DE102005027259A1 - Producing metal components by semi-hot forming of blanks made of an alloy with a superplastic structure comprises employing high strain rates at low pressures - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung von Rohteilen aus Legierungen mit superplastischem Gefüge, insbesondere von UHC-Stählen, Stählen, Al- oder Ti-Legierungen bei hohen Dehnraten, gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2.The The invention relates to a process for the production of metallic Components by semi-hot forming of blanks from alloys with superplastic structure, in particular of UHC steels, steels, Al or Ti alloys at high strain rates, according to the features of claims 1 and Second
Im Maschinenbau aber auch in der Kraftfahrzeugindustrie sind unterschiedlichste Formgebungsverfahren für die Herstellung komplex geformter Bauteile aus Metallen bekannt. Hierzu gehören unter anderem das Fließpressen, das Querwalzen, das Bohrungsdrücken, das Rundkneten, das Verzahnungswalzen, das Stauchkneten oder die Innenhochdruckumformung, sowie das Schmieden.in the Mechanical engineering but also in the automotive industry are very different Forming process for the production of complex shaped components made of metals known. These include including extrusion, the cross rolling, the hole pressing, the rotary swaging, the gear rolling, the swaging or the Hydroforming, as well as forging.
Werden diese Formgebungsverfahren bei geringen Temperaturen durchgeführt, so sind teils nur sehr langsame Umformgeschwindigkeiten erreichbar. Wird schneller umgeformt, so müssen die Umformdrücke auf sehr hohe Werte angehoben werden, die zu Lasten des Werkzeugverschleißes und der allgemeinen Werkzeugkosten gehen. Werden die Formgebungsverfahren dagegen im Hochtemperaturbereich, insbesondere bei Schmiedetemperatur durchgeführt, dann steigen die Werkzeugkosten erheblich an, da nur noch teure Hochtemperaturwerkzeuge, unter Umständen aus Keramik, verwendet werden können. Gegebenenfalls sind auch mehrstufige Verfahren erforderlich. Darüber hinaus werden die umzuformenden Rohteile in der Regel ohne besondere Vorkehrungen oxidativ geschädigt. Dies führt beispielsweise zur Verzunderung von Stählen oder zu starker Oxidation von Titanlegierungen. Vor der Weiterverarbeitung der hierdurch hergestellten Bauteile muss zumindest auf der Oberfläche nachbearbeitet werden.Become this shaping process carried out at low temperatures, so Sometimes only very slow forming speeds are achievable. If it is formed faster, it must the forming pressures be raised to very high levels at the expense of tool wear and the general tooling costs go. Be the molding process in contrast, carried out in the high temperature range, especially at forging temperature, then The tool costs increase significantly, since only expensive high-temperature tools, in certain circumstances made of ceramic, can be used. Where appropriate, multi-step procedures are required. Furthermore The reshaped blanks are usually without any special precautions oxidatively damaged. this leads to for example, for the scaling of steels or too strong oxidation of titanium alloys. Before the further processing of the components produced thereby must be at least on the surface be reworked.
Von weiterer wichtiger Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit der Formgebungsverfahren ist es, einen möglichst hohen Umformgrad entsprechend einer hohen Dehnung (ε) zu realisieren. Erst hierdurch werden auch komplex geformte Bauteile in einem einzigen Umformschritt verfügbar gemacht.From more important for The economy of the molding process is one of the best possible high degree of deformation corresponding to a high elongation (ε) to realize. Only then are even complex shaped components in a single Forming step available made.
Superplastische
Metalle bieten im Maschinenbau und der Kraftfahrzeugindustrie ein
hohes Potential, um Bauteile mit hohen Umformgraden herzustellen.
Superplastische Legierungen sind beispielsweise aus der
Unter Superplastizität wird die Fähigkeit eines Werkstoffes verstanden, beim Aufbringen nur sehr geringer Fliessspannungen ohne Einschnürung und praktisch keiner Kaltverfestigung Umformgrade zu ertragen, die gegenüber den bei den normalplastischen Werkstoffen üblichen etwa 10 bis 40% um einige 100 bis über 1000% aufweisen. Es tritt eine außerordentlich hohe Gleichmaßdehung auf. Ein wesentliches Merkmal des superplastischen Verhaltens von Werkstoffen ist die starke Abhängigkeit der Fliessspannung von der Dehngeschwindigkeit beziehungsweise Dehnrate (ε').Under superplasticity becomes the ability understood a material, when applying only very small Teflon tensions without constriction and Virtually no strain hardening to endure deformation, which compared to the usually about 10 to 40% in normal plastic materials some 100 to over 1000%. There is an extremely high Gleichmaßdehung on. An essential feature of the superplastic behavior of Materials is the strong dependence the flow stress of the strain rate or strain rate (Ε ').
Die superplastische Verformung verläuft über zeitlich gesteuerte Diffusionsprozesse, bei denen die sehr feinen und gleichmäßigen, häufig auch rundlichen Kristalllite aneinander vorbeigleiten und -rotieren. Daher ist ein nur enges Prozessfenster aus Temperatur und Umformgeschwindigkeit (Dehnrate (ε')) gegeben, um die Dehnwerte der superplastischen Umformung bei einigen 100 bis 1000 zu erreichen. Typisch sind hierbei eine erhöhte Umformtemperatur oberhalb ca. 50% der Schmelztemperatur und eine sehr geringe Umformgeschwindigkeit von etwa 10-2 bis 10-5 s-1 zu nennen.The superplastic deformation takes place over time controlled diffusion processes in which the very fine and uniform, often also roundish Slide Crystal Lite past each other and rotate. Therefore, one is only narrow process window of temperature and strain rate (strain rate (ε ')) given to the Elongation values of superplastic forming at some 100 to 1000 to reach. Typical here are an elevated forming temperature above about 50% of the melting temperature and a very low forming speed from about 10-2 to 10-5 to call s-1.
