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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen von Stahl.
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Es
ist bekannt, zur Herstellung einer Vielzahl von unterschiedlichen
Produkten Stahl zu bearbeiten, insbesondere umzuformen und anschließend zu
zerspanen.
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Dabei
ist bekannt, dass Stahl, bei welchem der Kohlenstoff zu großen Teilen
als globular eingeformter Zementit vorliegt, besonders gut zum Umformen
geeignet ist, da ein derartiger Stahl ein gutes Fließverhalten
aufweist. Allerdings ist ein derartiger Stahl weniger gut für Zerspanungsprozesse
geeignet, da sich beim Zerspanen lange weiche Späne ergeben.
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Es
ist bekannt, dass ein perlitisch-ferritischer Stahl mit hohem Anteil
an lamellarem Perlit besonders gut für Zerspanungsprozesse geeignet
ist, da aufgrund der beim Zerspanen anfallenen kleinen Späne ein guter
Spanbruch erzielt werden kann. Ein Schmieren bei der Zerspanung
bzw. Einlanger nicht brechender Span kann somit wirksam unterbunden werden.
Der perlitisch-ferritische Stahl weist im Vergleich zum Stahl mit
globular eingeformtem Zementit eine sprödere Kornstruktur auf, welche
für einen
besseren Spanbruch geeignet ist, während die duktilere Kornstruktur
des Stahls mit globular eingeformtem Zementit beim Umformprozess
die Rissneigung minimiert und während
der Umformung weniger stark verfestigt.
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Ein
Verfahren gemäß dem Stand
der Technik zum Umformen von Stahl sieht daher vor, den Stahl zunächst weich
zu glühen,
um Stahl mit globular eingeformtem Zementit zu erhalten, welcher für den Umformprozess
besonders gut geeignet ist. Der Stahl wird abgekühlt, in der Regel oberflächenbeschichtet und
kalt umgeformt, wobei die Oberflächenbeschichtung
als Schmiermittel während
der Kaltumformung dient. Bei Bedarf wird der Stahl anschließend wieder einer
Wärmebehandlung
unterzogen, um ein perlitisch-ferritisches Gefüge zu erhalten, welches sich
in einem anschließenden
Zerspanungsprozess gut verarbeiten lässt.
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Unter
einer Umformung soll im vorliegenden Fall eine Umformung mit einem
logarithmischen Umformgrad von mehr als 0,4 verstanden werden, da selbstverständlich sehr
geringe Umformungen mit einem deutlich kleineren Umformgrad auch
bei perlitisch-ferritischen
Stählen
vorgenommen werden kann. Der Umformgrad berechnet sich dabei aus dem
natürlichen
Logarithmus des Quotienten aus der aktuellen Querschnittsfläche zur
Ausgangsquerschnittsfläche
des entsprechenden Stahlstücks.
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Ein
derartiges Verfahren ist jedoch zeit- und kostenintensiv.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein vereinfachtes Verfahren
zum Umformen von Stahl bereitzustellen. Insbesondere besteht die
Aufgabe der Erfindung darin, ein vereinfachtes Verfahren zum Umformen
von Stählen
mit für
die Umformung ungünstigem
Gefüge
bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Umformung von perlitisch-ferritischem Stahl
möglich
ist, wenn dieser Stahl auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur
und unterhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt wird,
was eine überraschende
Erkenntnis darstellt, da bislang bekannt war, dass perlitisch-ferritischer
Stahl beim Kaltumformen Risse erhält und somit ein erhöhter Ausschuss
produziert wird, und somit aus diesem Grund zumindest ein Erwärmen auf
eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur vonnöten ist,
um diesen perlitisch-ferritischen Stahl in Stahl mit globular eingeformtem
Zementit umzuwandeln und dann umzuformen.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Umformung bei einer Temperatur unterhalb der
Blausprödigkeitstemperatur,
da eine derart geringe Temperatur bereits ausreicht, um ein Umformen
des perlitisch-ferritischen Stahls zu ermöglichen. Vorzugsweise erfolgt die
Umformung bei einer Temperatur zwischen etwa 100°C und 320°C.
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Besonders
bevorzugt wird der Stahl mit einem logarithmischen Umformgrad von
mehr als 0,8 umgeformt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit
starke Umformungen, bei welchen jedoch trotzdem keine Rissbildung
auftritt.
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Um
den perlitisch-ferritischen Stahl bereitzustellen, wird vorzugsweise
der Stahl durch Isothermglühen
behandelt.
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Vorzugsweise
kühlt der
Stahl im Anschluss an die Umformung zunächst ab, bevor der umgeformte
Stahl weiteren Behandlungsschritten unterworfen wird.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der abgekühlte Stahl
einem Zerspanungsprozess unterworfen, da der umgeformte Stahl ohne
weitere Behandlungs schritte die perlitisch-ferritische Struktur
aufweist, welche für
Zerspanungsprozesse besonders gut geeignet ist.
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Vorzugsweise
ist der perlitisch-ferritische Stahl ein untereutektoider Stahl,
d. h. ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,8%,
bei welchem die perlitisch-ferritische Struktur besonders ausgeprägt ist.
