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Stahl-Zentrum|1

Zielgerichtete Auswahl und Applikation von Umformschmierstoffen für den optimierten Einsatz in der Warmumformung

Tilo Reichardt, Delphine Rèche – VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Werkstoffwoche14-17.09.2015Dresden

14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Stahl-Zentrum|

Vortragsübersicht

2 14.05.2015

1. VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH2. Hintergrund – Schmiermitteleinsatz in der

Warmumformung3. Aufbau des Tribotherm Versuchsstandes4. Ausgewählte Ergebnisse5. Schlussfolgerung und Ausblick

T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Stahl-Zentrum


| 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH3

im Stahl-Zentrum Düsseldorf


Stahl-Zentrum|4 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

■ Privates Forschungsinstitut■ Gegründet 1968■ Gemeinnützige GmbH■ Gesellschafter: Stahlinstitut VDEh■ 115 Mitarbeiter, davon 75 % mit Hochschulausbildung■ Haushalt ca. 15 Mio €

■ Grundfinanzierung: VDEh-Zuschuss (bis zu 6%)■ Forschungsprojekte: Industrie, EU, National, Regional

VDEh-Betriebsforschungsinstitut (BFI)

Stahl-Zentrum|5 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Angewandte Forschung

Energie und Wärmetechnik

Chemie- und Strömungstechnik

Prozess- und Anlagentechnik

Prozessfluide und Wasserwirtschaft

Umwelttechnik und Kreislaufschließung

Qualitätssicherung und Informationstechnik

Automatisierungstechnik und Prozesssimulation

Analyse- , Mess-und Prüftechnik

Werkstoff- und Oberflächentechnik

Stahl-Zentrum|

Research Initiative for European Steel (RIES)

6 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

■ Virtuelles Netzwerk angesehener Stahl-Forschungsinstitute ■ Ziel : Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Stahlindustrie■ Enge Verbindung mit Eurofer, ESTEP und SPIRE

■ Koordinierung und Abstimmung der Forschungsaktivitäten■ Unabhängige Beratung zur Stahl-Forschung in Europa (Roadmaps, Agenden)■ Koordinierte Strategie gegenüber RFCS, EUBsp: F&E Themen für SPIRE, Grünbuch H2020, Konsultation EFR, RFCS-Kolloquien

Stahl-Zentrum|

Organisation BFI

7 29.09.2015 © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Qualitäts- und Informationstechniken

Holzknecht

Prozesstechnik Roheisen

Hauck

Prozessmess- und Prüftechnik

Köchner

Prozessautomatisierung Stahlerzeugung

Kleimt

Automatisierung Umform- und Veredelungsanlagen

Polzer

Strömungstechnik und Schmelzmetallurgie

Rödl

ProzesstechnikUmform- und Veredlungsanlagen

Reichardt

Industrieofen und Verbrennungstechnik

Stranzinger (kom.)

Gastechnik und Energiewirtschaft

Stranzinger

Prozesschemie und Ressourcentechnologie

EinsatzstoffeHensmann

Ressourcentechnologie Flüssige Medien

Kozariszczuk

Mess- undAutomatisierungstechnik

Peters

GeschäftsführungPatente, Lizenzen | Forschungsförderung | Personal | Finanz- und Rechnungswesen

Sievering / Peters / Poß / Buoncuore

ProzesstechnikReichardt

Energie- und Ressourcentechnik

Sievering (kom.)