Für den Luft- und Raumfahrtbereich sind superplastische Titan-Legierungen von besonderem Interesse. So werden die Titan-Legierungen TiAl6V4 bei ca. 925°C und die Legierung TiAl5Fe2,5 bei 870°C umgeformt. Hierbei werden Drücke von etwa 10 bar, beziehungsweise 1 N/mm2 eingesetzt. Die für die superplastische Umformung erforderlichen Temperaturen bedingen Umformwerkzeuge mit einer guten Kriechbeständigkeit bei hohen Umformtemperaturen. Aufgrund der sehr großen Reaktivität von Titanlegierungen bei hohen Temperaturen muss die Umformung im Vakuum oder unter Schutzgas erfolgen. Da die Gefahr der Verschweißung des Werkstückes mit dem Werkzeug sehr groß ist, müssen die Werkzeuge geschützt werden.For aerospace applications, superplastic titanium alloys are of particular interest. For example, titanium alloys TiAl6V4 are transformed at about 925 ° C and TiAl5Fe2.5 at 870 ° C. In this case, pressures of about 10 bar, or 1 N / mm 2 are used. The temperatures required for superplastic forming necessitate forming tools with good creep resistance at high forming temperatures. Due to the very high reactivity of titanium alloys at high temperatures, the forming must be carried out in vacuo or under protective gas. Since the risk of welding the workpiece with the tool is very large, the tools must be protected.
Im Unterschied zur Luft- und Raumfahrtindustrie sind beim Maschinenbau und der Kraftfahrzeugindustrie massengefertigte Bauteile, insbesondere aus Stählen von großem Interesse. In der Massenfertigung spielt eine hohe Prozessgeschwindigkeit eine wesentliche Rolle, um die Kosten für die Massenfertigung gering zu halten. Die Umformgeschwindigkeiten der superplastischen Umformung sind für die Serienfertigung von Bauteilen in aller Regel aber nicht akzeptabel.in the Difference to the aerospace industry are in mechanical engineering and the automotive industry mass-produced components, in particular made of steels of great Interest. In mass production plays a high process speed an essential role to minimize the cost of mass production to keep. The forming rates of superplastic forming are for the Series production of components usually unacceptable.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, kostengünstige Verfahren für die Massenfertigung von hoch umgeformten metallischen Bauteilen aufzuzeigen.It is therefore an object of the invention, cost-effective method for mass production of highly formed metallic components.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch
ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung von Rohteilen
aus Legierungen mit superplastischem Gefüge, wobei der Umformdruck im
Umformwerkzeug mindestens 20 % unterhalb des zum Schmieden benötigten Umformdrucks
der entsprechenden Legierung gehalten wird und die Dehnrate (ε') der Halbwarm-Umformung
auf Werte oberhalb 0,1/s eingestellt wird,
sowie ein Verfahren
zur Herstellung von metallischen Bauteilen durch Halbwarm-Umformung
von Rohlingen aus Legierungen mit superplastischem Gefüge, wobei
die Dehnung (ε)
des Rohlings bei der Halbwarm-Umformung unterhalb von 50% der durch
eine superplastische Umformung erreichbaren Dehnungswerte und bei
Dehnraten (ε') durchgeführt wird, die
mindestens das 100 fache derjenigen für die superplastische Umformung
betragen. Der Umformdruck wird häufig
auch als entsprechende Fließspannung
bezeichnet.The object is achieved according to the invention by a method for the production of metallic components by means of semi-hot forming of blanks from alloys with a superplastic structure, wherein the forming pressure in the forming tool is kept at least 20% below the forming pressure of the corresponding alloy required for forging, and the strain rate (ε ') of the semi-hot forming is set to values above 0.1 / s,
and a method for the production of metallic components by semi-hot forming of blanks of alloys with superplastic structure, wherein the elongation (ε) of the blank in the half-warm forming below 50% of the achievable by a superplastic forming strain values and at strain rates (ε ' ) which is at least 100 times that for superplastic forming. The forming pressure is often referred to as the corresponding yield stress.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit das superplastische Gefüge von metallischen Legierungen dazu genutzt, bei gegenüber den maximalen Werten der superplastischen Umformung vergleichsweise geringen Dehnungen hohe Umformgeschwindigkeiten zu nutzen. Auf die hohen Dehnungen, die bei Umformung im superplastischen Gebiet möglich wären wird erfindungsgemäß zugunsten einer hohen Prozessgeschwindigkeit verzichtet.By the inventive method thus becomes the superplastic structure of metallic alloys used at opposite the maximum values of the superplastic forming comparatively low strains to use high forming speeds. On the high strains that would be possible in forming in the superplastic area in favor of the invention dispensed with a high process speed.
