DE102004011021A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus übereutekoidem Stahl - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere Gesenkschmiedeteils, aus übereutektoidem Stahl, wobei das Formteil, ausgehend von einem auf Umformtemperatur erwärmten Rohling bzw. abgetrennten Block, in einem oder mehreren Warmumformschritten mittels konturierter Werkzeuge erzeugt wird, umfassend die folgenden Schritte: DOLLAR A - Erwärmen des Rohlings bzw. des abgetrennten Blocks auf eine Temperatur im Bereich zwischen Ac¶1¶ minus 100 K und Ac¶m¶ oder zwischen A¶C1¶ und A¶Cm¶ DOLLAR A - Warmumformung in einem oder mehreren direkt aufeinander folgenden Schritten zur Erzeugung des Formteils unter Aufrechterhaltung des gewählten Temperaturbereiches DOLLAR A - Einhalten eines Vergleichsumformgrades von mindestens 0,8 an jeder beliebigen Stelle des Formteils DOLLAR A - Abkühlen des Formteils nach dem letzten Umformschritt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere Gesenkschmiedeteils aus übereutektoidem Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches i oder 2.
• Formteile sind in vielen Bereichen der Industrie, z. B. im Fahrzeugbau, gefordert, die mechanisch zu bearbeiten sind (Härte im Bereich zwischen 170 und 280 HB) und gleichzeitig eine gute Härtbarkeit aufweisen. Dies erfordert den Einsatz härtbarer Stähle, wie z. B. Wälzlagerstahl.
• Um die mechanische Bearbeitbarkeit sicher zu stellen, müssen im Stand der Technik die durch Gesenkschmieden bzw. Formpressen erzeugten Formteile, z. B. aus Wälzlagerstahl 100Cr6, weichgeglüht werden. Dazu ist ein zeitaufwendiger Glühprozess von > 12 Stunden erforderlich, um ein zur Weiterbearbeitung geeignetes Gefüge mit kugelig eingeformten Karbiden (GKZ-Gefüge) zu erzeugen. Dieser Vorgang des Weichglühens wird als GKZ-Glühen, d. h. Glühen auf kugelig eingeformten Zementit, bezeichnet. Darüber hinaus müssen die im GKZ-Zustand bearbeitbaren Formteile, z. B. induktiv härtbar sein. 1 zeigt den Fertigungsablauf des Gesenkschmiedens und GKZ-Glühens von übereutektoidem Stahl am Beispiel des Wälzlagerstahls 100Cr6 nach dem Stand der Technik.
• Der Rohling bzw. der Block wird nach dem Abtrennen von einem Vormaterialstrang auf eine Temperatur im Bereich von 1150 bis 1250 °C erwärmt und anschließend in einer Hitze warm umgeformt. Diese Umformung kann aus einem oder mehreren Schritten bestehen.
• Danach kühlt das Formteil auf Raumtemperatur ab. Nach dem Abkühlen schließt sich ein Weichglühen an, bestehend aus einer Erwärmung bis zu einer Temperatur unterhalb Ac₁, d. h. im Bereich von 710 bis 750 °C und einem Halten von mehr als 12 Stunden. Alternativ kann das Weichglühen ein Pendelglühen um die Ac₁-Temperatur sein.
• Nach dem Abkühlen des weichgeglühten Formteils auf Raumtemperatur liegt die Härte im Bereich von 170 bis 220 HB, so dass das Formteil gut für eine mechanische Bearbeitung geeignet ist. Nach der mechanischen Bearbeitung erfolgt üblicherweise eine Wärmebehandlung des Formteils, bestehend aus einem Härten aus dem Temperaturbereich oberhalb Ac₁ im Bereich von 830 bis 860 °C, sowie einem anschließenden Anlassen im Temperaturbereich zwischen 100 und 300 °C.
• Die Nachteile des GKZ-Glühens bestehen darin, dass dieses Weichglühen wegen der langen Zeiten teuer ist und zudem zu Maßverzug, Randentkohlung und Verzunderung führt. Neben diesen Nachteilen und dem Umstand, dass das Weichglühen zeit- und energieaufwendig ist, entsteht auch durch GKZ-Glühen ein Gefüge mit relativ groben Karbidteilchen, so dass nach der anschließenden Wärmebehandlung (Härten und Anlassen) im Endgefüge noch grobe Karbidausscheidungen vorhanden sind.
