirekten Zinkabrieb, sondernbeeinflusst die Prozess-Sicherheit auch in anderer Hinsicht negativ. Deswegen konzentriertsich unsere Forschungsarbeit insbesondere auf Adhäsionsverschleiß und wird deswegenseparat in Abschnitt 3.1.1. behandelt.3.1.1 AdhäsionsverschleißWerkstoffverschleiß tritt auch auf, wenn weiche Zinkteilchen aus dem Zinkschicht herausgelöstund auf das härtere Werkzeugmaterial übertragen werden, wobei es teilweise zur Zinkaufschweißungoder zu so genannten Adhäsionen kommt.Adhäsionsverschleiß führt nicht nur zum oben erwähnten indirekten Zinkabrieb. Die Produktionssicherheitund Bauteilqualität werden auch direkt ganz erheblich gefährdet weil: Adhäsionen die Reibung und damit das Dehnungsverhalten negativ beeinflussen, wobeies wegen abriebinduzierter Risse in Bauteilen zu direktem Ausfall kommt,Abbildung 7, Zinkaufschweißungen unzulässige Kratzer (Galling) in Außenhautteilen verursachenund auch zu Ausfall führen.Wie bei Flitterbildung verursachen auch Adhäsionsverschleißphänomene Kosten für dasSäubern des Werkzeuges, Bauteilreparatur und Ausfall durch Reißer oder Kratzer.Abbildung 7. Innenteil-Heckklappe mit Adhäsionsverschleißinduziertem Reißer

208 Chiel DaneFür die Weiterentwicklung des MagiZinc sind in erster Linie Zylinder-Ebene-Tests nachRenault durchgeführt worden (Abbildung 8), wobei die durch Adhäsionen verursachte Reibungssteigerungund Blechbeschädigung untersucht wurden mit: Verschiedenen Beschichtungen: MagiZinc gegen Z, ZF, ZnNi, ZE, ZE+phosphat Verschiedenen Stahlsubstraten: DX54, DP600 Verschiedenen Testbedingungen:o Werkzeugtemperatur: 20…80 º Co Werkzeugmaterial: WN1.2379 und EN-GJS-264BBlechstreife: 50 mmNormalkraftMessdoseS= 55 mmV= 0,33 mm/sHydraulischeZylinder: Fn= 5 kNZylinder WerkzeugEbene WerkzeugFlügelnScharnierBewertung Adhäsionsverschleiß:ReibwertsteigerungVisuelle Kwalifizierung : 1 – 5: cof=f(hub)Abbildung 8. Renault Multifrottement Testbedingungen und Bewertung des Adhäsionsverschleißesnach 10 Hüben mit nur 1 Blechstreifen ohne NachbeölungDie Renault-Testergebnisse in Abbildung 9 wurden mit polierten WerkzeugmaterialWN1.2379 bei Raumtemperatur und relativ viel Walzöl erzeugt. MagiZinc zeigt keine Adhäsionsverschleißkratzerund ein stabiles Reibungsverhalten im Vergleich mit Z (Abbildung9) und ZE+KSP Varianten (Abbildung 10).Reibzahl0,70,60,50,40,30,20,100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10HubMZ_aMZ_bMZ_cZFZZnNiZEVisuelleBeurteilungZMagiZincAbbildung 9. Adhäsionstestergebnisse MagiZinc (MZ-a,b,c) im Vergleich mit Z, ZF, ZE und ZnNi