In aller Regel sind die metallischen Legierungen nach ihrer metallurgischen Herstellung nicht in einem Gefügezustand, der superplastische Eigenschaften aufweisen würde. Erst durch eine besondere thermo-mechanische Behandlung wird ein Gefüge ausgebildet, das superplastische Eigenschaften aufweist, im folgenden als superplastisches Gefüge bezeichnet. Um beispielsweise die ultrafeinen Kristalllite, bzw. Körner zu erreichen, die für die Superplastizität von UHC-Stählen erforderlich sind, müssen zwei Phasen ausgebildet werden, die ein Kornwachstum verhindern. Die entsprechenden Phasen sind Ferrit und Cementit oder weitere kohlenstoffreiche Phasen. Um dieses Gefüge einzustellen wird zunächst relativ homogenes Material aus Perlit hergestellt, das eine lamellare Mischung aus Ferrit und Cementit ist. In einem zweiten Schritt wird diese Perlit-Struktur in die superplastische Mikrostruktur umgewandelt, bei welcher die Carbide überwiegend shäroidisch (kugelförmig) und der Ferrit ultrafeinkörnig vorliegt.In Often the metallic alloys are after their metallurgical Production not in a structural state, which would have superplastic properties. Only through a special Thermo-mechanical treatment is a microstructure that is superplastic Has properties, hereinafter referred to as superplastic structure. For example, to reach the ultrafine crystal lites, or grains, the for the superplasticity of UHC steels are required two phases are formed, which prevent grain growth. The corresponding phases are ferrite and cementite or more carbon-rich phases. To set this structure is initially relatively homogeneous Material made of pearlite, which is a lamellar mixture Ferrite and cementite is. In a second step, this perlite structure becomes converted into the superplastic microstructure in which the Carbides predominantly shäroidisch (Spherical) and the ferrite ultrafine-grained is present.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit den Vorteil, dass sich für eine Vielzahl von Legierungen, insbesondere von hochfesten Stählen, eine erhebliche Reduzierung der Umformschritte erreichen lässt.The inventive method thus offers the advantage that, for a large number of alloys, in particular of high-strength steels, achieves a significant reduction of the forming steps.
Die Umformung kann bereits bei den mittleren Temperaturen der Halbwarm-Umformung durchgeführt werden. Dies sind Temperaturen deutlich unterhalb der Schmiedetemperatur der jeweiligen Legierung, was beispielsweise bei Stählen den Unterschied zwischen ca. 600-900°C und ca. 1200-1400°C ausmacht. Diese geringeren Temperaturen haben einen bedeutenden Vorteil für die Umformwerkzeuge, da nun in der Regel mit einfacheren Stahlwerkzeugen und nicht nur mit hochtemperaturfesten Stählen oder gar Keramikwerkzeugen gearbeitet werden kann.The Forming can already be done at the middle temperatures of the semi-warm forming carried out become. These are temperatures well below the forging temperature the respective alloy, which for example in steels the Difference between approx. 600-900 ° C and about 1200-1400 ° C accounts. These lower temperatures have a significant advantage for the forming tools, since now usually with simpler steel tools and not only with high-temperature-resistant steels or even ceramic tools can be worked.
Die geringeren Temperaturen bewirken zudem auch noch eine geringere Verzunderung, bzw. Oxidation der metallischen Oberflächen bei den herzustellenden Bauteilen. Dies kann je nach Legierung ein ganz erheblicher Vorteil sein.The Lower temperatures also cause even less Scaling, or oxidation of the metallic surfaces at the components to be produced. This can be a whole depending on the alloy be a significant advantage.
In der Regel sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch für komplexe Bauteile keine oder zumindest wesentlich reduzierte spanabhebende weitere Verfahrensschritte erforderlich, womit sich auch eine bessere Werkstoffausnutzung ergibt, Ebenso lassen sich gegebenenfalls als mehrere gesonderte hintereinender gelagerte Umformprozesse zu einem einzigen erfindungsgemäßen Umformprozess zusammenlegen. Die Prozesskette zur Erzeugung der fertigen Bauteile ist in vorteilhafter Weise verkürzt.In The rule with the inventive method for complex Components no or at least substantially reduced cutting another Process steps required, which also means a better material utilization Likewise, if appropriate, can be as several separate one after the other stored forming processes to a single forming process according to the invention fold. The process chain for the production of the finished components is shortened in an advantageous manner.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in dem vergleichsweise geringen Umform-Druck im Umformwerkzeug. Dies führt zu wesentlich verbesserten Standzeiten der Werkzeuge. Ebenso wird der Platzbedarf der Umformapparate verringert.One Another advantage of the method is in the comparatively low forming pressure in the forming tool. This leads to essential improved service life of the tools. Likewise, the space requirement reduced the forming.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, den Umform-Druck deutlich unterhalb des zum Schmieden benötigten Umform-Drucks der entsprechenden Legierung zu halten, wobei explizit außerhalb des superplastischen Bereiches gearbeitet wird. Die Temperatur der Halbwarm-Umformung entspricht zwar in der Regel dem Temperaturbereich in welchem Superplastizität beobachtet wird, dagegen ist die erfindungsgemäß gewählte Dehnrate deutlich außerhalb dem superplastischen Gebiet. Erfindungsgemäß wird die Dehnrate (ε') der Halbwarm-Umformung auf Werte oberhalb 0,1/s eingestellt und der Umform-Druck im Umformwerkzeug mindestens 20% unterhalb des zum Schmieden benötigten Umform-Drucks eingestellt. Der Druck zum Schmieden bezieht sich dabei auf die entsprechende Legierungszusammensetzung, die kein superplastisches Gefüge aufweist. Die Temperatur- und Druckbedingungen des Schmiedens entsprechen in der Regel denjenigen der Warmumformung.It is according to the invention provided the forming pressure well below that for forging required Forming pressure of the corresponding alloy to hold, being explicit outside the superplastic area is worked. The temperature of the Although semi-hot forming usually corresponds to the temperature range in what superplasticity is observed, however, the inventively chosen strain rate is clearly outside the superplastic area. According to the invention, the strain rate (ε ') of the semi-hot forming set to values above 0.1 / s and the forming pressure in the forming tool set at least 20% below the forming pressure required for forging. The pressure for forging refers to the corresponding one Alloy composition that does not have a superplastic structure. The temperature and pressure conditions of forging correspond usually those of hot forming.
