Fundamentals of lubricated friction in deep drawing of zinc coated sheet metal considering contacting surface morphology and chemistry

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem tribologischen System beim Tiefziehen, das sich aus verzinktem Stahlblech, Werkzeugstahl und flüssigem Schmierstoff bei Raumtemperatur zusammensetzt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt insbesondere auf dem Zusammenhang zwischen dem Reib- und Verschleißverhalten des Tribosystems und der Zusammensetzung und der Topologie der Kontaktflächen. Die Beschreibung des Tribosystems basiert auf der Annahme, dass die Reibung und der Verschleiß durch Adhäsion und Furchung entstehen. Die Untersuchungen folgen einem modularen experimentellen Rahmen, der tribologische Versuche, Oberflächenanalysen und mechanisches Testen verbindet. ... mehrDie Arbeit beginnt mit einer umfangreichen Übersicht des Stands der Technik, in der die wichtigsten Ansätze bezüglich der Charakterisierung von Reibung und Verschleiß, der Theorie des Reibmechanismus, die bestehenden Reibungsmodellierungsverfahren und das Konzept des dritten Körpers betrachtet werden. Es folgt die Beschreibung der angewendeten Vorgehensweise und der für die Untersuchung genutzten Materialien. Im Hauptteil der Dissertation werden die Ergebnisse der Versuche vorgestellt. Zunächst wird der Einfluss der Oberflächentopologie auf die Reibung betrachtet. Hierbei hängt die Topographie der Werkzeugoberfläche im Wesentlichen von der Art und der Genauigkeit des Endbearbeitungsprozesses ab. Die Ausgestaltung der Blechoberfläche wird durch das dem Walzprozess folgende Dressieren bestimmt. Anhand der Untersuchungen konnten die wesentlichen Eigenschaften der Kontaktoberflächen, die das Reibverhalten des Tribosystems beeinflussen, ermittelt werden. Es wurden Bleche von einem Coil mit stufenweise unterschiedlichen Dressiergraden in Streifenzieh- und Stiftscheibeversuchen untersucht, wobei Werkzeuge mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten eingesetzt wurden. Ein wichtiger Teil der Arbeit stellt die anschließende Ermittlung des Anteils der Oberflächenstruktur am Reib- und Verschleißverhalten des Tribosystems dar. Bei einem Vergleich zweier unterschiedlicher Arten von Zinkbeschichtung, nämlich der reinen Zinkbeschichtung und der Zink-Magnesium-Beschichtung konnte beobachtet werden, dass eine Änderung der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung einen erheblichen Unterschied im Verhalten des jeweiligen Tribosystems zur Folge hat. Diese Erkenntnis ermöglicht weitere Einsichten hinsichtlich des Hauptmechanismus der Reibung beim Tiefziehen.

The work is dedicated to tribological system in deep drawing, more precisely to zinc coated sheet metal steel and tool steel with liquid lubricant at room temperature. In particular, the main focus is the connection between frictional and wear behaviors of the tribosystem and the composition and topology of the contacting surfaces. This is based on the general hypothesis that is friction and wear are the results of adhesion and ploughing. The investigation follows a modular experimental framework combining tribological experiments, surface analyses and mechanical testing. ... mehrAs an onset, the first part consists of a large overview of the main approaches for the characterization of friction and wear, the theory of friction mechanics as well as the existing friction modeling approaches, and characterization of wear including concept of third body. This is followed by the description of the applied methodology and materials for the investigation. The next parts present the results of the experiments which constitutes the main part of the work. In the first instance, the influence of surface topology on friction is considered. While topography of the surface of the used tool depends mostly on the type and quality of the finishing process, that of sheet metal surface depends considerably on skin-pass rolling. The outcome of the investigation allowed to identify important characteristics of the surfaces that play an important role in the frictional behavior of the corresponding tribosystem. To do so, sheet metal from coil that was subject to different skin-pass levels as well as tools with different surface finish were tested in strip drawing and pin-on-disk tests. In the second instance, the role of sheet metal surface structure in friction and wear constitutes another major part of the work. Related to that, comparison of two different types of zinc coating enabled to see that a small change in the chemical composition of the zinc coating can bring about substantial difference of friction and wear behavior of the corresponding tribosystem. This also allows to understand more the main mechanics that govern friction in deep drawing. For the study, pure zinc coating and zinc-magnesium coating are employed. Strip drawing and pin-on-disk tests are extensively performed along with surface analysis, topography measurement and mechanical testing.