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 2090.450.400.35ZZE+KSPRebzahl0.300.250.200.15ZMagizincZZE+KSPMagiZinc0.100.050.001 2 3 4 5 6 7 8 9 10HubAbbildung 10. Adhäsionstestresultate MagiZinc im Vergleich mit Z und ZE+KSPEinfluss von Werkzeugtemperatur und StahlsubstratBeim Einsatz höherfester Bleche erhöhen sich die Belastungen und Temperaturen bei derUmformung und damit die oben genannten Effekte. Corus wird sich deswegen wieder aneinem vorgestellten EFB-Projekt [7] beteiligen, wobei auch Dualphasen-Stähle mit Magi-Zinc eingebracht werden sollen. Im Vorfeld ist MagiZinc auf DX54 und DP600 Basisschon im eigenen Corus-Labor mit dem Renault Test bei 20, 40 und 80 ºC untersucht worden.Weil in der Praxis die Zinkabriebproblematik besonders kritisch beim globularen GraugussEN-GJS-264B ist, sind die Versuche mit GGG70L Werkzeugen und mit einer realistischengeringen Menge Walzbeölung durchgeführt worden.Die visuelle Qualifizierung der Blechstreifen in Tabelle 1 zeigt, dass MagiZinc auf DX54und auf DP600 bei allen Temperaturen ein exzellentes Adhäsionsverhalten aufweist. Dasweiche Z scheint bei steigender Temperatur viel empfindlicher für das Versagen desSchmiermittels und nachfolgenden Adhäsionsverschleiß als ZF und MagiZinc zu sein.Magizinc Z ZF20°C 40°C 80°C 20°C 40°C 80°C 20°C 40°C 80°CDX54 1 2 2 3 4 4 1 2 2*DP600 1 1 1 3 4 5 1 4 3Tabelle 1. Kratzerbildungsranking nach 10 Hüben Renault-Testausgebrochene Schichtteilchen1= Exzellent, ….5= sehr schlecht:Das Reibverhalten mit MagiZinc auf DX54 und DP600 unterscheidet sich von ZF und Z inder Einglättungsphase mit dem Werkzeug. In den ersten 3 Hüben ist bei allen Temperaturen

210 Chiel Danedie Reibzahl mit MagiZinc relativ hoch (Abbildung 11), aber stabilisiert sich selbst mitDP600 nach der 3. Hüben und nach dem 4. Hub mit DX54 auf eine sehr niedrige Reibzahlum 0,1.Reibungskoeffizient in LFT test [-]0.70.60.50.40.30.20.10DP6001Z-20 ºCZ–40 ºCZ-80°CZF–20 ºCZF–40 ºCZF–80 ºCMZ–20 ºCMZ–40 º CMZ–80 ºCHubReibungskoeffizient nach der LFT test [-]0.70.60.50.40.30.20.1DX5401 2 3 4 5 6 7 8 9 10HubzahlAbbildung 11. Reibverhalten in LFT Renault-Test mit Stahlsubstrat DX600 (links) und DX54 (rechts)in Abhängigkeit zu Feuerverzinkungsart Z, ZF und MagiZinc (MZ) und WerkzeugtemperaturDie Reibwerte in Abbildung 10 sind Mittelwerte (3 Blechstreifen) berechnet über 55 mmGleitweg pro Hub. Es ist klar, dass der Temperatureinfluss mit Z und ZF viel größer ist alsder Einfluss von Stahlsubstrat DX oder DP. MagiZinc zeigt sich dagegen mehr unabhängigvon Temperatur und Substrat, nur hat MagiZinc in der Anlaufphase einen höheren Reib-

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 211wert und es dauert wegen der höheren Schichthärte länger (mehrere Hübe), bevor dasWerkzeug eingeglättet ist. Um diesen Effekt zu erläutern, ist in Abbildung 12 die Reibungsentwicklungüber dem Gleitweg für MagiZinc und Z auf DX54 dargestellt.Die ständige Verringerung der Reibung mit MagiZinc und zunehmende Reibung mit Z bei40 ºC Werkzeugtemperatur gilt exemplarisch auch für ZF, andere Temperaturen und Substrate.0.400.35DX54+Magizinc0.400.35DX54+Z0.300.25Reibungsverringerung0.300.25COF [-]0.20COF [-]0.200.150.1040°C88490_1.GAL 88490_5.GAL 88490_9.GAL0.0588490_2.GAL 88490_6.GAL 88490_10.GAL88490_3.GAL 88490_7.GAL88490_4.GAL 88490_8.GAL0.000.0 12.0 24.0 36 .0 4 8.0 60.0Position [mm]0.150.100.05Reibungszunahme40°C88483_1.GAL88483_2.GAL88483_3.GAL88483_4.GAL88483_5.GAL88483_6.GAL88483_7.GAL88483_8.GAL88483_9.GAL88483_10.GAL0.000.0 12.0 24.0 36.0 48.0 60.0Position [mm]Abbildung 12. Reibverhalten über Gleitweg und die Entwicklung über Hübe von MagiZinc und Z aufDX54 bei 40 ºC WerkzeugtemperaturEinglättungsverhaltenWie in Abbildung 12 gezeigt treten die größten Unterschiede im Reibverhalten in Hub 1 auf,insbesondere in dem ersten Hub mit Z. Normales feuerverzinktes Z fängt in den ersten MillimeternGleitweg sogar mit einer hohen Reibungsspitze an, Abbildung 13. Wegen einerrelativ schnellen Verschmierung des weichen Zinks in die Werkzeugrauheit sinkt die Reibungtemperaturabhängig auf das niedrige Niveau von 0,1.0.400.35DX54+Z0.400.35DX54+Magizinc0.300.2520°CReibmittelwert niedrigerals Magizinc aber0.300.2520°CCOF [-]0.200.15Anfangspeak is höher !COF [-]0.200.150.100.050.100.05WerkzeugEinglättungsphase88480_1.GAL 88479_1.GAL 88478_1 .GAL0.000.0 12.0 2 4.0 36.0 48.0 6 0.0Position [ mm]88 487_1.GAL 88488_1.GAL 88489_1.GAL0.000.0 12.0 24.0 36.0 4 8.0 60.0Po sition [mm]Abbildung 13. Einglättungsphase bei Raumtemperatur (erster Hub) der Werkzeugrauheit mit Z undMagiZinc als Zinküberzüge auf DX54WerkzeugverschmutzungIm zweiten und nachfolgenden Hüben mit gleichen Blechstreifen (Renault-Test) verringertsich die Schmierstoffmenge ständig und es formen sich schon bei Raumtemperatur insbesonderemit weichen Zinkschichten wie Z und ZE beschleunigt Adhäsionen, wodurch dieReibung (Abbildung 13) wie auch Kratzerbildungen zunehmen. In der Praxis sind dieseReibungszunahme und Kratzerbildung selbstverständlich nicht so dramatisch, weil nachjedem Hub frisch geschmierte Bleche in die Presse eingelegt werden. Corus hat deswegenden Renault-Test modifiziert, um weiter eine beschleunigte aber Praxis relevante Werkzeugverschmutzungund damit zusammenhängende Kratzerbildung zu bewirken.