Überraschenderweise lässt sich das superplastische Gefüge der Legierungen auch bei hohen Geschwindigkeiten der Umformung bei vergleichsweise geringem Prozessdruck umformen, Dabei ist der zur Umformung erforderliche Prozessdruck abhängig von der jeweiligen Legierung, der exakten Gefügeeinstellung und insbesondere auch von der Umformgeschwindigkeit. Prozessdruck und Umformgeschwindigkeit sind dabei gegenläufig.Surprisingly, the superplastic structure of the alloys can be formed at relatively low process pressure even at high speeds of deformation. The process pressure required for forming is dependent on the respective alloy, the exact Ge adjustment and in particular also of the forming speed. Process pressure and forming speed are in opposite directions.
Für UHC-Stähle mit superplastischem Gefüge wird bevorzugt bei einem Prozessdruck unterhalb von 150 bis 180 MPa und einer Umformgeschwindigkeit (Dehnrate (ε')) oberhalb von 0,1/s gearbeitet. Besonders bevorzugt wird ein Prozessdruck der Umformung unterhalb 100 bis 150 MPa gewählt. Die Auslegung des Prozesses kann auf geringen Prozessdruck oder auf hohe Umformgeschwindigkeiten optimiert werden. Besonders bevorzugte Umformungsgeschwindigkeiten liegen oberhalb 0,5/s. Für Al-Legierungen mit superplastischem Gefüge liegt die Dehnrate bei niedrigeren Drücken erheblich höher. Bevorzugt wird hier bei Drücken unterhalb 80 MPa und Dehnraten oberhalb 1/s gearbeitet.For UHC steels with superplastic structure is preferred at a process pressure below 150 to 180 MPa and a forming rate (strain rate (ε ')) worked above 0.1 / s. Especially a process pressure of the transformation below 100 to is preferred 150 MPa chosen. The design of the process can be based on low process pressure or be optimized for high forming speeds. Especially preferred Forming speeds are above 0.5 / s. For Al alloys with superplastic structure the strain rate is much higher at lower pressures. Prefers is pressed here at below 80 MPa and strain rates above 1 / s worked.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung ist vorgesehen, die Dehnung des Rohteils bei der Halbwarm-Umformung unterhalb von 50% der durch eine superplastische Umformung erreichbaren Dehnungswerte und bei Dehnraten (ε) durchzuführen, die mindestens das 100 fache derjenigen für die superplastische Umformung betragen. Hierbei wird explizit auf die hohen erreichbaren superplastischen Dehnungen verzichtet, zu Gunsten einer hohen Dehnrate, Dies entspricht den sehr vorteilhaften kurzen Prozesszeiten. Überraschenderweise kann mit den sehr hohen Dehnraten ein Umformgrad erreicht werden, mit dem sich auch komplexe Bauteilgeometrien erreichen lassen.In Another embodiment of the invention is provided, the elongation of the blank during the half-warm forming below of 50% of the elongation values obtainable by superplastic forming and at strain rates (ε) perform, at least 100 times that of superplastic forming be. This is explicitly based on the high achievable superplastic Elongated, in favor of a high strain rate, this corresponds the very advantageous short process times. Surprisingly, with the very high strain rates a degree of deformation can be achieved with the Even complex component geometries can be achieved.
Bei Stählen mit superplastischem Gefüge wird bevorzugt bei Dehnungen (Umformgraden) oberhalb 100% gearbeitet und besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 500. Unter den angegebenen Werten sind dabei über die Bauteilgeometrie gemittelte Werte zu verstehen. Die bevorzugten Dehnraten liegen in einem Bereich des 100 bis 1000fachen der für die superplastische Umformung erforderlichen geringen Dehnraten.at toughen becomes superplastic structure preferably worked at strains (degrees of deformation) above 100% and more preferably in the range of 100 to 500. Below the indicated values are over to understand the component geometry averaged values. The preferred ones Strain rates are in the range of 100 to 1000 times that for the superplastic Forming required low strain rates.
In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet die Halbwarm-Umformung in einem Temperaturbereich statt, der dem Prozessfenster für die superplastische Umformung entspricht. Das Prozessfenster ist im Wesentlichen durch die Parameter Temperatur, Dehnung und Dehnungsrate gegeben. Für Stähle, insbesondere UHC-Stähle liegt der bevorzugte Temperaturbereich bei 600-900°C, besonders bevorzugt bei 750 bis 850°C. UHC-Stähle mit Al-Gehalt oberhalb 2% werden besonders bevorzugt bei 800-950°C umgeformt. Die Al-Legierungen werden bevorzugt in einem Temperaturbereich von 300-400°C umgeformt.In a particularly preferred embodiment of inventive method the semi-warm forming takes place in a temperature range, the the process window for which corresponds to superplastic forming. The process window is essentially by the parameters temperature, strain and strain rate given. For steels, in particular UHC steels the preferred temperature range is 600-900 ° C, especially preferably at 750 to 850 ° C. UHC steels with Al content above 2% are particularly preferably at 800-950 ° C transformed. The Al alloys are preferably formed in a temperature range of 300-400 ° C.