• Zum Erzielen einer optimalen Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen mit entsprechend langer Lebensdauer sollen jedoch die Karbidausscheidungen des Vergütungsgefüges möglichst klein und feindispers verteilt sein.
• Die DE 39 10 959 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelementes, bei dem das Weichglühen entfällt. Hierzu wird ein Rohling zunächst auf Austenitisierungstemperatur von 1150 °C erwärmt, so dass alle Karbide im Gefüge aufgelöst werden und dann bei dieser Temperatur, z. B. durch Schmieden, umgeformt. Anschließend wird das Formteil mit Gas auf Umgebungstemperatur rasch abgekühlt, so dass ein feines lamellares Perlitgefüge entsteht.
• Dieses Abkühlen erfolgt von 900 bis 650 °C mit einer Geschwindigkeit von etwa 40°C/min. In dem anschließend vorliegenden perlitischen Gefügezustand wird der Rohling mit einem keramikbeschichteten Drehmeißel grob bearbeitet und anschließend das Werkstück auf eine unterhalb der ursprünglichen Austenitisierungstemperatur liegende zweite Austenitisierungstemperatur von etwa 840 °C erwärmt und bei dieser Temperatur bis zur Entstehung eines homogenen Austenits mit gleichmäßig verteilten Sekundärkarbiden genügend lange, z. B. 20 Minuten, gehalten.
• Zum Erzielen einer ausreichenden Härte wird das Werkstück anschließend in Öl, Salz oder Wasser abgeschreckt und mittels einer Feinbearbeitung fertig gestellt.
• In der DE 195 13 314 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines warmgefertigten langgestreckten Erzeugnisses, insbesondere Stab oder Rohr, aus übereutektoidem Stahl, insbesondere Wälzlagerstahl, offenbart.
• Bei diesem Verfahren wird der Rohling bzw. die Einsatzlänge des Vormaterials auf eine Temperatur oberhalb Ac_m erwärmt, vorzugsweise > 1100 °C, und nach einem oder mehreren Umformschritten vor der Wiedererwärmung durch ein geregeltes Erwärmen oder Abkühlen auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches zwischen 650 und 700 °C eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Zwischenprodukt erzeugt.
• Anschließend erfolgt eine Wiedererwärmung auf eine Temperatur entweder unterhalb Ac₁ in einem Bereich > 650 °C jedoch ≤ 710°C im Zweiphasengebiet (α + Fe₃C) oder auf eine Temperatur oberhalb Ac₁ jedoch unter Acm in einem Temperaturbereich > 710 °C jedoch < 880°C im Zweiphasengebiet (γ + Fe₃C).
• Die abschließende Umformung im Reduzierwalzwerk wird in Bezug auf die Abkühlung sowie die gegebenenfalls zusätzliche Fremderwärmung so eingestellt, dass die Temperaturerhöhung im Walzgut bezogen auf die Anstichtemperatur gering bleibt und das Walzgut während der Umformung im Reduzierwalzwerk und bei Verlassen des Walzwerkes temperaturmäßig sich im Zweiphasengebiet befindet, wobei die Mindestumformung als Streckung ausgedrückt für die Gesamtumformung λ ≥ 1,5 und für die Mindest-Teilumformung im Einzelgerüst des Reduzierwalzwerkes λ RW ≥ 1,03 beträgt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines in einem oder mehreren Warmumformschritten erzeugten Formteils vorzuschlagen, das ohne GKZ-Glühen mechanisch bearbeitbar ist und gleichzeitig die geforderte Härtbarkeit aufweist.
• Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
• Nach der Lehre der Erfindung wird der Rohling entweder auf eine Temperatur im Bereich zwischen Ac₁ minus 100 K bis Ac_m oder auf eine Temperatur im Bereich zwischen Ac₁ und Ac_m erwärmt, d. h. in beiden Fällen im Zweiphasengebiet.
• Dabei liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, übereutektoiden Stahl im Unterschied zum bekannten Stand der Technik bei Temperaturen unterhalb der Ac_m-Temperatur wann umzuformen. Eine Vorumformung im homogenen Austenitgebiet oder ein Homogenisierungsglühen ist nicht erforderlich. Das spart Zeit und Energie.
• Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:
  Zunächst wird der Rohling bzw. der abgetrennte Block auf eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich 1 zwischen den Temperaturen Ac₁ minus 100 K und Ac_m erwärmt (siehe 2).
• Anschließend wird der Rohling bzw. der Block in einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Umformschritten innerhalb des Temperaturbereiches 1, d. h. in einer Hitze, mittels konturierter Werkzeuge umgeformt, wobei ein Formteil erhalten wird. Das Formteil weist eine konturierte Gestalt mit Bereichen sehr unterschiedlicher Vergleichsumformgrade auf, die an jeder beliebigen Stelle des Formteils mindestens 0,8 betragen müssen.
• Bei der Angabe des lokalen Vergleichsumformgrades von mindestens φ = 0,8 ist zu beachten, dass darunter nicht nur die Veränderung einer Erstreckungsrichtung, z. B. Höhe (In h₁/h₀) eines Volumenelementes verstanden wird, sondern die Breitung und Längung des Volumenelementes mit berücksichtigt wird. Diese Betrachtungsweise bietet sich immer dann an, wenn das Formteil ein komplexes Gebilde ist und nicht beispielsweise ein Stab mit nur einer wesentlichen Erstreckungsrichtung.
• Unmittelbar nach dem letzten Umformschritt wird das Formteil auf Raumtemperatur abgekühlt (2a) oder aber bei einer Temperatur von mindestens Ac₁ minus 80 K (Temperaturbereich 3, 2) gehalten und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt (2b). Vorzugsweise erfolgt das Abkühlen an ruhender Luft.
• Durch das vorgeschlagene Verfahren lässt sich trotz der diskontinuierlichen Umformung nacheinander in einzelnen konturierten Werkzeugen (Gesenken) ein Formteil herstellen, das ohne GKZ-Glühen mechanisch bearbeitbar ist (Härte im Bereich zwischen 240 und 280 HB) und gleichzeitig die geforderte Härtbarkeit aufweist.
• Überraschend dabei ist, dass sich wider Erwarten trotz der für eine Warmumformung erheblich abgesenkten Umformtemperatur nur sehr geringfügig erhöhte Presskräfte im Vergleich zum Gesenkschmieden nach dem Stand der Technik ergeben.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der übereutektoide Stahl ein Werkzeugstahl, vorzugsweise 100Cr6.
• Alternativ zum bereits beschriebenen Verfahren erfolgt das Umformen des Rohlings bzw. des abgetrennten Blocks in einem Temperaturbereich 2 zwischen Ac₁ und Ac_m (2).
• Sind mehrere direkt aufeinander folgende Umformschritte zur Herstellung des Formteils erforderlich, so wird dabei berücksichtigt, dass während der Abfolge von Umformschritten sowohl eine Abkühlung (Kontakt mit den eine niedrigere Temperatur aufweisenden konturierten Werkzeugen) als auch eine adiabate Erwärmung (innere Reibung bei der Umformung) des Formteils erfolgt und sichergestellt ist, dass die gesamte Umformung im gewählten Zweiphasengebiet abläuft.
• Durch diese genannte Maßnahme fassen sich besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die zu optimierenden Eigenschaften erzielen.
• Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein gesteuertes Abkühlen unmittelbar nach dem letzten Umformschritt in einem Ofen in einem Temperaturbereich 3 zwischen Ac₁ und Ac₁ minus 80K (2). Die Haltedauer des Formteils im Ofen beträgt bis zu 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 bis 50 Minuten. Durch Verwendung eines Ofens zur gezielten Führung der Abkühlbedingungen (Haltedauer und/oder Temperatur) lässt sich Einfluss auf die Härte des Formteils nehmen. Vorzugsweise wird das Formteil während der Haltedauer kontinuierlich durch den Ofen transportiert (Durchlaufofen).
• Alternativ ist es auch möglich, die Formteilhärte an einer vorgegebenen Stelle des Formteils gezielt einzustellen durch Variation der Erwärmungstemperatur im angegebenen Temperaturbereich 1 (2).
• Das Warmumformen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Teilschritte des Vorstauchens des Rohlings bzw. Blockes, des Warmumformens in einem Vor- und einem Fertiggesenk sowie des Abgratens und falls erforderlich des Lochens des Formteils umfassen.