212 Chiel DaneIm so genannten „Corus LFT-Tool Pollution Test“ werden in jedem Hub frische Streifengetestet, also ohne eingeglättete Rauheit und abgequetschte Beölung (wie beim Renault-Test). Die Testparameter sind so gewählt worden, dass unter Grenzreibungsbedingungenmit GGG70L hohe Schubspannungen am Blech ausgeübt werden. In Abbildung 14 wirddargestellt, dass zum Beispiel mit Z-Material bei Raumtemperatur die Werkzeugverschmutzung(Ausfüllen des Grafitspäroliten in GGG70L) schon nach den ersten Millimetern Gleitwegauftritt, wonach die Reibung auch mit dem zweiten Streifen konstant bleibt.0.400.35CO F [-]0.300.250.201. Streife0.150.100.052. Streife99 473 2_1 .GAL 947 33_ 1.GA L0.000. 0 12. 0 24 .0 36. 0 48. 0 60.0Po sition [mm]Abbildung 14. Werkzeugverschmutzung Z in der Gleitweganlaufphase (Links) und Reibungsentwicklungim LFT-Tool Pollution TestIm LFT-Tool Pollution Test ist also das Reibverhalten wie beim Renault-Test nicht direktindikativ für Adhäsionsverschleiß. Die Werkzeugverschmutzung und resultierende Kratzerbildungist in Abbildung 15 nach 2 Streifen quantifiziert worden mit dem Verlauf der RauheitsparameterRz und Rmax.Ro ug hness valu e [mu ]363432302826242220181614121086420Rz Rmax GIFStrip 1 Strip 20 50 100 150 200 250Distance [mm]0.300.250.200.150.100.050.00COF [- ]Abbildung 15. Werkzeugverschmutzung und Kratzerbildung auf dem BlechIn Abbildung 16 wird dargestellt, wie sich die Kratzer in Zusammenhang mit der Werkzeugverschmutzungnach einem Gleitweg von 660 mm (= 6 Streifen) entwickeln. Mit vorphosphatiertenZE wie auch mit MagiZinc werden die Werkzeuge kaum verschmutzt, währendunbehandelte ZE und Z einen unregelmäßigen Aufbau von Zinkpartikeln zeigen.