Bevorzugt werden Legierungen verwendet, die für die entsprechende superplastische Umformung eine Dehnratensensitivität (m) oberhalb 0,4 aufweisen. Besonders bevorzugt werden Legierungen mit m > 0,7.Prefers Alloys are used for the corresponding superplastic Forming a strain rate sensitivity (m) above 0.4. Particularly preferred are alloys with m> 0.7.
Zu den bevorzugten Legierungen gehören diejenigen, deren maximale superplastische Dehnung oberhalb 500 liegt. Besonders bevorzugt werden Legierungen eingesetzt mit Dehnungen oberhalb 800%. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei der Umformung des Rohlings ohne Probleme Dehnungen im Bereich von 100 bis 400% erreicht werden können. Mit diesen Umformgraden lässt sich bereits ein sehr großer Bereich an technisch relevanten Bauteilen abdecken.To the preferred alloys include those their maximum superplastic elongation is above 500. Especially Alloys are preferably used with strains above 800%. This ensures that during the forming of the blank Strains in the range of 100 to 400% can be achieved without problems. With this degree of deformation leaves already a very big one Cover the area of technically relevant components.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Prozesszeit der Umformung auf Werte unterhalb 10 s eingestellt. Je nach gewähltem Umformverfahren liegt der bevorzugte Bereich zwischen 1 und 5 s. dabei sind die Prozessparameter wie Umformtemperatur und Prozessdruck entsprechend anzupassen. Niedrigere Umformzeiten sind ebenso möglich, sind aber nicht unbedingt erforderlich, da die Rüstzeiten für das Umformwerkzeug zu den geschwindigkkeitsbestimmenden Größen der Gesamtprozesszeit werden.In Preferred embodiment of the invention, the process time of Forming set to values below 10 s. Depending on the chosen forming process the preferred range is between 1 and 5 s. Here are the process parameters how to adapt forming temperature and process pressure accordingly. lower Forming times are also possible but not absolutely necessary, since the setup times for the forming tool to the speed - determining quantities of Total process time.
Bei den erfindungsgemäß bevorzugten Legierungen handelt es sich um Stähle, Al- und Ti-Legierungen.at the invention preferred Alloys are steels, Al and Ti alloys.
Besonders bevorzugt sind die Stähle ausgewählt aus den UHC-Stählen (Ultra High Carbon Stähle). Der C-Gehalt der Stähle liegt dabei oberhalb 0,9 Gew.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 1,2 bi 2%.Especially preferred are the steels selected from the UHC steels (Ultra High carbon steels). The C content of the steels is above 0.9 wt .-% and more preferably in the range from 1.2 to 2%.
Besonders geeignete UHC-Stähle weisen die folgenden Zusammensetzungen auf, wobei die Angaben in Gew.-% sind:
- – C: 0,9-2,2; Al: 1,5-10; Cr: 0,5-7; Mn 1-10; Rest Fe und Verunreinigungen
- – C: 0,9-2,2; Al: 1,5-10; Cr: 1-16; Mn 0-2,2; Rest Fe und Verunreinigungen
- – C: 0,9-2,2; Al: 1,5-10; Cr: 0,25-5; 0,5-5 Mo; Mn: 0-2; Rest Fe und Verunreinigungen
- – C: 0,9-2,2; Al: 1,5-3; Cr: 1-7; Si: 0,5-5%; Mn 0-2,2; Rest Fe und Verunreinigungen
- – C: 0,9-2,2; Al: 1,5-10; Cr: 1-7; Ni:0,25-5; Mn 0-2,2; Rest Fe und Verunreinigungen
- - C: 0.9-2.2; Al: 1.5-10; Cr: 0.5-7; Mn 1-10; Residual Fe and impurities
- - C: 0.9-2.2; Al: 1.5-10; Cr: 1-16; Mn 0-2.2; Residual Fe and impurities
- - C: 0.9-2.2; Al: 1.5-10; Cr: 0.25-5; 0.5-5 Mo; Mn: 0-2; Residual Fe and impurities
- - C: 0.9-2.2; Al: 1.5-3; Cr: 1-7; Si: 0.5-5%; Mn 0-2.2; Residual Fe and impurities
- - C: 0.9-2.2; Al: 1.5-10; Cr: 1-7; Ni: 0.25-5; Mn 0-2.2; Residual Fe and impurities
Typische
Vertreter der entsprechenden Gruppe sind:
1,3 C, 1.5 Al, 7
Cr, 0.5 Mn, Rest Fe,
1,3 C, 1.5 Al, 1 Cr, 2 Mo, 0. 5 Mn, Rest
Fe;
1,3 C, 1 Al, 3 Cr, 2 Si, 0.5 Mn, Rest Fe;
1,3 C, 1.5
Al, 4 Cr, 1 Ni, 0.5 Mn, Rest Fe;
1,3 C, 3 Al, 1.5 Cr, 2 Mn,
Rest Fe;
1,3 C, 7 Al, 3 Cr, 3 Mn, Rest Fe.Typical representatives of the corresponding group are:
1.3 C, 1.5 Al, 7 Cr, 0.5 Mn, balance Fe,
1.3 C, 1.5 Al, 1 Cr, 2 Mo, 0.5 Mn, balance Fe;
1.3 C, 1 Al, 3 Cr, 2 Si, 0.5 Mn, balance Fe;
1.3 C, 1.5 Al, 4 Cr, 1 Ni, 0.5 Mn, balance Fe;
1.3 C, 3 Al, 1.5 Cr, 2 Mn, balance Fe;
1.3 C, 7 Al, 3 Cr, 3 Mn, balance Fe.
Ein
weiterer gut geeigneter UHC-Stahl weist, neben Eisen und üblichen
stahlbegleitenden Verunreinigungen die folgenden Legierungsbestandteile
in Gew.-% auf:
0,8 bis 2,5% C,
0,1 bis 0,85 Sn,
3,5
bis 15% Al,
0,5 bis 4% Cr,
0,01 bis 4% Si,
bis zu
4% Ni, Mn, Mo, Nb, Ta, V, und/oder W, und
bis zu 3% an Ti,
Be und/oder Ga.Another well-suited UHC steel, in addition to iron and common steel-accompanying impurities, the following alloy components in wt .-%:
0.8 to 2.5% C,
0.1 to 0.85 Sn,
3.5 to 15% Al,
0.5 to 4% Cr,
0.01 to 4% Si,
up to 4% Ni, Mn, Mo, Nb, Ta, V, and / or W, and
up to 3% of Ti, Be and / or Ga.
