DE102012006952A1

DE102012006952A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes sowie Werkstück

Info

Publication number: DE102012006952A1
Application number: DE201210006952
Authority: DE
Inventors: Rene Zachäus; Markus Bergmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: DE102012006952B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest partiellen Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes, insbesondere zur Erzeugung einer ultrafeinkörnigen oder nanokristallinen Mikrostruktur benachbart zu einer Oberfläche eines Werkstückes, wobei das Werkstück zumindest im Bereich eines Abschnittes einer Werkstückoberfläche einer umformenden Hochverformung unter Richtungsänderung eines Werkstoffflusses benachbart zur Werkstückoberfläche unterzogen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes und ein Werkstück.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes sowie ein derartiges Werkstück
Umformtechnische Herstellungsprozesse metallischer Werkstücke gehen im Allgemeinen mit der Veränderung der materialtechnischen Eigenschaften der umformtechnisch hergestellten Werkstücke einher, die gezielt zur Einstellung von Verschleißeigenschaften oder anderen Parametern genutzt werden können. Bei sehr hohen Umformgraden wird eine Veränderung der Mikrostruktur des Werkstückes beobachtet, die zu einer extremen Kornfeinung führen kann.
Es können auf diese Weise Werkstücke mit Korngrößen unterhalb von 1 μm geschaffen werden, die spezielle Eigenschaften wie Superplastizität, sehr hohe Festigkeiten, geringe Oberflächenrauhigkeiten und besonders große Zähigkeit aufweisen können. Man bezeichnet solche Mikrostrukturen als ultrafeinkörnig und bei Korngrößen unterhalb von 100 nm als nanokristallin.
Verfahren, die aus grobkörnigen Werkstoffen durch Umformung ultrafeinkörnige bzw. nanokristalline Werkstoffe herzustellen vermögen, werden als ,Severe Plastic Deformation' Verfahren bezeichnet. Hierbei wird der Werkstoff i. d. R. im gesamten Volumen feingekörnt. Eine breite Anwendung dieser Verfahren ist in naher Zukunft aufgrund der geringen Produktivität, Werkstoffverlust etc. nicht zu erwarten.
Aufgrund der herausragenden Eigenschaften von ultrafeinkörnigen und nanokristallinen metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel hohe Festigkeit bei guter Duktilität, Superplastizität und teilweise verbesserte Korrosionseigenschaften sind die zugehörigen Herstellungsverfahren Gegenstand der Forschung.
Durch hochgradig plastische Umformung, wie durch extreme Dehnungen, kann ein normalkörniger Werkstoff durch Substrukturierung in einen Korngrößenbereich von unter 1 μm umgewandelt und einer Kornfeinbehandlung unterzogen werden. Wesentliche Vorraussetzungen für die Ausbildung eines ultrafeinkörnigen Gefüges sind große Umformgrade, ermöglicht durch einen hohen hydrostatischen Druck im plastifizierten Werkstoffvolumen und Prozesstemperaturen unterhalb 0,4 × Schmelztemperatur. Für extrem hoch beanspruchte Teile oder in Anwendungen, bei denen die besonderen Eigenschaften ultrafeinkörniger Werkstoffe von entscheidender Bedeutung sind, können vollständig feingekörnte Halbzeuge mittels unterschiedlicher Verfahren der „Severe Plastic Deformation” modifiziert werden.
In diesem Zusammenhang sind auch Verfahren zur Oberflächenbehandlung beachtlich.
Zu diesen zählen Kugelstrahlen und Festwalzen. Es ist bekannt, dass die beiden Verfahren zur Erhöhung der Eigenspannungen unterhalb der Oberfläche führen, und damit die Dauerfestigkeit des Bauteils erhöhen. Bei beiden Prozessen entstehen nanokristalline Schichten nahe der Bauteiloberfläche, deren Dicke jedoch wenige Mikrometer nicht übersteigt.
Durch mechanischen Oberflächenabrieb können ebenfalls nanokristalline Schichten am Bauteilrand erzeugt werden. Der Nachteil liegt auch hier in der geringen erreichbaren Schichtdicke, welche wenige hundert Mikrometer nicht übersteigt.