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Als
geeignete Stähle
haben sich insbesondere Vergütungsstähle oder
Einsatzstähle
wie beispielsweise C35, 42CrMo4, 41Cr4, 16MnCr5, 16MnCrS5, 20MnCr5,
20MnCrS5 oder 21MnCrS5herausgestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird anhand eines Ausführungsbeispieles
detaillierter beschrieben.
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Um
verschiedene Produkte, beispielsweise Antriebskegelräder, Ritzel,
Langschaftwellen oder Hohlwellen, herzustellen, wird ein Stahl mit
einem perlitisch-ferritischen Gefüge, welches insbesondere durch
isothermes Glühen
eines Stahls erhalten wurde, insbesondere in Form von Stangen, bereitgestellt.
Das Stangenmaterial wird in Kurzstücke gesägt oder geschert, welche ein
Volumen an Material bereitstellen, dass dem herzustellenden Pressteil
nahe kommt.
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Als
perlitisch-ferritischer Stahl wird insbesondere ein untereutektoider
Stahl, insbesondere ein Vergütungsstahl
oder ein Einsatzstahl wie beispielsweise C 35, 42CrMo4, 41Cr4, 16MnCr5,
16MnCrS5, 20MnCr5, 20MnCrS5, 21MnCrS5 oder ein Stahl mit ähnlicher
Zusammensetzung, verwendet.
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Das
Material wird gegebenenfalls oberflächenbehandelt und anschließend auf
eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb der Rekristallisationstemperatur
erwärmt.
Als Raumtemperatur wird üblicherweise
eine Temperatur zwischen etwa 18°C
und 25°C
bezeichnet. Die Rekristallisationstemperatur beträgt etwa
40% bis 50% der Schmelztemperatur eines Materials und liegt bei Stählen etwa
im Bereich von 500 bis 700°C.
Die Rekristallisationstemperatur darf nicht überschritten werden, damit
das perlitisch-ferritische Gefüge
des Stahls beibehalten wird. Vorzugsweise liegt die Temperatur,
auf die der perlitisch-ferritische Stahl erwärmt wird, jedoch unterhalb
der Blausprödigkeitstemperatur,
welche bei Stählen
etwa zwischen 200°C und
400°C liegt.
Insbesondere wird der Stahl auf eine Temperatur etwa zwischen 100°C und 320°C erwärmt.
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Der
auf diese Temperatur erwärmte
perlitisch-ferritische Stahl wird im warmen Zustand umgeformt, insbesondere
mit einem logarithmischen Umformgrad von mehr als 0,4, vorzugsweise
von mehr als 0,8. Trotz dieser großen Umformgrade ist eine Umformung
des perlitisch-ferritischen Stahls bei dieser Temperatur ohne Rissbildung
möglich.
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Der
umgeformte Stahl, d. h. das durch das Umformen erhaltene Pressteil,
wird anschließend
abgekühlt,
wobei die perlitisch-ferritische
Struktur beibehalten wird. Es liegt nun ein umgeformtes Produkt vor,
welches einem Zerspanungsprozess unterworfen werden kann, wobei
die Struktur mit dem lamellaren Perlit besonders geeignet für den Zerspanungsprozess
ist. Als weiterer Vorteil der Umformung des perlitisch-ferritischen
Stahls bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb
der Rekristallisationstemperatur hat sich herausgestellt, dass die
so umgeformten Stahlteile bei der spanenden Bearbeitung weniger
Verzug aufweisen als die Teile, die in Form von Stahl mit globular
eingeformtem Zementit umgeformt und anschließend durch einen Glühprozess
in perlitisch-ferritischen
Stahl umgewandelt wurden.
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Als
Ergebnis des Zerspanungsprozesses liegt das gewünschte Produkt, beispielsweise
Antriebskegelräder,
Ritzel, Langschaftwellen oder Hohlwellen, vor.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist mehrere Vorteile auf. Das durch das Verfahren hergestellte
Bauteil weist eine erhöhte
Bauteilfestigkeit aufgrund der verbleibenden Kaltverfestigung auf.
Im Vergleich zu einem Verfahren, bei welchem nach der Umformung
und vor der Zerspanung ein Glühprozess
durchgeführt
werden muss, um die gewünschte Struktur
des Stahls zu erhalten, weist das Bauteil ein beanspruchungsoptimiertes
Gefüge
auf. Durch die im Vergleich zur Kaltumformung leicht erhöhte Temperatur
wird die Fließspannung
abgesenkt, so dass ein besserer Werkstofffluss erreicht wird, was
zu einer geringeren Werkzeugbelastung führt. Durch die erhöhte Temperatur
bei der Umformung des Stahls ist es zudem möglich, scharfe, filigrane Nebenformelemente
auszuprägen.
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Aufgrund
der reduzierten Reibung und Flächenpressung
ergibt sich eine hohe Oberflächegüte des durch
das Verfahren hergestellten Bauteils.
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Da
die Temperatur jedoch im Vergleich zu den bekannten Verfahren geringer
ist, liegt ein geringerer thermischer Verschleiß der Werkzeuge vor und eine
Werkzeugkühlung
ist nicht zwingend erforderlich. Zudem zersetzen sich auch verwendete Schmierstoffe,
beispielsweise Schmierstoffe mit Molybdändisulfid, kaum, da lediglich
vergleichsweise geringe Temperaturen wie beispielsweise eine Temperatur
von etwa 320° verwendet
werden, welche noch nicht zu einer Zersetzung der Schmierstoffe führen.