Bevorzugt wird ein Al/C-Verhältnis oberhalb 2/1 gewählt. Besonders bevorzugt liegt dieses Verhältnis oberhalb 3/1.Prefers becomes an Al / C ratio chosen above 2/1. This ratio is particularly preferably above 3/1.
Einen weiteren Vorteil weisen die UHC-Stähle mit hohem Al-Gehalt auf. Dabei sind Al-Gehalte oberhalb ca. 3% zu verstehen. Durch das Al wird die Verzunderung des Stahls weiter zurückgedrängt. Beim Halbwarm-Umformen findet bei diesen Stählen in der Regel so wenig Oberflächenoxidation beziehungsweise Verzunderung statt, dass auf eine Oberflächennachbehandlung zur Entfernung der Zunderschicht verzichtet werden kann. Die nach dem Umformen erhältliche Oberfläche entspricht im wesentlichen dem gebrauchsfertigen Zustand.a Another advantage is the UHC steels with a high Al content. there Al contents above 3% are to be understood. By the Al will the scaling of the steel pushed further back. When warm-forming finds in these steels in usually so little surface oxidation or scaling instead of that on a surface aftertreatment can be dispensed with to remove the scale layer. The after available for forming surface is essentially the ready to use state.
Aufgrund ihres Al-Gehaltes sind die aufgeführten UHC-Stähle nicht auf eine besondere Schutzgasatmosphäre angewiesen. Die Halbwarm-Umformung findet daher bevorzugt unter Luftzutritt statt.by virtue of their Al content, the listed UHC steels are not rely on a special protective gas atmosphere. The half-warm forming Therefore, preferably takes place under air access.
Die Umformung der Ti-Legierungen wird dagegen typischerweise unter Schutzgas, insbesondere unter Ar durchgeführt.The Conversion of the Ti alloys, however, is typically under protective gas, especially under Ar.
Als weiterer Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt und ohne Al kann für das erfindungsgemäße Verfahren die folgende Zusammensetzung gewählt werden (Angaben in Gew.%): C < 0,05%, Si < 1,2%, Mn < 2,8%, Cr: 15-23%, Ni: 3-9%, Mo: 1-1,9%, N: 0,09-0,25%, Rest Fe und Verunreinigungen.When Another low-carbon steel and Al-free steel can be used for the process according to the invention the following composition will be chosen (In% by weight): C <0.05%, Si <1.2%, Mn <2.8%, Cr: 15-23%, Ni: 3-9%, Mo: 1-1.9%, N: 0.09-0.25%, remainder Fe and impurities.
Zu den besonders geeigneten Al- oder Ti-Legierungen zählen die folgenden in Gew.% angegebenen Zusammensetzungen:
- – 70-79 Zn, Rest Al;
- – 6-8 Al, 4-6 V, Rest Ti;
- – 4-6 Al, 2-3 Fe, Rest Ti.
- - 70-79 Zn, balance Al;
- 6-8 Al, 4-6 V, balance Ti;
- - 4-6 Al, 2-3 Fe, balance Ti.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in bevorzugter Weise als near-net-shape Verfahren geführt, so dass das Bauteil nach der Umformung in möglichst gebrauchsfertigem Zustand anfällt und nur noch gegebenenfalls an besonderen Funktionsflächen nachbearbeitet werden muss. Des weiteren ist es zweckmäßig die Prozesswärme der Halbwarm-Umformung zu nutzen, um das geeignete Gefüge des Bauteils einzustellen. Dabei wird das Bauteil nach der Umformung geregelt abgekühlt. Stähle und Al-Legierungen werden dabei in bekannter Weise beim Abkühlen gehärtet. Da sich an die Halbwarm-Umformung kein weiterer formgebender Prozessschritt mehr anschließt, wird diese Vorgehensweise erst möglich. Im Vergleich hierzu ist beim konventionellen Vorgehen diese Vorgehensweise ungeeignet, da formgebende Schritte, beispielsweise durch Drehen oder Bohren, zweckmäßigerweise nur am ungehärteten Bauteil durchgeführt werden; die Härtung wird nach der abschließenden Formgebung durch einen weiteren thermischen Prozessschritt durchgeführt.The inventive method is preferably performed as a near-net-shape method, so that the component after the forming in as ready as possible state accrues and only if necessary post-processed on special functional surfaces must become. Furthermore, it is expedient the process heat of Use semi-hot forming to create the appropriate microstructure of the component adjust. The component is regulated after forming cooled. steels and Al alloys are cured in a known manner during cooling. Because of the warm-warming transformation no further shaping process step will follow this approach is possible. In comparison, this procedure is the conventional procedure unsuitable because shaping steps, for example by turning or drilling, conveniently only on the unhardened Component performed become; the hardening will after the final Shaping performed by a further thermal process step.