Stahl-Zentrum|

Fachbereich „Prozesstechnik“


8 29.09.2015 Tilo.Reichardt© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Stahl-Zentrum|

Prozesstechnik

Prozess-Beschreibung und -optimierung

Prozess-Simulation und Modellierung

Prozessführung und angewandte Verfahrenstechnik

Entwicklung und Einführung neuer Technologien

29 Mitarbeiter – 23 Ingenieure, 6 Techniker

3 Fachabteilungen, Versuchsfeld, Chemisch-Physikalisches Labor

5 M€ Budget

ca. 30 geförderte F&E-Projekte pro Jahr

Vertragsforschung im Umfang von ca. 0,8 M€ pro Jahr


Stahl-Zentrum|

Prozessregelung

Energetische Optimierung

Prozessoptimierung

Prozess-überwachung

Prozesstechnik Roheisen

Intelligente Prozessführung

Spezialmessungen

Modellierung

Permeabilitätssonde

Durchsatzoptimierung

3 29.05.2013 · T. Hauck · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Stahl-Zentrum|

Physikalische Simulationsverfahr

en

Optimierung für Transport, Mischen, Trennen und Reaktion

Gaskonditionierung und -nutzung

Hallenbelüftung und -absaugung

Block- und Formguß

Luftreinhaltung und Staubabscheidung

Flüssig- und Erstarrungsmetallurgie

Anlagen-optimierung

Stahlerzeugung und Strangguß

Anlagen- und Prozessentwicklung

Strömungstechnik und Schmelzmetallurgie


Stahl-Zentrum|12

Verfahren zur Oberflächen-veredelung und

Oberflächencharakterisierung

Galvanotechnik und Elektrochemie Tribologie und Verschleiß

Prozesstechnik Umform- und Veredlungsanlagen

29.09.2015 Tilo.Reichardt© VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Anlagenmanagement

Prozessoptimierung

Zunderkonditionierung und Verzunderschutzsysteme

Stahloberfläche

Stahl-Zentrum|

Hintergrund – Situation beim Warmumformen

Einflüsse auf Produkt und Werkzeug■ Hoher thermischer und mechanischer

Verschleiß

■ Zyklische Erwärmung und Abkühlung erzeugt Spannung im Werkzeug

■ Überlastungen und normaler Verschleiß führen zur Oberflächenzerrüttung, Brandrissen, Abplatzungen und somit zu Oberflächendefekten

Lösungsansätze■ Hoher Kühlwassereinsatz zur Werkzeugkühlung

■ Verbesserte Walzenwerkstoffe

■ Einsatz von Verschleißschutzbeschichtungen

■ Schmiermitteleinsatz zur Verminderung lokaler Verschleißmaxima und Walzkraftverringerung

13 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Stahl-Zentrum|14 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Hintergrund – Verfügbare tribologische Tests

Testverfahren untersuchen die Eigenschaften bei Raum- oder leicht erhöhter Temperatur aber nicht im Hochtemperaturbereich

PIN & VEE test SRV-test plane strain compression test

Block-on-ring test Mini Traction Machine

Load scanner

EHL-test

Stahl-Zentrum|15

Entwicklung und Konstruktion eines Verschleißprüfstandes zur individuellen Untersuchung und Auswahl von Umformschmierstoffen für die Warmformgebung

■ Verfügbarkeit einer variablen tribologischen Versuchseinreichtung für Hochtemperaturanwendungen

■ Gezielte Auswahl von Schmierstoffen, Coatings und Werkstoffen für die Warmumformung

■ Individuelle Auswertung von Verschleißraten (garvimetrisch), Verschleißtopographie und Drehmoment als Indikator für Schmiermittelwirksamkeit


Zielstellung


InduktiveErwärmung

Drehmoment-erfassung

Frequenzgesteuerter Motoroberer und unterer Zylinder

Entwicklung der Tribotherm-Versuchsanlage

Tribotherm – Erste Konfiguration

Einheit Wert

Zylinderumdrehungen [U/min] bis 900

Schlupf – Verzahnung [%] Fix

Gewicht [kg] Bis 60 kg

Temperatur oberer Zylinder [°C] bis 850

Temperatur unterer Zylinder [°C] ~250

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8

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8,4

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Zeit in Sekunden

Dre

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Tem

pera

tur i

n °C

und

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l in

U/m

in

Druck Medium [bar]Drehmoment [Nm]Frequenz Motor [Hz]Drehzahl [U/min]Pyrometer TX [ｰC]