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 213R max [mu]403530252015105Z MZ ZE ZEPWerkzeugen nach6 StreifenZZEZEPMagizinc00 1 2 3 4 5 6 7Streife Nummer [-]Abbildung 16. Kratzerbildung und Werkzeugverschmutzung3.2. WerkzeugverschleißMagiZinc hat eine bedeutend höhere Oberflächenhärte im Vergleich zu herkömmlichemfeuerverzinktem Material und deswegen neigt die ZnAlMg-Schicht mit seinen intermetallischenVerbindungen weiniger zu Adhäsion mit dem Werkzeug. MagiZinc soll also nicht nurauf adhäsiven Verschleiß sondern auch auf abrasiven Verschleiß geprüft werden. Dazuwurden zwei Versuche durchgeführt: der „TNO-Slider on Sheet“ und der Werkzeugverschleißtestnach VDEh-SEP1160/8.3.2.1 TNO-Test Slider on SheetMit diesem Test wird ein ringförmiges Werkzeug ständig mit dem frischen Blechmaterial inKontakt gebracht, Abbildung 17. Wenn Zinkpartikel aus der Kontaktspur in das Werkzeugübertragen werden, nimmt der Reibwert als Funktion des Gleitweges zu.Abbildung 17. TNO Slider On Sheet TestWerkzeug: 44 x 8 mm mit r= 6 mm(Ring dreht nicht)

214 Chiel DaneWenn aber die Reibkraft über den Gleitweg konstant bleibt, ist dies indikativ für abrasivenWerkzeugverschleiß. Unter den TNO Testbedingungen wurde mit Z und trotz der härterenMagiZinc -Varianten kein abrasiver Werkzeugverschleiß festgestellt.Abbildung 18 zeigt, dass die zwei MagiZinc -Varianten im Vergleich mit Z auf den ersten 20Metern Gleitweg eine höhere konstantere Reibung aufweisen, aber wegen geringerer Adhäsionsneigungbleibt die Reibung des Magizincs bis zu 100 Metern Gleitweg niedriger imVergleich mit Z.0,180,16Z0,14Reibwert0,120,100,080,060,040,02MagizincMZ1MZ2Z0,000 20 40 60 80 100Gleitweg [m]Abbildung 18. Verschleißresultate TNO Slider on Sheet Test1203.2.2 Werkzeugverschleiß nach VDEh-SEP1160/8Im Rahmen des VDEh-Arbeitskreises ist auf Basis eines Zylinder-Ebene-Kontaktes ein Testentwickelt worden, um Werkzeugverschleiß zu ermitteln. Als ebenes Werkzeugmaterialwurde zielgerichtet ein relativ weicher aber genormter Werkzeugstahl verwendet, umschnell, d.h. nach geringem Gleitweg im Kontakt mit verschiedenen verzinkten Blechwerkstoffen,unter sonst strengen Testbedingungen [10] Unterschiede im abrasiven Werkzeugverschleißquantitativ zu vergleichen.Als Verschleißkriterium wurde die maximale Verschleißtiefe der Gleitspur gewählt, Abbildung19 (links), die jedes Labor relativ einfach durch Taktil-Rauheitsvermessung bestimmenkann.Das Stahl- und Eisen-Prüfblatt SEP1160-8 beschreibt die Beurteilung schweißgeeigneterKorrosionsschutzprimer für die Automobilindustrie. Aber in Ringversuchen, die diesemPrüflblatt zu Grunde liegen, hat Corus auch andere Beschichtungen wie MagiZinc in denVergleich mit anderen Z- und ZE-Varianten mit aufgenommen, Abbildung 19 rechts.MagiZinc zeigt wie Z kaum oder keinen Werkzeugverschleiß nach 15 Metern Gleitweg. DasRanking durch dieses Testkonzept (Abbildung 19 rechts) stimmt mit den Erfahrungswertenim Presswerk bei OEMs, die am SEP1160 Arbeitskreis beteiligt waren, gut überein.

