DE102009033647B3

DE102009033647B3 - Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück und Werkstück

Info

Publication number: DE102009033647B3
Application number: DE200910033647
Authority: DE
Inventors: Markus Bergmann; Mike Popp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-07-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück, wobei zumindest eine Drückrolle über einen Umfang des zylindrischen Werkstücks abrollt und in radialer Richtung des zylindrischen Werkstücks zugestellt wird derart, dass die abrollende Drückrolle in einer Kontaktzone in einen oberflächennahen Bereich des Werkstücks eindringt und das Werkstück dehnt, wobei die Korngröße in einem Randbereich, der sich von der Oberfläche des Werkstücks mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers des zylindrischen Werkstücks in Richtung des Werkstückinneren erstreckt, im Vergleich zur Korngröße im Werkstückinneren verringert wird, sowie ein Werkstück.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück. Ebenfalls betrifft die vorliegende Erfindung ein massives, zylindrisches Werkstück, das insbesondere gemäß dem zuvor genannten Verfahren hergestellt wird.
Plastische Verformungen, beispielsweise die Kaltverfestigung bei Umformprozessen, bieten die Möglichkeit, metallische Werkstoffe in ihren Eigenschaften anzupassen. Bei sehr hohen Verformungen wird die Mikrostruktur des Werkstoffs verändert, so dass es zu einer extremen Kornfeinung kommen kann.
Werkstoffe mit Korngrößen oberhalb von 1 μm werden als feinkörnige bzw. darüber hinaus als grobkörnige Werkstoffe bezeichnet, Werkstoffe mit Korngrößen unterhalb von 1 μm werden als ultrafeinkörnige Werkstoffe bezeichnet, und Werkstoffe mit Korngrößen unterhalb 100 nm werden als nanokristalline Werkstoffe bezeichnet.
Ultrafeinkörnige Werkstoffe zeichnen sich durch eine Reihe von besonderen Eigenschaften aus. Insbesondere die Festigkeit wird durch die Einstellung eines feinkörnigen Gefüges erhöht. Die Festigkeitszunahme wird durch die Behinderung der Versetzungsbeweglichkeit durch die ansteigende Anzahl der Korngrenzen und durch die hohe Versetzungsdichte hervorgerufen.
Hinsichtlich der Umformbarkeit werden an verschiedenen feinkörnigen Werkstoffen superplastische Eigenschaften beobachtet, d. h. die Werkstoffe können bei extrem langsamer Dehngeschwindigkeit und Temperaturen von 60 bis 70% ihrer Schmelztemperatur auf ein Vielfaches ihrer Ausgangslänge gedehnt werden. Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen haben im feinkörnigen Zustand eine erhöhte Risswachstumsneigung, die Rissinitiierung ist jedoch verzögert.
Zur gezielten Gestaltung der Eigenschaften von ultrafeinkörnigen Werkstoffen werden verschiedene Ansätze verfolgt.
Ein Ansatz besteht in der Umformung des Werkstoffs mit niedrigen Umformgraden, um eine nicht vollständige Kornfeinung zu erreichen. Körner der Größe von unter 1 μm und gröbere Körner liegen undefiniert verteilt nebeneinander vor. In diesem Zusammenhang spricht man von einer bimodalen Mikrostruktur, die sich werkstoffmechanisch in einer Erhöhung der Streckgrenze bei Erhalt hoher Zähigkeit niederschlägt.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, mittels Hochverformung (severe plastic deformation) die Struktur im gesamten Werkstückquerschnitt zu modifizieren. Zielstellung dieser Verfahren ist die Herstellung ultrafeinkörniger bzw. nanokristalliner, massiver Halbzeuge aus fein- bzw. grobkörnigen Halbzeugen, wobei eine Kornfeinung des gesamten Querschnitts erfolgt.
Generell sind Verfahren der Hochverformung dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umformschritte mit jeweils relativ hohen Umformgraden durchgeführt werden. Zur Erzielung sehr hoher Umformgrade und damit zur Einstellung eines ultrafeinkörnigen Gefüges, wird der Werkstoff mehrfach durch einen Winkel gepresst (Equal Channel Angular Pressing), in gegensätzlichen Richtungen mehrfach reduziert bzw. gestaucht, oder verdrillt.
Nachteilig bei den oben genannten Verfahren der Hochverformung ist es jedoch, dass diese in der Prozessbeherrschung anspruchsvoll sowie gewöhnlich diskontinuierlich und somit sehr zeit- und kostenintensiv sind, was ihre Anwendung im industriellen Maßstab begrenzt. Ebenfalls ist es von Nachteil, dass immer der gesamte Werkstoffquerschnitt einer Kornfeinung unterworfen wird.