Erste Versuche – Auswertung

> 30 Sekunden

Run-in-Effekt, Stabiles Drehmoment unter bei gegebenen Testparametern

Tribotherm – Erste Versuche zur Kalibrierung

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Erste Versuche – Reproduzierbarkeit

8,0

8,2

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10,0

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325

Zeit in Sekunden

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pera

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n °C

und

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U/m

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Druck Medium [bar]Drehmoment [Nm]Frequenz Motor [Hz]Drehzahl [U/min]Pyrometer TX [ｰC]

Gute Reprodutierbarkeit der Versuchsergebnisse

Tribotherm – Erste Versuche zur Kalibrierung

Stahl-Zentrum|

40 mm

19 22.04.2015

Untersuchungen und betriebliche Einsätze mit guten Ergebnisse aber auch Nachteilen

Messzonen

T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Erste Versuchsreihen Tribotherm

Hoher mechanischer Verschleiß, Temperaturniveau und Materialabtrag inhomogen

Stahl-Zentrum|20

Tribotherm Neukonzept:

Antrieb untere Walze

Antrieb obere Walze

Drehmomentgeber untere Walze

Induktionsspule

Obere Walze (Versuchswerkstoff)

Untere Walze (Warmarbeitsstahl)

Belastungsgewichte

CAD-Zeichnung: Tribotherm vor dem Umbau


Stahl-Zentrum|

Frequenzgestuerte Motoren, individuell angesteuert

Bis 100 kg

oberer und unterer Zylinder

Induktive Erwärmung

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Drehmoment-erfassung

Tribotherm – Überarbeitung und Neukonzept

Einheit Wert

Zylinderumdrehungen [U/min] bis 900

Schlupf [%] Variabel

Gewicht [kg] bis 100

Temperatur oberer Zylinder [°C] bis 1000

Temperatur unterer Zylinder [°C] ~250



Stahl-Zentrum|22

Tribotherm - Beschreibung

■ Parametervariationenen- Zylinder

• Material• Rauhigkeit• Beschichtungen

- Schmiermittel• Art (Öl, Emulsion, Konzentration)• Durchfluss• Düsentyp (Flachstrahl, Vollkegel,….)

- Umfangsgeschwindigkeit- Schlupf- Flächenpressung

■ Das Drehmoment wird oben und unten kontinuierliche aufgezeichnet

Video of a Tribotherm test



Stahl-Zentrum|23

Tribotherm – Beispiele zur Versuchsauswertung

■ Drehmomentsverlauf

Testparameter:

• 300 U/min (kein Schlupf)• keine Schmiermittelaufgabe

Stabiles Drehmoment unter bei gegebenen Testparametern



Stahl-Zentrum|24

■ Einfluss des Schlupfes auf das Drehmoment

Das Drehmoment verhält sich analog zur Rollengeschwindigkeit

Testparameter:• 300 U/min obere Rolle• 285 – 315 U/min untere Rolle• Schlupf: -5% / 0% / 5% (2 Wiederholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz




Stahl-Zentrum|25

■ Einfluss der Umdrehungsgeschwindigkeit (600 oder 900 U/min)Testparameter:

• 600 U/min für obere Rolle• 570 - 630 U/min untere Rolle• Schlupf : -5% / 0% / 5% (2 Wiederholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz

Testparameter:

• 900 U/min für obere Rolle• 855 - 945 U/min für untere Rolle• Schlupf : -5% / 0% / 5% (2 Widerholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz

Drehmoment verhält sich analog zur Drehzahlver-änderung




Stahl-Zentrum|26

Testparameter:

• 900 U/min obere Rolle• 855 - 945 rpm für untere Rolle• Schlupf : -5% / 0% / 5% (2 Wiederholungen)• Kein Schmiermitteleinsatz