Für die Kornfeinung von Blechen werden abgewandelte „Severe Plastic Deformation”-Verfahren eingesetzt. Mit dem Verfahren Spaltprofilieren (Linear Flow Splitting) wird ein ebener Blechzuschnitt zu einem gabelförmigen Profil umgeformt, wobei ultrafeinkörniges Gefüge gebildet wird.
Für stab- bzw. drahtförmige Halbzeuge wurde ein inkrementelles Verfahren zur definierten, in größere Tiefe reichende Kornfeinung entwickelt. Ein solches als Gradierungswalzen bezeichnetes Verfahren ist aus der DE 10 2009 033 647 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes anzugeben, die eine gezielte und präzise Beeinflussung der Materialeigenschaften des Werkstücks gestattet, ohne dass besonders hohe Anforderungen an die Festigkeitsauslegung der Vorrichtung bestehen. Auch soll die Vorrichtung gegebenenfalls in Verbindung mit anderen Umformverfahren und -werkzeugen einsetzbar sein.
Schließlich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Werkstück anzugeben, das ein vorbestimmtes Korngrößenprofil seines Gefüges aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruches 1, hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 13 gelöst.
Ein Werkstück, insbesondere Halbzeug, zeichnet sich erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 23 aus.
Vorteilhafte Weiterbildungen von Verfahren, Vorrichtung und Werkstück sind jeweils in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren der partiellen umformenden Hochverformung unter Richtungsänderung eines Werkstoffflusses, vorzugsweise benachbart zur Werkstückoberfläche das hier als Gradierungspressen bezeichnet wird, führt zur Erzeugung einer ultrafeinkörnigen oder nanokristallinen Mikrostruktur, benachbart zu einer Oberfläche des Werkstückes oder Halbzeuges und damit zu einem metallischen Formkörper mit einem Gradienten der Korngröße im Werkstoffvolumen unter Schaffung von ultrafeinkörnigen bzw. nanokristallinen Volumenanteilen, insbesondere in Abschnitten oder auch in der gesamten Oberflächen-Nanostruktur des Werkstückes im Sinne einer Randschicht in Kombination mit grobkörnigen Arealen. Auf diese Weise können hochfeste Randbereiche von Bauteilen in ultrafeinkörniger oder nanokristalliner Mikrostruktur herstellbar, während im Inneren des Bauteiles die Mikrostruktur keiner Hochverformung unterliegt und im normalkörnigen Zustand verbleibt, wobei eine nicht hochverformende Plastifizierung mit Ausbildung einer Textur und Kaltverfestigung erfolgen kann. Feinkörnige Bauteilrandbereiche sind wünschenswert, da in diesen Bereichen Bauteile in der Regel am höchsten beansprucht werden. Somit kann eine attraktive Kombination von Eigenschaften innerhalb eines Bauteiles oder Werkstückes (Halbzeuges) realisiert werden, und zwar mit hoher Produktivität und ohne dass Spezialmaschinen eingesetzt werden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also mit vorhandener Maschinentechnik realisiert werden.
Vorzugsweise kann das Werkstück oder Halbzeug ein herkömmlicher Stangenabschnitt sein, mit einer achssymmetrischen Konfiguration, es sind jedoch auch andere Werkstückskonfigurationen mit anderen Querschnitten einsetzbar.
Vorzugsweise kann das Verfahren auf Umformanlagen unterschiedlicher Typologie durchgeführt werden, wie sie eine sehr große Marktdurchringung besitzen.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung werden Werkstück bzw. Halbzeuge oder Bauteile erzielt, die die Eigenschaften von grobkörnigen und ultrafeinkörnigen bzw. nanokristallinen Werkstoffen in sich kombinieren. Hierdurch ergeben sich herausragende Eigenschaften für die weitere Verarbeitung für die Halbzeuge und für die Finalprodukte. Gleichzeitig werden auf diese Weise die Verfahrensansätze der „Severe Plastic Deformation” mit den Erfordernissen einer industriellen Produktionsweise in Übereinstimmung gebracht.