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 21521VDEh tool wear, sample 1-1roughness profile position left50.045.0height [µm]0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12000 strips-13025 strips-14050 strips-15075 strips-16-17100 strips-181.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5 .5 6. 0 6.5 7.0 7 .5 8. 0Maximal Verschleißtiefe [um]40.035.030.025.020.015.010.05.00.0MagizincZ(+KSP)FeuerverzinktZEZ+KSP1GAEGEZ+KSP2EZ+KSP3le ngth [mm ]Abbildung 19. 2D taktile Verschleißspurtiefemessungen (links), und die Maximalwerte der Verschleißtiefeim Werkzeug nach 15 Metern Gleitweg (rechts)4. Reibungs- und UmformbarkeitsverhaltenNeben Werkstoff- und Werkzeugverschleiß und der damit verknüpften spezifischen tribologischenPhänomene ist auch das Reibungsverhalten von MagiZinc während des Tiefziehensein wichtiges Thema in der Wechselwirkung mit dem Werkzeug. Im Presswerk wäre eszum Beispiel vorteilhaft, wenn relativ einfach von Z auf MagiZinc umgestellt werden könnte.Diese praktischen Aspekte können nach der Untersuchung des Reib- und Tiefziehverhaltensbesser abgeschätzt werden. Selbstverständlich sind diese Laborerfahrungen später inZusammenarbeit mit Presswerken validiert worden.4.1. ReibungsverhaltenWie schon erwähnt ist wegen der größeren Härte von Galvannealed die Reibung höher imVergleich mit feuerverzinktem Z. MagiZinc ist auch härter als Z. Deswegen sind die Reibungskoeffizientenin Abhängigkeit von Gleitgeschwindigkeit (1-1000 mm/s) und Kontaktnormalspannung(5-20 MPa) mit dem Corus RFT Reibungstester (Abbildung 20) im Mischschmierungszustandgemessen worden.Hydraulische ZylinderGleitstückNormalkraft und TorsionWerkzeugBlechmusterservo motor100mm• Poliert Ra

216 Chiel DaneDie Stribeckdiagramme (Abbildung 21) zeigen, dass die Reibungskoeffizienten von Magi-Zinc vergleichbar sind mit Z. Nur sind die Reibwerte bei der niedrigen Kontaktnormalspannungvon 5 MPa etwas höher als mit Z. Dagegen sei erwähnt, dass mit MagiZinc wegenseiner höheren Schichthärte während des Gleitvorganges keine Stick-Slip-Effekte beobachtetwurden, wie mit Z bei höherer Kontaktnormalspannung in Kombination mit einer niedrigenGleitgeschwindigkeit. Beim Tiefziehen führt Stick-Slip zu unerwünschten Schallemissionenund einen instabilen Stößelkraftverlauf (Abbildung 22).P= 4.8 Mpa P= 9.5 Mpa P= 18.8 MpaP= 4.8 Mpa P= 9.4 Mpa P= 18.9 Mpa0.20.20.180.16Magizinc0.180.16Z0.140.14Reibzahl [-]0.120.10.080.060.040.0201 10 100 1000 10000v (mm/s)Reibzahl [-]0.120.10.080.060.040.0201 10 100 1000 10000v (mm/s)Abbildung 21. Reibungskoeffiziente MagiZinc und Z , beide Varianten mit 140 g/m 2 Zinkauflage4.2. TiefziehverhaltenUm das Reibverhalten von MagiZinc beim Tiefziehen mit Z zu vergleichen, wurde mit einersemi-industriellen Presse ein Napfzug-Arbeitsdiagramm aufgenommen, wobei die folgendenParameter eingestellt wurden: Stempeldurchmesser : 293 mm Platinendurchmesser : 560 mm Walzwerkbeölung : 1,5 g/m 2 Quaker Ferrocoat N6130 Prozesseinstellungen:o Stößelgeschwindigkeit: 25 mm/so Blechhalterkraft: variabel (zwischen Faltenbildung und Reißern)In Tabelle 2 sind die minimale und maximale Blechhalterkraft gegeben, die zu Faltenbildungbzw. zu Reißern führen. Die Tiefziehgrenzen von MagiZinc sind also vergleichbar mit Z.Blechmaterial Blechhalterkraft [kN]Faltenbildung ReißerMagiZinc 80 85080 850Feuerverzinkt Z 80 900Tabelle 2. Blechhalterkräfte aus Arbeitsdiagramm Napfzug