Die WO 2005/016569 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers, bei dem durch Kaltverformung mittels Drückrollen ein sehr feinkörniges Gefüge erhalten wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück anzugeben, um die Korngröße in Teilbereichen des Werkstücks gezielt zu verändern, sowie ein entsprechendes Werkstück.
Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück, wobei zumindest eine Drückrolle über einen Umfang des zylindrischen Werkstücks abrollt und in radialer Richtung des zylindrischen Werkstücks zugestellt wird derart, dass die abrollende Drückrolle in einer Kontaktzone in einen oberflächennahen Bereich des Werkstücks eindringt und das Werkstück dehnt, wobei die Korngröße in einem Randbereich, der sich von der Oberfläche des Werkstücks mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers des zylindrischen Werkstücks in Richtung des Werkstückinneren erstreckt, im Vergleich zur Korngröße im Werkstückinneren verringert wird.
Hierdurch ist es möglich, die Korngröße in Teilbereichen des Werkstückquerschnitts gezielt zu verändern. Ferner wird durch den Einsatz der Drückrolle die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert, da beispielsweise im Vergleich zum Equal Channel Angular Pressing die auftretenden Kräfte verringert werden, indem Gleitreibung durch Rollreibung ersetzt wird.
Vorzugsweise wird die Korngröße durch die Drückrolle in einer Walkzone, ausgehend von der Oberfläche des Werkstücks bis zu 50% des Ausgangsdurchmessers des zylindrischen Werkstücks in Richtung des Werkstückinneren, verringert.
Vorzugsweise wird die Korngröße im Randbereich oder in der Walkzone des Werkstücks auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 1 μm verringert.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Korngröße im Randbereich oder in der Walkzone des Werkstücks auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 100 nm verringert wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die abrollende Drückrolle eine umlaufende Wulst auf, die in der Kontaktzone in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks eindringt, und durch die eine Aufwertung an der Oberfläche des Werkstücks ausgebildet wird. Die Kontaktzone des Werkstücks, die sich im Eingriff mit der Drückrolle befindet, wird extremen Dehnungen unterworfen. Die Verdrängung von Werkstückmaterial an den Rand der Kontaktzonen führt zur Ausbildung der Aufwerfung, die der Kontaktzone bzw. der Drückrolle voraus eilt.
Vorzugsweise weist die abrollende Drückrolle mehrere umlaufende Wülste auf, die in Kontaktzonen in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks eindringen. Hierdurch können größere Umformgrade erzielt werden.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die umlaufenden Wülste unterschiedliche Durchmesser aufweisen und unterschiedlich tief in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks eindringen. Hierdurch können die erzielbaren Umformgrade weiter vergrößert werden.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Drückrolle und das Werkstück in einer Vorschubrichtung, die in axialer Richtung des zylindrischen Werkstücks verläuft, relativ zueinander bewegt. Hierdurch können auch lange zylindrische Werkstücke, d. h. lange Werkstückmantelflächen, mit einer Drückrolle bearbeitet werden.
Vorzugsweise wird die Aufwertung an der Oberfläche des Werkstücks in Vorschubrichtung vor der Drückrolle hergeschoben.
Weiterhin vorzugsweise wird in der Kontaktzone ein Durchmesser des zylindrischen Werkstücks durch die Drückrolle verringert, und nach dem Durchlaufen der Drückrolle nimmt dieser zuvor verringerte Durchmesser einen Durchmesser an, der im Wesentlichen einem Ausgangsdurchmesser des zylindrischen Werkstücks entspricht. Somit hat das bevorzugte Verfahren keine geometriebildende Funktion, da Ausgangsgeometrie und Endgeometrie des zylindrischen Werkstücks im Wesentlichen identisch sind. Lediglich die Kornfeinung im Randbereich bzw. in der Walkzone unterscheidet das Enderzeugnis vom Ausgangswerkstück.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch ein massives, zylindrisches Werkstück, insbesondere hergestellt nach zumindest einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele, mit einem zumindest ultrafeinkörnigen Randbereich, der sich von der Oberfläche des Werkstücks mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers des zylindrischen Werkstücks in Richtung des Werkstückinneren erstreckt, und einem grobkörnigen Werkstückinneren.