Anlagendurchwärmung bedingt einen temperarurbegingten Abfall des Drehmomentes – zusätzliche Kühlung und Temperaturmessungen erlauben die Vermeidung / Kompensation bei der Auswertung


■ Messungenauigkeiten Drehmoment



Stahl-Zentrum|27

■ Schmiereffekt auf das Drehmoment (mit Emulsion)

Schmiermitteleinsatz zeigt wesentlich stärken Effekt als Wasser Weitgehend stabile Temperatur bei Schmiermitteleinsatz

Testparameter:

• 300 U/min obere Rolle• 294 - 300rpm untere Rolle• Schlupf : 0% / 2% (“ Wiederholungen)• O/W-Emulsion (2% Öl)• Schmierung während 5, 10 and 15 s (2 Wiederholungen)




Stahl-Zentrum|28

Tribotherm – Schmiermitteleinsatz – Variation Durchfluss

Auswertung des Drehmoments als Indikator für die Schmiermittelwirksamkeit

Dehmomentsreduzierung nimmt mit erhötem Schlupf und Schmiermitteldurchfluß zu –Sättigung wird erreicht


Ausgewählte Ergebnisse

Testparameter:

• 300 U/min obere Rolle• Temperatur obere Rolle: 860 - 880°C• Schlupf: 0%-2%-5% (294 - 300 U/min untere Rolle) (2 Wiederholungen)• 10 s Schmierung in jederSchlupfeinstellung• Durchfluss Düse: 1,4 l/min bei 5 bar


Ausgewählte Ergebnisse

Tribotherm – Schmiermitteleinsatz – Variation KonzentrationDie Verminderung des Drehmoments wird als Indikator für die Schmiermittelwirksamkeit verwendet

Testparameter:

• 300 U/min obere Rolle• Temperatur obere Rolle: 860 - 880°C• Schlupf: 0%-2%-5% (294 - 300 U/min untere Rolle) (2 Wiederholungen)• 10 s Schmierung in jederSchlupfeinstellung• Variation Schmiermittelkonzentration0,%-1%-2%• Durchfluss Düse: 1,4 l/min bei 5 bar

Dehmomentsreduzierung nimmt mit steigendem Schlupf und steigenderSchmiermittelkonzentration zu

Stahl-Zentrum|30

Konstruktive Merkmale■ Temperaturen von bis zu 1000 °C können erreicht werden■ Die gezielte reproduzierbare Variation verschiedener Testparameter

ist möglich (Walzgeschwindigkeit, Flächenpressung, Schlupf) Anwendung der Tribotherm ■ Qualitativer Vergleich von Schmiermitteln für die Warmumformung

unter Variation von Durchfluss, Schmiermittelart und –konzentration,Düsenauswahl, etc…

■ Vergleich der Verschleißneigung und Verschleißentwicklung■ Bewertung der Oberflächentopographie und Rauheiten■ Transfer auf den industriellen Prozess

– Auswahl Schmiermittel, Konzentrationsniveau und Applikation in Abhängigkeit vom Umformgrad, Material und Materialfluss

Ausblick■ Gezielter Abgleich und Ergänzung vorhandener tribologischer Tests■ Weiterentwicklung der Anlage ist Bestandteil der laufenden Projekte

Tribotherm – Zusammenfassung


Zusammenfassung und Ausblick

Stahl-Zentrum| 14.05.2015 T.Reichardt · © VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Acknowledgements:

Die Arbeiten wurden gefördert durch den Research Fund for Coal and Steel (RFCS) der Europäischen Union (LPRollCoat, RFSR-CT-2010-00009, EfficientLubrication, RFS-CT-2013-00008) und demEuropäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) - Disper-Therm, 4200453852.

Kontakt:Dipl.-Ing. Tilo ReichardtTel.: +49 211 6707-308Fax: +49 211 [email protected]

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