Vorzugsweise wird die Gradierung des Gefüges mit Werkzeug-Formelementen ohne geometriebildende Funktion erreicht, mit dem ausschließlichen Zweck akkumulierende und richtungsalternierende Spannungsinduzierungen und damit ein internes Fließverhalten des Werkstoffes unter starker Richtungsänderung in einem bestimmten Bereich zu erreichen. Die dient lediglich dem Ziel, eine ultrafeinkörnige oder nanokristalline Mikrostruktur im Umformbereich der vorzugsweise sich unmittelbar an die Oberfläche des Werkstückes oder Halbzeuges anschließt, zu erreichen und auf diese Weise eine Randschicht mit sehr speziellen Eigenschaften, wie Superplastizität, sehr hoher Festigkeit, geringer Oberflächenrauhigkeit und hohe Zähigkeit zu schaffen.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer geometrieändernden Umformverarbeitung, z. B. unter Querschnittsänderungen des Halbzeuges, verbunden werden, so dass beide Phänomene, die Graduierung des Gefüges, insbesondere in zumindest Abschnitten oberflächennaher Randschichten, wie auch eine makroskopische Umformung (Geometrieänderung) des Werkstückes oder Halbzeuges in Verbindung miteinander auftreten.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden massive, z. B. stabförmige Halbzeuge oder Bauteile mit einer starken Gradierung der Korngröße bis in den Submikrometerbereich geschaffen, um einen entsprechenden Gradienten der Eigenschaften des Bauteiles oder Werkstückes (Halbzeuges) einzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einem definierten, kontinuierlichen Gradienten der Korngröße des Werkstückes oder Halbzeuges von grobkörnig bis ultrafeinkörnig oder nanokristallin in seinem Werkstoffvolumen.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird die Erzeugung der Gradierung (Korngrößenänderung im Werkstoffvolumen) als Gradierungspressen bezeichnet, wobei Primärziel nicht eine äußere makroskopische Formgebung oder Umformung, sondern die Werkstoffmodifikation des Bauteiles durch Hochverformung mit hieraus resultierender Kornfeinung ist.
Vorzugsweise wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werkzeugstechnisch ein mehrfacher Richtungswechsel einer Fließ- oder Verformungsrichtung zumindest in einem Abschnitt des Werkstückes benachbart zur Werkstücksoberfläche vorgesehen, und zwar auf sehr engem Raum und mit sehr hohem lokalen Umformgrad.
Das Innere des Werkstückes bleibt hingegen frei von diesem Prozess. Die Hochverformung erfolgt mit Werkstoffelementen im Oberflächen- bzw. Randbereich des Werkstückes, die klein sind im Verhältnis zum Werkstückquerschnitt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch, wie bereits erwähnt, neben der gefügeändernden Hochverformung mit einer Makroformgebung z. B. unter Durchmesserverringerung des Werkstückes einhergehen.
Vorzugsweise ist eine Gradiermatrize verwendet, der Formelemente innewohnen, die die lokale Pressrichtung im Oberflächenbereich des Werkstückes bestimmen und einen mehrfachen Richtungswechsel der Umformung mit einem starken Gradienten der kumulierten Dehnung erzeugt, wobei ein Umformgrad von φ > 1 vorgesehen ist. Die plastische Verformung (Hochverformung) beschränkt sich dabei überwiegend auf den im Kontaktbereich zur Gradierungsstruktur (Gradiermatrize) befindlichen Werkstoff. Es erfolgt eine lokale Hochverformung mit starkem Gradienten hinsichtlich der Korngröße im Bezug auf den weiter innenliegenden Bereich des Werkstückes.
Vorzugsweise bildet das Werkstück ein Halbzeug, das vorzugsweise in der Art eine Vorwärtsvollfließpressens durch ein Gradierungspresswerkzeug, wie eine Gradiermatrize, hindurchgepresst und möglicherweise ggf. zugleich einer Makro-Umformung unter Querschnittsreduzierung unterzogen wird. Wesentlich erfolgt ein Gradierungspressen mit Richtungsänderung der Fließrichtung des Werkstoffes durch die der Gradiermatrize immanenten Formelemente in zumindest einem Teil des Randschichtbereiches des Werkstückes. Die Gradierungspressstruktur wird vorzugsweise durch eine Innen- und/oder Außengeometrie unter Einbeziehung von Formelementen eines Gradierpresswerkzeuges, wie einer Gradiermatrize, bewirkt.