Ein bevorzugtes massives, zylindrisches Werkstück weist eine zumindest ultrafeinkörnige Walkzone auf, die sich ausgehend von der Oberfläche des Werkstücks bis zu 50% des Ausgangsdurchmessers des zylindrischen Werkstücks in Richtung des Werkstückinneren erstreckt und den Randbereich beinhaltet.
Vorzugsweise ist der Randbereich oder die Walkzone des Werkstücks nanokristallin.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Korngröße von innen nach außen einen im Wesentlichen kontinuierlichen Übergang von grobkörnig bis ultrafeinkörnig oder nanokristallin auf, so dass das Werkstück vorzugsweise ein Gradientenwerkstoff mit einem kontinuierlichen Gradienten der Korngröße ist.
Vorzugsweise weist die Korngröße im Randbereich oder in der Walkzone des zylindrischen Werkstücks einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 1 μm, im Randbereich vorzugsweise kleiner als 100 nm, auf, und die Korngröße im Werkstückinneren weist vorzugsweise einen Äquivalentdurchmesser größer/gleich 1 μm auf.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine seitliche Schnittansicht eines massiven, zylindrischen Werkstücks, das sich in Eingriff mit einer Drückrolle befindet,
2 eine perspektivische Ansicht von drei Drückrollen, zwischen denen ein massives, zylindrisches Werkstück eingespannt ist,
3a–3c seitliche Schnittansichten verschiedener Drückrollen,
4 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Umformgrad und der Fließspannung bei der Kornfeinung darstellt, und
5 eine Draufsicht in axialer Richtung und eine seitliche Schnittansicht eines massiven, zylindrischen Werkstücks mit feinkörnigem Randbereich und grobkörnigem Inneren.
In 1 ist eine seitliche Schnittansicht gezeigt, in der eine Drückrolle 2 sich in Eingriff mit einem massiven, zylindrischen Werkstück 1 befindet, während 2 eine perspektivische Ansicht von drei Drückrollen 2 zeigt, zwischen denen ein massives, zylindrisches Werkstück 1 eingespannt ist. In den 3a bis 3c sind seitliche Schnittansichten bzw. Profile von Ausführungsbeispielen verschiedener Drückrollen 2 dargestellt.
Die Drückrolle 2 rollt über einen Umfang des zylindrischen Werkstücks 1 in einer Drehrichtung R_D ab. Für diese Abrollbewegung ist es möglich, dass entweder das zylindrische Werkstück 1 oder die Drückrolle 2 angetrieben werden. Dabei kann das zylindrische Werkstück 1 entweder um seine Werkstückachse A in einer Drehrichtung R_W rotieren oder auch keine Rotation ausführen. Auch ist es möglich, dass sowohl die Drückrolle 2 als auch das Werkstück 1 drehend angetrieben werden.
Das Werkstück 1 weist einen massiven Querschnitt und eine im Wesentlichen zylindrische Außenkontur auf. Das Werkstück 1, insbesondere die Mantelfläche des Werkstücks 1, ist rotationssymmetrisch, so dass eine Drehung um jeden beliebigen Winkel um die Längsachse, d. h. die Werkstückachse A, das Werkstück 1 bzw. die Mantelfläche des Werkstücks 1 auf sich selbst abbildet.
Bei dem massiven Werkstück 1 kann es sich vorzugweise um stab- bzw. drahtförmige Halbzeuge handeln. Abgesehen von einer geraden, zylindrischen Geometrie ist es auch möglich, dass das Werkstück 1 beispielsweise kegelförmig oder stumpfkegelförmig ausgebildet ist.
Das Werkstück 1 besteht zumindest teilweise aus einem oder mehreren metallischen Werkstoffen, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder auch einer Eisenlegierung, beispielsweise Stahl. Vor der Bearbeitung durch die Drückrolle 2 weist das Werkstück 1 vorzugsweise eine homogene Kornverteilung auf, wobei der Äquivalentdurchmesser der Körner im Wesentlichen gleich ist. Der anfängliche Äquivalentdurchmesser der Körner ist vorzugsweise größer/gleich 1 μm, d. h. die Körner sind feinkörnig bzw., bei Durchmessern deutlich größer als 1 μm, grobkörnig.
Durch eine Zustellbewegung in radialer Richtung des zylindrischen Werkstücks 1, d. h. durch eine Bewegung rechtwinklig zur Werkstückachse A, wird ein Oberflächenabschnitt der Drückrolle 2 mit der Oberfläche 5 des Werkstücks 1, d. h. der Mantelfläche des Werkstücks 1, in Eingriff gebracht.