Zu den bevorzugten Verfahrensvarianten der Halbwarm-Umformung gehören das Fließpressen, das Querwalzen, das Bohrungsdrücken, das Rundkneten, das Verzahnungswalzen, das Stauchkneten, das Schmieden oder die Innenhochdruckumformung, die im wesentlichen hinsichtlich der Prozesstemperatur und des Prozessdrucks auf das erfindungsgemäße Verfahren angepasst werden.To the preferred process variants of the semi-warm forming include the Extrusion, the Cross rolling, the hole pressing, rotary swaging, gear rolling, swaging, forging or hydroforming, which is essentially in terms of the process temperature and the process pressure on the inventive method be adjusted.
Durch die Kombination des erfindungsgemäßen Halbwarm-Umformens mit den bekannten Formgebungsverfahren lassen sich Getriebewellen, Fließpressteile, Schmiedeteile oder Gesenkschmiedeteile herstellen, wie sie sonst nur in mehreren Prozessschritten, mit höheren Anlage- oder Betriebskosten zugänglich sind.By the combination of the invention warm forming with the known shaping method can be gear shafts, extrusions, Make forgings or drop forged parts, as otherwise only in several process steps, with higher investment or operating costs are accessible.
Durch das erfindungsgemäße Halbwarm-Fließpressen werden bevorzugt unterschiedlichste Massenbauteile des Maschinenbaus gefertigt. Hierzu gehören beispielsweise Zahnräder, Ritzel, kurze Profilteile und so weiter.By the inventive semi-hot extrusion are preferred most diverse mass components of mechanical engineering manufactured. These include for example gears, Pinion, short profile parts and so on.
Im Folgenden sollen die unterschiedlichen Verfahren der Halbwarm-Umformung am Beispiel von Getriebehohlwellen beispielhaft erläutert werden.in the Following are the different methods of semi-warm forming be explained by way of example of transmission hollow shafts example.
Zu
den besonders geeigneten Verfahren gehört das Querwalzen. Die bekannten
Verfahren sind dabei lediglich an die Verfahrensparameter des erfindungsgemäßen Halbwarm-Verfahrens
anzupassen. Beispielsweise wird in der
Durch das erfindungsgemäße Halbwarm-Fließpressen lassen sich Vollwellen mit gebrauchsfertigen Oberflächen anspruchsvoller Oberflächengeometrie herstellen. So ist es auch möglich bereits Zahnräder auf der Oberfläche vorzusehen. Insbesondere können in diesem Verfahrensschritt auch mehrere Zahnradkränze unabhängig voneinander eingebracht werden. In einem anschließenden Prozessschritt ist das Ausbohren der Vollwelle zur Hohlwelle erforderlich.By the inventive semi-hot extrusion Solid waves can be more demanding with ready-to-use surfaces surface geometry produce. So it is possible already gears on the surface provided. In particular, you can in this process step, several gear rings independently be introduced. In a subsequent process step this is Boring the solid shaft to the hollow shaft required.
Das Querwalzen von Getriebewellen aus Stahl kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit sehr produktiven Taktzeiten von 1 bis 5 s erfolgen. Die Temperatur der Halbwarm-Umformung ermöglicht es, die Stahlwellen mittels Stahlwerkzeugen umzuformen. Bevorzugt werden hohle Getriebewellen hergestellt; entweder aus Vollwellen mit nachträglichem Ausbohren oder aus Rohren. Dabei ist es erforderlich, dass die Innenkontur des Rohres beim Querwalzen gestützt wird. Dies kann durch Dorne, insbesondere bewegliche Dorne erfolgen. Aufgrund der geringen Prozesstemperatur können auch die Dorne aus preisgünstigen Stählen hergestellt werden. Im Vergleich zum gängigen Querwalzen können erheblich dickwandigere Rohre als Vormaterial eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Querwalzen die gesamte Außenkontur der Getriebewelle in gebrauchsfertigem Zustand eingebracht. Die Außenkontur kann beispielsweise Zahnräder tragen, die während dem Halbwarm-Querwalzen eingebracht werden.The Cross rolling of transmission shafts made of steel can be by the method according to the invention with very productive cycle times of 1 to 5 s take place. The temperature the semi-warm forming possible to reshape the steel shafts using steel tools. Prefers hollow gear shafts are manufactured; either from full waves with afterthought Drilling or pipes. It is necessary that the inner contour of the pipe during cross rolling becomes. This can be done through mandrels, in particular movable mandrels. Due to the low process temperature, the mandrels can also be made from low-cost toughen getting produced. Compared to the usual cross rollers can significantly thicker-walled tubes are used as starting material. Especially in the transverse rolling according to the invention, the whole is preferred outer contour the gear shaft inserted ready for use. The outer contour for example, gears wear that while the semi-warm cross rolling be introduced.
Gegebenenfalls wird beim Querwalzen noch nicht die fertige Oberflächenstruktur der Rohraußenseite eingebracht, sondern erst in einem danach folgenden Prozessschritt des Halbwarm-Radialschmiedens. Hierdurch lassen sich größere geometrische Freiheitsgrade insbesondere auch in der Wellen-Innenkontur realisieren.Possibly when cross rolling is not yet the finished surface structure the outside of the pipe but only in a subsequent process step of warm-water radial forging. This allows greater geometric degrees of freedom especially in the shaft inner contour realize.
Für die Herstellung von Getriebewellen mit Wandstärkenvergrößerung im Bereich der Flansche wird konventionell ein Kombinationsverfahren aus Rundkneten und Stauchkneten bei Raumtemperatur verwendet.For the production of gear shafts with wall thickness increase in Range of flanges is conventionally a combination method from rotary swaging and upset kneading used at room temperature.