Vorzugsweise beträgt eine Dicke eines Randschichtbereiches einer Hochverformung unter Richtungsänderung, insbesondere mehrfachen Richtungsänderungen des Werkstückes unter Ausbildung eines ultrafeinen oder nanokristallinen Werkstückvolumens in einem Randschichtbereich des Werkstückes im Bereich 1% bis 30%, vorzugsweise 5% bis 15% einer maximalen Gesamt-Querschnittsabmessung des Werkstückes, insbesondere eines Durchmessers desselben.
Vorzugsweise weist ein Gradierpresswerkzeug, wie z. B. eine Gradiermatrize, ein wellenförmiges Formelement mit einem äußeren Umformdurchmesser und einem inneren Umformdurchmesser auf, wobei im Bereich des Formelementes bei einem Pressen des Werkstückes durch das Gradierpresswerkzeug, vorzugsweise mit übereinstimmenden Eingangs- und Ausgangsdurchmesser des Halbzeuges, die lokale Hochverformung durch die in der Randschicht des Halbzeuges des Werkstoffes aufgezwungene Richtungsänderung der Fließrichtung zwischen äußeren Umformdurchmesser und innerem Umformdurchmesser bewirkt wird.
Bei einem zylindrischen Halbzeug wird die Verformung im Bereich einer Zylindermantelfläche dadurch erreicht, dass der Werkstoff durch im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser relativ kleine Formelemente richtungswechselnden Verformungen ausgesetzt wird. Diese Formelemente können sich in Gestalt und Anzahl unterscheiden.
Als Formelemente können im weitesten Sinne jegliche Werkzeugabschnitte bezeichnet werden, die während des Umformprozesses Einfluss auf den Werkstofffluss nehmen bzw. den Spannungszustand des Werkstückes beeinflussen. Der Hauptzweck des oder der Formelement(es) besteht in der Erzeugung einer Werkstoffmodifikation (Gefügegradierung), wobei es selbstverständlich auch möglich ist, die Gestaltung von Formelementen so zu wählen, dass eine zusätzliche formgebende Geometriebildung (Endform des Werkstückes, unterschiedlich von Anfangsform des Werkstückes) bewirkt wird. Vorzugsweise kann abfolgend das Verfahren mit einem ersten Stempel durchgeführt werden, der das Werkstück bzw. Halbzeug durch eine Einlaufmatrize und sodann durch eine stromab derselben angeordnete Gradiermatrize mit einem Gradierprofil presst, wobei sich z. B. im Anschluss an die Gradiermatrize eine Reduziermatrize (Durchmesserreduktion des Halbzeuges) anschließen kann, die für den erforderlichen Gegendruck zum das Werkstück (Halbzeug) durch die Gradiermatrize pressenden Stempel (Oberstempel) sorgt.
Vorzugsweise wird das vorausliegende Ende des Werkstückes (Halbzeuges) durch einen Unterstempel zur Erzeugung eines erforderlichen Gegendruckes abgestützt oder jedenfalls wirkt auf ein vorauslaufendes Ende des Werkstückes eine Erhöhung des Bewegungswiderstandes ein, so dass der erforderliche Gegendruck zur Durchführung des Gradierungspressvorganges, z. B. durch eine Reduziermatrize, aufgebracht wird.
In dem Bereich der Gradierung durch zumindest ein, vorzugsweise eine Mehrzahl von Formelementen unter starker lokaler Richtungsänderung des Werkstoffflusses der Randschicht des Werkstückes, sind Umformgrade größer 7 erreichbar.
Hinsichtlich eines achssymmetrischen Werkstückes oder Halbzeuges weist die Vorrichtung zur Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes vorzugsweise eine Gradiermatrize auf, die zumindest umfangsseitig und zumindest teilweise entlang ihres Umfanges eine Gradierstruktur, gebildet insbesondere aus zumindest einem Formelement, das eine Richtungsänderung der Fließrichtung des Werkstoffes im Kontaktbereich zwischen Werkstück und Gradierstruktur der Matrize erzwingt, insbesondere eine mehrfache Richtungsänderung auf. Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von insbesondere unmittelbar in Vorschubrichtung des Werkstückes abfolgenden Formelementen zur Änderung einer Fließrichtung oder Verformungsrichtung benachbart zu einer Kontaktfläche zwischen Werkstück und Gradiermatrize vorgesehen.