• Das beschriebene Verfahren ist besonders kostengünstig zur Herstellung eines Formteils aus übereutektoidem Stahl, weil ein Gefüge erzeugt wird ohne ein dem Umformprozess nachgeschaltetes Weichglühen und das Gefüge eine mechanische Weiterbearbeitung und eine Endwärmebehandlung, insbesondere Härten (Druckhärten oder Oberflächenhärten), gestattet.
• Darüber hinaus entsteht ein Gefüge mit kleineren und fein dispers verteilten Karbiden im Vergleich zum herkömmlichen Gefüge eines warmumgeformten und anschließend GKZ-geglühten übereutektoiden Stahles (3), wodurch Vorteile hinsichtlich der Dauerfestigkeit des erzeugten Formteils bestehen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich die kleineren Karbidteilchen beim Erwärmen auf Härtetemperatur schneller auflösen, so dass die Haltedauer bei der Härtetemperatur verkürzt werden kann. Dies wiederum mindert außerdem den Grad der Entkohlung und verringert das Ausmaß der Verzunderung.
• Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren beschrieben:
• 9 Darstellung des Fertigungsablaufes beim Gesenkschmieden und GKZ-Glühen eines Formteils aus 100Cr6 gemäß dem Stand der Technik.
• 2 Darstellung des efindungsgemäßen Fertigungsablaufes beim Gesenkschmieden eines Formteils aus 100Cr6.
• 3 Vergleich der Gefüge von Formteilen aus 100Cr6, hergestellt nach dem Stand der Technik (a) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (b).
• 4 Ausführungsbeispiel einer Radnabe (Halbschnitt) mit Darstellung der Gefüge und Härte in verschiedenen Bereichen des Formteils, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• Das erfindungsgemäße sogenannte thermomechanische Formpressen bzw. Gesenkschmieden eines Formteils, vorzugsweise einer Radnabe, wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. in 2 ist hierzu der erfindungsgemäße Fertigungsablauf dargestellt.
• Zunächst wird der Rohling bzw. der Block nach dem Abtrennen eines Vormaterialstranges, beispielsweise einer Stange aus 100Cr6, induktiv auf 800 °C erwärmt und nach Durchwärmung anschließend sofort eine Warmumformung beginnend bei 800 °C durchgeführt. Diese Warmumformung umfasst in diesem Beispiel die Schritte Vorstauchen, Schmieden im Vorgesenk und Schmieden im Fertiggelenk.
• Bei der Festlegung der Umformschritte hinsichtlich der Geometrieabstufung des Formteils wurde berücksichtigt, dass an jeder beliebigen Stelle des Formteils ein Vergleichsumformgrad von mindestens 0,8 eingehalten wird.
• Als letzter Schritt wird das Abgraten des hergestellten Formteils (Radnabe) durchgeführt, wobei die Temperatur des Formteils nach dem Abgraten ca. 760 °C beträgt. Diese Temperatur liegt oberhalb Ac₁, so dass die gesamte Umformung einschließlich des Abgratens im gewählten Temperaturbereich 2 zwischen Ac₁ und Ac_m erfolgt.
• Unmittelbar nach dem Abgraten wird das Formteil in einen Durchlaufofen mit einer Temperatur von 720 °C gelegt. Diese Temperatur liegt im Bereich zwischen Ac₁ und Ac₁ minus 80K, d. h. im Temperaturbereich 3 (2). Die Haltedauer bei dieser Temperatur beträgt 20 Minuten. Anschließend wird das Formteil an ruhender Luft bis auf RT abgekühlt. Das Ergebnis ist eine Radnabe aus 100Cr6 mit einem Gefüge, das kleine und feindispers verteilte Karbide und eine Härte im Bereich von 240 bis 280 HB aufweist (4). Somit ist die so hergestellte Radnabe auch ohne das im Stand der Technik übliche GKZ-Glühen mechanisch bearbeitbar.
• Den Vergleich mit dem Gefüge eines gleichen Formteils (Radnabe), jedoch nach dem Stand der Technik durch Warmumformung bei 1150 °C, Abkühlen auf Raumtemperatur nach dem Abgraten und GKZ-Glühen hergestellt, zeigt 3.
• In mehreren Versuchen konnte die guten Härtbarkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Radnabe nachgewiesen werden.
• Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen thermomechanischen Umformens kann ein Gefüge hergestellt werden, das auch ohne einen teuren Langzeit-Glühprozess (GKZ-Glühen) eine nachfolgende mechanische Bearbeitung gestattet. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Verfahren gegenüber dem Stand der Technik Vorteile hinsichtlich der Dauerfestigkeit des Formteils aufgrund der kleineren und feindispers verteilten Karbide im Gefüge erzielen.
• Ein weiterer Vorteil besteht in der Verkürzung der Haltedauer bei Härtetemperatur, da sich die kleineren Karbidteilchen schneller auflösen.
• Sowohl durch die Variation der Erwärmungstemperatur im Temperaturbereich 1 zwischen den Temperaturen Ac₁ minus 100K und Ac_m und im Temperaturbereich 2 zwischen den Temperaturen Ac₁ und Ac_m wie auch durch ein gezieltes Abkühlen des Formteils nach dem letzten Umformschritt bzw. nach dem Abgraten und Lochen in Form einer sofortigen Abkühlung an ruhender Luft auf Raumtemperatur oder Halten des Formteils in einem Ofen bei einer Temperatur im Temperaturbereich 3 zwischen Ac₁ und Ac₁ minus 80K mit Haltezeiten bis 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 und 50 Minuten, lassen sich die Eigenschaften (Härte bzw. mechanische Bearbeitbarkeit und Härtbarkeit) beeinflussen und im Zusammenwirken sämtlicher Verfahrensparameter optimale Ergebnisse erzielen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere Gesenkschmiedeteils, aus übereutektoidem Stahl, wobei das Formteil ausgehend von einem auf Umformtemperatur erwärmten Rohling bzw. abgetrennten Block in einem oder mehreren Warmumformschritten mittels konturierter Werkzeuge erzeugt wird, umfassend die folgenden Schritte: – Erwärmen des Rohlings bzw. des abgetrennten Blocks auf eine Temperatur im Bereich zwischen Ac₁ minus 100K und Ac_m – Warmumformung in einem oder mehreren direkt aufeinander folgenden Schritten zur Erzeugung des Formteils unter Aufrechterhaltung des gewählten Temperaturbereiches – Einhalten eines Vergleichsumformgrades von mindestens 0,8 an jeder beliebigen Stelle des Formteils – Abkühlen des Formteils nach dem letzten Umformschritt.
2. Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere Gesenkschmiedeteils, aus übereutektoidem Stahl, wobei das Formteil ausgehend von einem auf Umformtemperatur erwärmten Rohling bzw. abgetrennten Block in einem oder mehreren Warmumformschritten mittels konturierter Werkzeuge erzeugt wird, umfassend die folgenden Schritte: – Erwärmen des Rohlings bzw. abgetrennten Blocks auf eine Temperatur im Bereich zwischen Ac₁ und Ac_m – Warmumformung in einem oder mehreren direkt aufeinander folgenden Schritten zur Erzeugung des Formteils unter Aufrechterhaltung des gewährten Temperaturbereiches – Einhalten eines Vergleichsumformgrades von mindestens 0,8 an jeder beliebigen Stelle des Formteils – Abkühlen des Formteils nach dem letzten Umformschritt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung nach dem letzten Umformschritt kontinuierlich auf Raumtemperatur an ruhender Luft erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil nach dem letzten Umformschritt in einem Temperaturbereich zwischen Ac₁ und Ac₁ minus 80K gehalten wird und abschließend die Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Halten in einem Ofen mit einer Haltezeit bis zu 60 Minuten erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Haltedauer zwischen 20 bis 50 Minuten beträgt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 4–6 dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil während der Haltezeit kontinuierlich durch den Ofen transportiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass der übereutektoide Stahl ein Wälzlagerstahl vorzugsweise 100Cr6 ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Warmumformen die Teilschritte umfasst: – Vorstauchen des Rohlings bzw. des abgetrennten Blocks – Umformen in einem Vorgesenk mit direkt anschließender Umformung in einem Fertiggesenk, – Abgraten, – gegebenenfalls Lochen des Formteils.
10. Mechanisch bearbeitbares Formteil aus 100Cr6 hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 1, 3–9 oder 2–9.
11. Formteil nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil eine Härte im Bereich 235 bis 280 HB aufweist.