Beim erfindungsgemäßen Halbwarm-Stauchkneten (oder axial-radial-Umformen) kann die Getriebewelle in einem einzigen Verfahrensschritt mit hoher Präzision und mit komplexer geometrischer Ausgestaltung hergestellt werden. Während beim konventionellen Verfahren mehrfach erwärmt und zum Flansch gestaucht werden muss, beziehungsweise mehrmaliges Aufspannen zum Reduzieren des langen und des kurzen Wellenschaftes erforderlich ist, kann beim erfindungsgemäßen Halbwarm-Rundkneten/Stauchkneten in einem Prozessschritt die gesamte Umformung erfolgen. Gegebenenfalls können in demselben oder einem darauf folgenden Halbwarm-Umformschritt durch geeignete Werkzeuge noch Zahnräder eingebracht werden.At the inventive semi-hot upset kneading (or axial-radial forming) can the transmission shaft in a single process step with high precision and manufactured with complex geometric design. While In the conventional process, heated several times and compressed to the flange must be, or repeated clamping to reduce of the long and short shaft shaft may be required in the inventive semi-hot rotary swaging / upset kneading in one process step, the entire transformation takes place. Possibly can in the same or a subsequent semi-warm forming step By suitable tools still gears are introduced.
Die Umformgrade des erfindungsgemäßen Verfahrens reichen in aller Regel dazu aus, auf den Getriebewellen bereits Zähne der üblichen Geometrie und Tiefe einzubringen.The Forming degrees of the method according to the invention Usually enough, already on the gear shafts Teeth of the usual Geometry and depth to bring.
Bei höchsten geometrischen Ansprüchen kann es aber auch zweckmäßig sein, Zahnräder oder andere Oberflächenstrukturen durch spanabhebende Verfahren, wie Drehen oder Fräsen oder durch elektrochemische Verfahren, wie beispielsweise das PECM-Verfahren aufzubringen. Eine Grob-Kontur kann in jedem Falle mittels des Halbwarm-Umformens schon vorgesehen werden und den Arbeitsaufwand der Feinbearbeitung erheblich erleichtern.at highest geometric claims can but it also be appropriate gears or other surface structures by machining, such as turning or milling or by electrochemical methods, such as the PECM method applied. A coarse contour can in any case by means of the semi-warm forming already be provided and the workload of fine machining considerably easier.
Eine weitere Verfahrensvariante stellt die Halbwarm-Innenhochdruckumformung dar. Zur Herstellung einer Hohlwelle wird an das Ausgangsrohr ein Innendruck angelegt und der Werkstoff in Richtung der Rohrlänge nachgeführt. Beim konventionellen Verfahren für typische Getriebewellen sind Druckverhältnisse von bis zu 10000 bar erforderlich, was eine kostengünstige Massenfertigung nicht möglich macht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reichen dagegen für Getriebewellen bereits Prozessdrücke um 1000 bis 3000 bar aus. In der Regel müssen Zahnräder in einem weiteren Prozessschritt eingebracht werden.A Another variant of the method is the half-warm hydroforming. For the production a hollow shaft is applied to the output tube an internal pressure and the material tracked in the direction of the tube length. In the conventional method for typical Transmission shafts are pressure conditions required up to 10,000 bar, which is a cost-effective mass production not possible. With the method according to the invention rich against it for Transmission shafts already process pressures around 1000 to 3000 bar. As a rule, gears have to be in a further process step be introduced.
Für das erfindungsgemäße Halbwarm-Umformen können die bekannten Grundverfahren auch in geeigneter Weise kombiniert beziehungsweise nacheinander ausgeführt werden. Insbesondere weisen die bereits umgeformten Bauteile noch erhebliche Dehnungsreserven auf, da in jedem der erfindungsgemäßen Umformschritte nur ein Bruchteil der maximal möglichen Dehnung durchgeführt wird. Erst nach mehreren Umformschritten wird die maximale superplastische Dehnung erreicht. Je nach verwendeter Legierung ist es dabei erforderlich Prozessschritte unmittelbar aufeinander folgen zu lassen, damit kein Umkristallisieren der superplastischen Gefüge durch Abkühlen und Wiederaufheizen erfolgen kann.For the inventive semi-warm forming can the known basic method also combined in a suitable manner or be executed sequentially. In particular, show the already formed components still have considerable expansion reserves on, since in each of the forming steps according to the invention only one Fraction of the maximum possible Stretching performed becomes. Only after several forming steps is the maximum superplastic Elongation reached. Depending on the alloy used, it is required Process steps to follow each other directly so that no recrystallization of the superplastic structure by cooling and Reheating can be done.
Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, zunächst durch Halbwarm-Fließpressen aus Vollmaterial einen Rohling einer Getriebewelle herzustellen und diesen dann mittels Halbwarm-Bohrungsdrücken zu einer Hohlwelle mit feiner Innen- und mit Außenkontur umzuformen. Dabei kann insbesondere die Innenkontur bereits die gebrauchsfertige Kontur sein, wodurch ansonsten aufwändige oder gar unmögliche Nachbearbeitung im Inneren entfällt.For example, it may be expedient first to produce a blank of a gear shaft by means of semi-hot extrusion of solid material and then to convert this by means of semi-hot bore pressures into a hollow shaft with fine inner and outer contours. In particular, the In nenkontur already be the ready-to-use contour, eliminating otherwise elaborate or even impossible post-processing inside.
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