Vorzugsweise können die Formelemente in Kombination mit einer Geometrieänderung des Werkstückes, z. B. in konischer, durchmesserreduzierender Anordnung der die Hochformung bewirkende Formelemente unter gleichzeitiger Durchmesserverringerung des Durchtrittskanals für das druckbeanspruchte Werkstück vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung stromauf und stromab der Gradierstruktur einen übereinstimmenden Eintritts- und Austrittsdurchmesser auf oder es ist eine Gradiermatrize, vorzugsweise im Anschluss an eine Einlaufmatrize vorgesehen, die entweder selbst als Reduziermatrize mit verringertem Ausgangsquerschnitt ausgebildet ist oder der eine Reduziermatrize mit verringertem Durchtrittsquerschnitt für das Werkstück zur Erzeugung eines Gegendruckes für die Hochumformung folgt.
Es ist auch bevorzugt, die Gradierstruktur in einer Werkzeugstruktur zwischen einem Oberstempel und einem Unterstempel anzuordnen, die vorzugsweise im Wesentlichen gleiche Durchmesser aufweisen und zwischen denen das Werkstück für den Gradierpressvorgang abgestützt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Werkstück zeichnet sich durch ein normalkörniges Gefüge im Inneren und eine Randschicht von ca. 1% bis 30% eines maximalen Gesamtquerschnittes mit ultrafeinkörnigem oder nanokristallinem Gefüge aus, so dass Werkstücke oder Halbzeuge hergestellt werden können, die sich durch extrem verschleiß- und formbeständige Oberflächenschichten mit ultrafeinkörniger Mikrostruktur und hochgradiger Kornfeinung auszeichnen, während im Inneren des Werkstückes eine gröbere Kornstruktur und entsprechende Bildsamkeit oder Schlagzähigkeit des Werkstoffes unterhalb des Werkzeuges erhalten bleiben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Scheibe als Halbzeug,
1b eine schematische Schnittdarstellung nach 1a,
2 ein Werkzeugaufbau mit Gradiermatrize in schematischer Darstellung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
2a eine Einzelheit der Gradiermatrize im Bereich der Formelemente,
3 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Werkzeugaufbaus nach 2 im Bereich der Gradiermatrize
4 einen Werkzeugaufbau in schematischer Darstellung mit einer Gradiermatrize nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5a–5d schematische Querschnittsdarstellungen von Gradiermatrizen mit Formelementen,
6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines stangenförmigen Halbzeuges im Halbschnitt mit zugehörigen bereichsabhängigen Mikrostrukturen,
7 ein schematisches Fließdiagramm eines Umformvorganges eines Vorwärtsvollfließpressen mit integriertem Gradierungspressen, und
8 eine schematische Darstellung eines im Vorwärtsvollfließpressen mit integriertem Gradierungspressen hergestellten Halbzeuges, und
9 verschiedene Fertigungsstufen einer Umform-Herstellung eines Schraubenbolzens mit ultrafeinkörniger Teil-Randschicht.
Die 1a und 1b zeigen in schematischer Darstellung eine Scheibe 1 als Halbzeug, die durch lokal eingebrachte hohe Umformgrade benachbart zu einer Oberfläche der Scheibe 1 ein Randschichtgebiet 2 hoher Kornfeinung aufweist, während im mittleren Bereich 3 der Scheibe 1 das normalkörnige, von der lokalen Umformung mit wechselnder Umformrichtung weitgehend unbeeinflußte Gefüge erhalten bleibt. Der Kern unterliegt einer geringen bzw. dem Vollvorwärtsfließpressen gleichenden Umformung, d. h. Texturierung (Streckung der Körner) und Kaltverfestigung.