Die Oberfläche der Drückrolle 2 weist vorzugsweise eine umlaufende Wulst 3 auf, die in einer Kontaktzone 4 in einen oberflächennahen Bereich des Werkstücks 1 eindringt. Dabei wird der oberflächennahe Bereich des Werkstücks 1 gedehnt und es setzt eine Kornfeinung ein.
Diese Kornfeinung ist lokal begrenzt und findet zumindest in einem Randbereich 6 des Werkstücks 1 statt. Der Randbereich 6 erstreckt sich von der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers D_A des zylindrischen Werkstücks 1 in Richtung des Werkstückinneren 7. Dieser Randbereich 6 umfasst sowohl den oberflächennahen Bereich, in dem sich die Kontaktzone 4 befindet, als auch einen sich daran anschließenden Bereich in Richtung des Werkstückinneren 7.
Insgesamt ist die Kornfeinung auf den Bereich einer Walkzone begrenzt, in der die Körner durch den Eingriff der Drückrolle 2 in die Kontaktzone 4 verfeinert werden. Die Walkzone liegt vorzugsweise in einem Bereich von der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 bis zu 40% bzw. 50% des Ausgangsdurchmessers D_A des zylindrischen Werkstücks 1 in Richtung des Werkstückinneren 7. Somit umfasst die Walkzone sowohl den Randbereich 6 als auch einen sich daran in Richtung des Werkstückinneren 7 anschließenden Bereich.
Das Werkstückinnere 7 befindet sich vorzugsweise in einem Bereich von 40% bis 50% des Ausgangsdurchmessers D_A des zylindrischen Werkstücks 1.
Generell wird in der Walkzone durch sehr hohe Umformgrade eine extreme Kornfeinung erreicht. In einem Übergangsbereich erfolgt eine Plastifizierung des Werkstoffs jedoch bei geringer Umformung, während im Werkstückinneren 7 nahezu keine Plastifizierung des Werkstoffs erfolgt. In Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern kann der nahezu unplastifizierte Bereich des Werkstückinneren 7 daher zwischen 10% und 90% des Werkstückquerschnitts betragen.
Die Kornfeinung ist an der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 stärker ausgeprägt und nimmt zum Werkstückinneren 7 hin ab. Dabei wird die Korngröße im Randbereich 6 des Werkstücks 1 oder in der gesamten Walkzone auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner 1 μm verringert, so dass aus den groben Körnern des Ausgangswerkstücks durch das Drückrollen ultrafeine Körner entstehen. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Korngröße im Randbereich 6 des Werkstücks 1 auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 100 nm verringert wird, so dass nanokristalline Körner vorliegen, während in der verbleibenden Walkzone (exklusive des Randbereichs 6) die Körner nur auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner 1 μm verringert werden. Jedoch ist es auch möglich, durch das Drückrollen nanokristalline Körner in der gesamten Walkzone zu erzeugen.
Im Werkstückinneren 7 findet vorzugsweise keine oder nur eine sehr geringe Beeinflussung der Körner durch die Drückrolle 2 statt, so dass die Korngröße im Vergleich zum Ausgangswerkstück im Wesentlichen unverändert bleibt, und insbesondere auch nach dem Drückrollen einen Äquivalentdurchmesser größer/gleich 1 μm aufweist. Das Werkstückinnere 7 bleibt damit weitgehend unplastifiziert.
Ein derartig ausgebildeter Werkstoff mit Gradienten der Korngröße von grobkörnig bis ultrafeinkörnig bzw. nanokristallin wird Gradientenwerkstoff genannt, das Verfahren zu seiner Herstellung gemäß den obigen Erläuterungen Gradierungswalzen.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Korngröße im Werkstück 1 von innen nach außen durch das Drückrollen einen kontinuierlichen Übergang von grobkörnig bis ultrafeinkörnig oder nanokristallin, d. h. einen im Wesentlichen stetigen Gradienten der Korngröße aufweist.
Neben der Zustellung der Drückrolle 2 in radialer Richtung spielt auch die Überrollzahl für die Tiefe und die Ausprägung des Gradienten der Korngröße eine Rolle. Es ist daher möglich, aber nicht zwingend erforderlich, das Verfahren zur Veränderung der Korngröße mehrmals hintereinander zu wiederholen.