MagiZinc – Tribologische Vorteile im Presswerk 217In Abbildung 22 sind für zwei MagiZinc -Varianten und eine Z Variante (alle mit 140 g/m 2beidseitiger Zinkauflage) die maximalen Stößelkräfte bei Blechhalterkrafteinstellungen zwischenFaltenbildung und Reißern dargestellt. Das Verhältnis: Stößelkraft / Blechhalterkraftist indikativ für das Reibverhalten beim Tiefziehen [13].Trotz höherer Reibungskoeffizienten in den Stribeckdiagrammen, Abbildung 21, erscheintdas Reibverhalten MagiZinc beim Tiefziehen dem von Z ähnlich. Wie schon in Abschnitt5.1. erwähnt, ist Z in Abhängigkeit den Prozesseinstellungen empfindlich für Stick-Slip. Auchhier beim Tiefziehen während des Stößelvorgangs (Abbildung 23) gibt es einen wichtigenUnterschied im Stick-Slip-Verhalten. Herkömmlicher feuerverzinkter Z-Stahl zeigt bei relativhoher Blechhalterkraft nach 15 mm Stößelhub ein instabiles Reibverhalten, was Hand inHand geht mit Schallemission.Max. Stösselkraft [kN]360340320300280260Z MZ1 MZ2Stösselkraft [kN]350300250200150100Z MZ1 MZ22402202000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Blechhalterkraft [kN]Abbildung 22. Arbeitsdiagramm Napfziehversuche5000 20 40 60 80 100 120 140 160Stösselvorgang [mm]Abbildung 23. Reibverhalten während Tiefziehen5. Zusammenfassung und AusblickFür den Einsatz von MagiZinc in Karosserieteilen ist nachgewiesen worden, dass der Korrosionsschutzmit gleicher oder sogar geringerer Zinkschichtstärke, wie MagiZinc70, vielfältigbesser ist als mit herkömmlichen Verzinkungsarten. Wegen der speziellen ZnMgAl-Schicht sind im Presswerk potentielle tribologische Vorteile zu erwarten. Die Prozess-Stabilität bei der Verwendung von verzinkten Stahlblechen wird oft beschränkt durch Zinkabrieb,wobei Zinkadhäsionen am Werkzeug und Zinkflitter entfernt werden müssen. Die Resultateder bei Corus RD&T entwickelten Abriebtests zeigen, dass mit MagiZinc kaumAdhäsionsverschleiß auftritt. Die Wechselwirkung mit dem Werkzeug ist weitgehend untersuchtworden in Zusammenarbeit mit TNO in den Niederlanden und im Rahmen des VDEh-Arbeitskreises „Werkzeugverschleiß“. Die ersten praktischen Umformtests im Labor undRückmeldungen von mehreren OEMs sind sehr positiv auf Grund der günstigen ReibungsundVerschleißergebnisse.Die nächsten Schritte sind die Verringerung der Schichtdicke (MagiZinc70) und die Applikationvon MagiZinc als metallische Beschichtung auf hochfesten Stählen. Die ersten Laborergebnissein Bezug auf Adhäsionsverschleiß sind viel versprechend.Passend zum Thema des 30. EFB-Kolloquiums Blechverarbeitung ist MagiZinc geeignetfür „Bauteile der Zukunft“.

218 Chiel Dane6. Literaturverzeichnis[1] Hot Dip ZnAlMg coatings: microstructure and forming propertiesM. Vlot, e.a. Galvatech 2007[2] Corus’ new hot dip ZnAlMg coated steel for automobile applicationsR. Bleeker, e.a. Galvatech 1997[3] Tribologische Untersuchung des Abriebverhaltens verzinkter TiefziehblecheHennig, e.a. EFB-Forschungsbericht Nr. 200, Hannover 2003[4] Verbund Project Abrieb 1 und 2R. Hennig, PtU TU Darmstadt[5] Optimierung des Abrieb- und Verschleißverhaltens von Werkzeugoberflächendurch mechanische Randschichtverfestigung”M. Engels, e.a. EFB-Forschungsbericht Nr. 296, Hannover 2009[6] Integration von Werkstoffermüdungseffekten in die Verschleißsimulation vonUmformwerkzeugenN. Möller, e.a., EFB-Forschungsbericht Nr. 304, Hannover 2009[7] Minimierung von Zinkabrieb in UmformwerkzeugenEFB 18/109, Hannover 2009[8] Maschinelle Oberflächeneinglättung für den effizienten Werkzeug- und FormenbauEFB 14/109, Hannover 2009[9] The influence of Lubricants and Tooling on Galling and Tool Wear of GalvanisedSteel.Dane, IDDRG Conference 24-26 Mai 2004 in Sindelfingen[10] Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP1160-Teil 8: WerkzeugverschleißverhaltenVDEh-Unterausschuss für Stähle und Oberflächentechnik Feinblech und Band[11] Tool Wear in Pressing of Zinc-plated Coated Steel Sheets3 rd European Fuchs Symposium – 18-19 June 2007 – WeinheimDane, Corus Technology B.V.[12] Schnelltest für die Bestimmung von Werkzeugverschleiß in Zusammenhang mit neuartigverzinkten Blechbeschichtungen6. Forum „Tribologische Entwicklungen in der Blechumformung“ PtU TU DarmstadtDane e.a. Corus Technology B.V., Oktober 2007[13] New approach to demonstrate the need for a dedicated friction model to improvenumerical simulationsDane, IDDRG 1995 – Besançon