Das nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläuterte, hier als „Gradierungspressen” bezeichnete Verfahren, dessen Primärziel nicht eine Formgebung (Geometrieänderung) eines Halbzeuges oder Werkstückes, sondern eine Werkstoffmodifikation durch Hochverformung mit resultierender Kornfeinung ist, führt zu verbesserten Randschichten von Bauteilen, die am höchsten beansprucht werden, wobei zugleich kombinatorisch die positiven Eigenschaften eines groberen Kerngefüges und einer hochfeinen und hochfesten Randschicht miteinander verbunden werden und wobei zudem das nachfolgend noch genauern erläuterte Verfahren auf herkömmlichen Umformmaschinen ausführbar ist.
Die umformtechnische Einstellung unterschiedlicher Korngrößen wird auch als „Gradierung” bezeichnet.
Metallische Werkstoffe, denen durch gezielte Hochverformung im Randbereich ein definierter, im Wesentlichen kontinuierlicher Gradient der Korngröße von grobkörnig bis ultrafeinkörnig im Werkstoffvolumen verliehen wird, können als Gradientenwerkstoffe bezeichnet werden. Auf diese Weise werden massive Halbzeuge, wie z. B. stabförmige Bauteile, mit einer starken Gradierung ihrer Korngröße bis in einen Submikrometerbereich ausgestattet, um einen Gradienten der Eigenschaften einzustellen.
2 zeigt im schematischen Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugaufbaus mit einer Gradiermatrize 4 und Ober- und Unter-(oder Gegen-)Stempel 5, 6, wobei sich zwischen Ober- und Unter-Stempel 5, 6 ein stabförmiges (hier) Halbzeug oder Werkstück 11 befindet. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, nicht nur über im Wesentlichen die gesamte Länge eines Werkstückes eine Hochverformung auf seinem Umfang oder einen Teil desselben durch die Gradiermatrize 4 auszuüben, sondern auch nur einem Abschnitt des Werkstückes in Längsrichtung durch die Gradiermatrize 4 eine Kornfeinung im Randbereich (oberflächennah) zu verleihen.
Die Gradiermatrize 4 dient der Einbringung einer Hochverformung, insbesondere durch mehrfachen Wechsel der Verformungsrichtung und durch im Verhältnis zum Querschnitt des Werkstückes kleinen Formelementen 9 der Gradiermatrize 4, durch die eine Hochverformung nur im Randbereich des Werkstückes erfolgt. Wie 2a zeigt, sind Eingangs- und Ausgangsdurchmesser d_E und d_A der Gradierungsstruktur mit den Formelementen 9 im Wesentlichen gleich.
Wie anhand von 3 verdeutlicht ist, die eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung der Gradiermatrize 4 mit fünf identischen Formelementen 9 zeigt, wird das Wesen des Umformvorganges in der Ausbildung lokal hoher Umformgrade zur Verformung im Bereich einer Zylindermantelfläche des Werkstückes gesehen. Durch mehrfachen Richtungswechsel der Umformung mit starker kumulierter Dehnung (Umformgrad φ > 1) und zwar mit Formelementen 9, die im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser mit relativ kleinem Dimensionen ausgeführt sind, wird die plastische Verformung überwiegend auf den im Kontaktbereich zwischen Werkstück und Werkzeug (Gradiermatrize 4) befindlichen Werkstoff beschränkt, und es folgt eine lokale Hochverformung mit einem Gradienten der Korngröße in Richtung Werkstückinneres.
Die Verformung im Bereich der Zylindermantelfläche des Werkstückes wird also dadurch erreicht, dass der Werkstoff durch im Verhältnis zum Werkstückdurchmesser verhältnismäßig kleinen Formelementen 9 in der Gradiermatrize 4 wechselnden Randschichtverformungen und Fließrichtungen des Werkstoffes ausgesetzt wird.
Obwohl die Anzahl der Formelemente 9 verschieden sein kann und auch eine Mehrzahl unterschiedlicher Formelemente zur Erzwingung einer Richtungsänderung des Werkstoffflusses im Oberflächen-Randbereich des Werkstückes vorgesehen sein kann, erscheint eine Kombination einer Mehrzahl von gleichartigen, wellenförmig ausgebildeten und abfolgenden Formelementen 9 für eine definierte und vorhersehbare Kornfeinung mit sehr hohem Umformgrad (z. B. zwischen 4 und 7) vorteilhaft.