Obwohl das Verfahren vorzugsweise bei Raumtemperatur stattfindet und eine Erwärmung nur durch die Walkarbeit der Drückrolle 2 innerhalb des Werkstücks 1 erfolgt, ist es auch möglich, das Werkstück 1 vor oder während des Drückrollens durch eine externe Wärmequelle zu erwärmen. Die Temperatur des Werkstücks 1 sollte dabei auch während des Drückrollens bzw. Gradierungswalzens unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstücks 1 bleiben bzw. diese nur kurzzeitig überschreiten, so dass die Ausbildung eines ultrafeinkörnigen Gefüges nicht durch Rekristallisationsprozesse (welche trotzdem stattfinden können) unterbunden wird.
Ebenso ist es auch möglich, das Werkstück 1 zu kühlen. Dies kann mittels eines gasförmigen Kühlmittels, beispielsweise Luft, aber auch mittels eines flüssigen Kühlmittels erfolgen. Insbesondere ist flüssiger Stickstoff zur Kühlung geeignet. Eine Kühlung des Werkstücks 1 bietet sich vorzugsweise für ausscheidungshärtende Legierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, wie z. B. EN AW-7075 an. Die Charakteristik der Ausscheidungsverteilung kann durch die Kühlung derart beeinflusst werden, dass vorteilhafte, mechanische Eigenschaften des Endprodukts erzielt werden.
Durch die Zustellbewegung dringt die umlaufende Wulst 3 der Drückrolle 2 in der Kontaktzone 4 in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks 1 ein. Die Drückrolle 2 und das Werkstück 1 werden in einer Vorschubrichtung V relativ zueinander bewegt. Die Vorschubrichtung V verläuft in axialer Richtung des zylindrischen Werkstücks 1. Hierbei ist es möglich, dass die Drückrolle 2 mittels eines Antriebs in der Vorschubrichtung V bewegt wird, oder dass das Werkstück 1 mittels eines Antriebs in axialer Richtung vorgeschoben wird. Auch ist es möglich, dass sowohl die Drückrolle 2 als auch das Werkstück 1 mit Vorschubeinrichtungen bewegt werden, die die Drückrolle 2 und das Werkstück 1 aufeinander zu bewegen.
Durch die Wulst 3 der Drückrolle 2 bildet sich an der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 eine Aufwertung 9 von Werkstückmaterial vor der Drückrolle 2 aus. Diese Aufwertung 9 wird durch die Verdrängung von Werkstückmaterial sowohl in axialer als auch in radialer Richtung des Werkstücks 1 ausgebildet.
Die Wulst 3 weist an ihrer vorderen Flanke in Vorschubrichtung V eine im Wesentlichen S-förmige Kontur auf und fällt an ihrer rückwärtigen Flanke im Wesentlichen gerade ab. Durch den Vorschub wird die Aufwertung 9 an der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 in Vorschubrichtung V vor der Drückrolle hergeschoben.
Wird die Drückrolle 2 zugestellt, d. h in Richtung der Werkstückachse A bewegt, wird Material des Werkstücks 1 zuerst axial verdrängt, was zu einer Durchmesserreduktion und zur Bildung der Aufwertung 9 führt.
Es ist ferner möglich, dass sich in Vorschubrichtung V vor der Aufwerfung 9 ein Grat 8 ausbildet. Die Gratbildung kann auftreten, ist jedoch nicht immer zwingend erwünscht und kann durch entsprechende Gestaltung des Profils der Drückrolle 2 unterbunden werden.
Hierzu kann die Drückrolle 2/können die Drückrollen 2 beispielsweise mehr als eine umlaufende Wulst 3 aufweisen, wie dies in den 3a bis 3c gezeigt ist. In 3a weist die Drückrolle 2 zwei Wülste 3 auf, in 3b drei Wülste 3 und in 3c vier Wülste 3. Somit dringen die Wülste gleichzeitig oder nacheinander in Kontaktzonen 4 in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks 1 ein.
Die Wülste 3 sind beispielsweise auf der rückwärtigen Flanke der Drückrolle 2 angeordnet bzw. auf einer stumpfkegelförmigen Oberfläche der Drückrolle 2. Insbesondere weisen die Wülste 3 vorzugsweise unterschiedliche Durchmesser auf und dringen unterschiedlich tief in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks 1 ein.
Zu Beginn des Drückrollens weist das zylindrische Werkstück 1 einen Ausgangsdurchmesser D_A auf. In der Kontaktzone 4 wird der Ausgangsdurchmesser D_A durch die Zustellbewegung der Drückrolle 2 auf einen Durchmesser D_K verringert. Nach dem Durchlaufen der Drückrolle 2 nimmt dieser Bereich einen Enddurchmesser D_E an, der im Wesentlichen dem Ausgangsdurchmesser D_A des zylindrischen Werkstücks 1 entspricht.
Ursache für diesen Sachverhalt ist, dass das bereits umgeformte Materialvolumen des Werkstücks 1 das Material direkt hinter der Drückrolle 2 stützt, so dass das Material unmittelbar hinter der Drückrolle 2 nahezu auf den Ausgangsdurchmesser D_A aufgestaut wird. Der nominelle Umformgrad φ_n ist somit im Wesentlichen 0.
In 2 ist eine perspektivische Ansicht gezeigt, in der das massive, zylindrische Werkstück 1 zwischen drei Drückrollen 2 eingespannt ist. Der Pfeil R_W symbolisiert in dieser Figur die Drehrichtung des Werkstücks 1, während die Pfeile R_D die Drehrichtung der Drückrollen 2 symbolisieren.
Die Drehachsen der Drückrollen 2 verlaufen vorzugsweise parallel zur Werkstückachse A. Jedoch ist es auch möglich, dass die Drehachsen der Drückrollen 2 bei entsprechender Konturierung der Drückrollen 2 bezüglich der Werkstückachse A geneigt sind, beispielsweise windschief zur Werkstückachse A verlaufen. Beispielsweise können die Drehachsen der Drückrollen 3 gegenüber der Werkstückachse A um drei Grad geneigt sein.
Die drei Drückrollen in 2 sind vorzugsweise in derselben Ebene aufgespannt und rollen über das gleiche scheibenförmig Mantelsegment des zylindrischen Werkstücks 1 ab. Die Aufspannebenen erstreckt sich vorzugsweise rechtwinklig zur Werkstückachse A.
Neben der Rotation um ihre eigenen Drehachsen können die Drückrollen 2 bzw. ein nicht gezeigter Träger, auf dem die Drückrollen 2 aufgespannt sind, auch um eine andere Achse rotieren, beispielsweise die Werkstückachse A. Jedoch kann der Träger, auf dem die Drückrollen 2 aufgespannt sind, auch ortsfest sein.
Obwohl die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele eine Drückrolle 2 oder drei Drückrollen 2 im Eingriff mit dem zylindrischen Werkstück 1 zeigen, kann die bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Drückrollverfahrens auch zwei oder mehr als drei Drückrollen 2 aufweisen. Die Durchmesser der Drückrollen 2 sind entsprechend anzupassen, damit die Drückrollen 2 in Eingriff mit der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 gelangen können. Alternativ können Drückrollen 2 größeren Durchmessers auch in mehreren parallelen Ebenen, die rechtwinklig zur Werkstückachse A verlaufen, angeordnet werden.
Bei besonders langen Werkstücken 1 ist es möglich durch Unterstützungseinrichtungen ein Durchbiegen des Werkstücks 1 zu verhindern, wenn dies zwischen den Drückrollen 2 eingespannt ist. Das Walzen bzw. Drückrollen des Werkstücks 1 erfolgt jedoch nur mit geringen Axialkräften entlang der Werkstückachse A (je nach Richtung Zug oder Druck). Insbesondere wird das Werkstück 1 nicht durch Stempel oder ähnliche Einrichtungen mit Umformkräften in axialer Richtung oder tordierenden Kräften beaufschlagt.
In 4 ist ein Diagramm gezeigt, das den Zusammenhang zwischen dem Umformgrad φ und der Fließspannung k_f für inkrementelle, zyklische Umformverfahren zeigt. In einem Umforminkrement φ_i kommt es zu einer Plastifizierung in entgegengesetzter Richtung. Der Umformgrad eines Umforminkrements φ_i resultiert aus einer positiven Umformamplitude φ₊ und dem Betrag einer entgegengesetzten, negativen Umformamplitude φ_– (Gleichung (1)).
Geometrisch von Bedeutung ist einzig der nominelle Umformgrad φ_n. Dieser ist direkt am Bauteil abnehmbar und spiegelt die kumulierten Umformgrade der Umforminkremente φ_i wider (Gleichung (2)).
Der theoretische Umformgrad σ_theor, der für die Ausprägung der Kornfeinung neben den Umformrichtungen des Umforminkrements φ_i ausschlaggebend ist, ergibt sich aus den Umformgraden der positiven Umformamplitude φ₊ und dem Anteil der negativen Umformamplitude φ_– (Gleichung (3)). φi = φ+ – |φ–| (Gleichung (1)) φn = Σφi (Gleichung (2)) φtheor. = Σφ+ + Σ|φ–| (Gleichung (3))
Die in der Walkzone befindlichen Volumenelemente erfahren bei jedem Umformschritt einen Umformanteil, der sich nicht makroskopisch abbildet. Hierbei wird Walkarbeit gemäß den Flächenintegralen in 4 verrichtet. Verfahren mit großem Walkanteil führen zu ausgeprägten Kornfeinungen.
Gemäß der technischen Lehre des zuvor beschriebenen Verfahrens ist der nominelle Umformgrad φ_n im Wesentlichen 0, d. h. die Ausgangskontur des Werkstücks 1 entspricht im Wesentlichen der Kontur des Endzeugnisses. Auf das Diagramm übertragen bedeutet das, dass die einzelnen Umforminkremente im Wesentlichen 0 sind, so dass sich positive Umformamplitude φ₊ und die entgegengesetzte, negative Umformamplitude φ_– im Wesentlichen aufheben.
In 5 ist eine Draufsicht in axialer Richtung und eine seitliche Schnittansicht des Enderzeugnisses gezeigt, d. h. des Werkstücks 1 nach erfolgtem Walzen bzw. Drückrollen. Im Randbereich 6 sind in der Schnittansicht die ultrafeinen bzw. nanokristallinen Körner symbolisiert. Im Werkstückinneren 7 sind grobe Körner symbolisiert.
Nach dem Walz- bzw. Drückrollvorgang weist die Oberfläche 5 Riefen in radialer Richtung auf, die Spuren des Eingriffs der Drückrollen 2 abbilden. Weiterhin zeigen sich an der Oberfläche 5 Verformungslokalisierungen in einem Winkel von ca. 45° relativ zur Orientierung der Spuren der Drückrollen 2. Entsprechende Verformungslokalisierungen deuten auf hohe Umformamplituden hin. Riefenbildung kann durch Anpassung des Profils der Drückrolle 2 und der Prozessparameter weitgehend vermieden werden.
Beispielsweise wird das zuvor beschriebene Verfahren mit der Aluminiumlegierung EN AW-6082 im T6-Zustand durchgeführt. Der Ausgangsdurchmesser D_A des strang gepressten Werkstücks beträgt 55 mm. Im Bereich der Kontaktzone 4, in der die Drückrollen 2 mit ihrer umlaufenden Wülsten 3 in das Werkstück 1 eindringen, beträgt der Durchmesser D_K 51 mm. Der Vorschub der Drückrollen 2 beträgt 0,6 mm pro Umdrehung. Die Drehzahl des Werkstücks beträgt 1,3 Umdrehungen pro Sekunde.
Die Analyse des Härteverlaufs in einer Probe des Werkstücks 1 in radialer Richtung nach dem Walz- bzw. Drückrollverfahren gibt Aufschluss über die erfolgte Kornfeinung. Eine Härtesteigerung dient als Nachweis für die Plastifizierung des Werkstückmaterials und ist Indiz für eine Kornfeinung. Zur Analyse des Gefüges kommt üblicherweise Electron Backscatter Diffraction (EBSD) in einem Rasterelektronenmikroskop zum Einsatz.
Die Analysen des Gefüges bestätigen den Korngrößengradienten. Es kann zwischen drei Zonen unterschieden werden.
Im Werkstückinneren 7, bei einer Messlänge von ca. 19,5 mm bis 24 mm ist keine signifikante Zunahme der Härte zu beobachten. In einer mittleren Zone, der Walkzone exklusive des Randbereichs 6 bei einer Messlänge von ca. 2,5 bis 19,5 mm, ist ein nahezu linearer Anstieg der Härte zu beobachten. Diese Kaltverfestigung ist mit einer Plastifizierung des Werkstücks 1 in diesem Bereich in Verbindung zu bringen. Im Randbereich 6, Messlänge 0 bis ca. 2,5 mm, ist ein steiler Anstieg der Härte zu verzeichnen. Diese Zone ist einer starken Walkung und damit hohen Umformamplituden ausgesetzt. Die Staubildung in axialer und radialer Richtung resultiert in einer starken Kaltverfestigung im Randbereich 6.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen ein Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück 1, wobei zumindest eine Drückrolle 2 über einen Umfang des zylindrischen Werkstücks 1 abrollt und in radialer Richtung des zylindrischen Werkstücks 1 zugestellt wird derart, dass die abrollenden Drückrolle 2 in einer Kontaktzone 4 in einen oberflächennahen Bereich des Werkstücks 1 eindringt und das Werkstück 1 dehnt, wobei die Korngröße in einem Randbereich 6, der sich von der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers D_A des zylindrischen Werkstücks 1 in Richtung des Werkstückinneren 7 erstreckt, im Vergleich zur Korngröße im Werkstückinneren 7 verringert wird.
Ebenso betreffen die vorangegangenen Ausführungsbeispiele ein massives, zylindrisches Werkstück mit einem zumindest ultrafeinkörnigen Randbereich 6, der sich von der Oberfläche 5 des Werkstücks 1 mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers D_A des zylindrischen Werkstücks 1 in Richtung des Werkstückinneren 7 erstreckt, und einem grobkörnigen Werkstückinneren 7.

Claims

Verfahren zur Veränderung der Korngröße in einem massiven, zylindrischen Werkstück (1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Drückrolle (2) über einen Umfang des zylindrischen Werkstücks (1) abrollt und in radialer Richtung des zylindrischen Werkstücks (1) zugestellt wird derart, dass die abrollende Drückrolle (2) in einer Kontaktzone (4) in einen oberflächennahen Bereich des Werkstücks (1) eindringt und das Werkstück (1) dehnt, wobei die Korngröße in einem Randbereich (6), der sich von der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers (D_A) des zylindrischen Werkstücks (1) in Richtung des Werkstückinneren (7) erstreckt, im Vergleich zur Korngröße im Werkstückinneren (7) verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße durch die Drückrolle (2) in einer Walkzone, ausgehend von der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) bis zu 50% des Ausgangsdurchmessers (D_A) des zylindrischen Werkstücks (1) in Richtung des Werkstückinneren (7), verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße im Randbereich (6) oder in der Walkzone des Werkstücks (1) auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 1 μm verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße im Randbereich (6) oder in der Walkzone des Werkstücks (1) auf einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 100 nm verringert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abrollende Drückrolle (2) eine umlaufende Wulst (3) aufweist, die in der Kontaktzone (4) in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks (1) eindringt, und durch die eine Aufwerfung (9) an der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die abrollende Drückrolle (2) mehrere umlaufende Wülste (3) aufweist, die in Kontaktzonen (4) in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks (1) eindringen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Wülste (3) unterschiedliche Durchmesser aufweisen und unterschiedlich tief in den oberflächennahen Bereich des Werkstücks (1) eindringen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drückrolle (2) und das Werkstück (1) in einer Vorschubrichtung (V), die in axialer Richtung des zylindrischen Werkstücks (1) verläuft, relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwerfung (9) an der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) in Vorschubrichtung (V) vor der Drückrolle (2) hergeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktzone (4) ein Durchmesser (D_K) des zylindrischen Werkstücks (1) durch die Drückrolle (2) verringert wird, und nach dem Durchlaufen der Drückrolle (2) einen Durchmesser annimmt (D_E), der im Wesentlichen einem Ausgangsdurchmesser (D_A) des zylindrischen Werkstücks (1) entspricht.
Massives, zylindrisches Werkstück, insbesondere hergestellt nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen zumindest ultrafeinkörnigen Randbereich (6), der sich von der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) mindestens 4% eines Ausgangsdurchmessers (D_A) des zylindrischen Werkstücks (1) in Richtung des Werkstückinneren (7) erstreckt, und ein grobkörniges Werkstückinneres (7).
Massives, zylindrisches Werkstück nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine zumindest ultrafeinkörnige Walkzone, die sich ausgehend von der Oberfläche (5) des Werkstücks (1) bis zu 50% des Ausgangsdurchmessers (D_A) des zylindrischen Werkstücks (1) in Richtung des Werkstückinneren (7) erstreckt und den Randbereich (6) beinhaltet.
Massives, zylindrisches Werkstück nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (6) oder die Walkzone nanokristallin ist.
Massives, zylindrisches Werkstück nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße von innen nach außen einen im Wesentlichen kontinuierlichen Übergang von grobkörnig bis ultrafeinkörnig oder nanokristallin aufweist.
Massives, zylindrisches Werkstück nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich (6) oder in der Walkzone des zylindrischen Werkstücks (1) die Korngröße einen Äquivalentdurchmesser kleiner als 1 μm, im Randbereich (6) vorzugsweise kleiner als 100 nm, aufweist, und die Korngröße im Werkstückinneren (7) einen Äquivalentdurchmesser größer/gleich 1 μm aufweist.