Untersuchungen zeigen, dass Umformgrade größer 1 und im Bereich der „Wellenberge” der Formelementen 9 bis über 7 erreicht werden.
Die Formelemente 9 können sich in Gestalt und Anzahl unterschieden und im weitesten Sinne können als Formelemente jegliche Werkzeugabschnitte bezeichnet werden, die während des Umformprozesses Einfluss auf den Werkstofffluss nehmen bzw. den Spannungszustand und Werkstofffluss im Randbereich des Werkstückes beeinflussen. Der Hauptzweck der Formelemente 9 besteht dabei in der Erzeugung einer Werkstoffmodifikation, die jedoch auch mit einer formgebenden Geometriebildung zur Umgestaltung des Werkstückes verbunden werden kann, ggf. auch in Kombination mit der Gestaltung der Formelemente 9 selbst.
In dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wird die Hochverformung also durch den Gegendruck eines Unterstempels erzeugt, während die Durchmesser im Wesentlichen gleich bleiben. Mit d_A ist in 3 ein Anfangsdurchmesser des Werkstückes bezeichnet, mit d_E ein Enddurchmesser des Werkstückes, während mit d_UA ein äußerer Umformdurchmesser, bestimmt durch eine radial maximale Erstreckung eines Formelementes 9 und mit d_UI ein innerer Umformdurchmesser, gebildet durch die Profilstruktur bzw. den inneren Kleinstdurchmesser des Formelementes 9 bestimmt wird. Eine vergrößerte Darstellung ist auch in 5d? gezeigt.
Während im vorliegenden Fall eine axial kontinuierliche Umformung erfolgt, kann diese selbstverständlich auch in wechselnden Richtungen vorgesehen werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugaufbaus ähnlich demjenigen in 3, jedoch für eine Kombination der durch Formelemente 9 einer Gradiermatrize 4 hervorgerufenen Kornfeinung und Hochverformung einer Randschicht des Werkstückes mit einer Geometrieänderung desselben im Sinne eines Vorwärts-Vollfließpressens durch eine an die Gradiermatrize 4 sich anschließende Fließpressmatrize 10 mit verringertem Werkstückdurchmesser. Auch hierbei ist ein Oberstempel 5 in einer Einlaufmatrize 7 vorgesehen, der einerseits die Gradierungsstruktur durch Hindurchpressen des Werkstückes durch die Gradiermatrize 4 mit ihren Formelementen 9 und zugleich eine Verringerung des Außendurchmessers des Werkstückes durch die anschließende Vorwärtsvoll-Fließpressumformung bewirkt. Auch hier ist der Werkzeugaufbau lediglich in schematischer Darstellung gezeigt. Während bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 Eingangs- und Endquerschnitt im Gradierbereich der Gradiermatrize 4 gleich sein kann und die Hauptfunktion derselben eine Eigenschaftsmodifizierung (Kornfeinung) durch Hochverformung im Randbereich und daraus folgender extremer Feinkörnung des Gefüges des Werkstückes ist, wird in dem Ausführungsbeispiel nach 4 die Gradierung und Umlenkung des Werkstoffflusses im Randbereich des Werkstückes in wechselnde Richtungen mit einem durchmesserreduzierenden Vorwärts-Vollfließpressen (Reduziermatrize 10) verbunden.
Die Pressmatrize 10 für das Vorwärts-Vollfließpressen (durchmesserreduzierend) kann auch integral mit der Gradiermatrize 4 ausgebildet sein, d. h. die Formelemente 9 können Teil einer Reduziermatrize (Pressmatrize 10) eines geometrieändernden Fließpressvorganges für das Werkstück sein.
Bedingt durch die Durchmesserverringerung ist die Pressmatrize oder Reduziermatrize 10 gegendruckbildend und bringt einen erhöhten Umformwiderstand in axialer Richtung gegen den Werkstoffluss auf, so dass sie die Funktion der Einbringung eines hydrostatischen Druckzustandes in das Werkstück erfüllt.
Ein besonderer Gegenstempel (Unterstempel 6) ist in diesem Falle im Allgemeinen entbehrlich.
Der hydrostatische Druckzustand führt einerseits dazu, dass tatsächlich der Werkstofffluss mit wechselnder Richtung im Bereich der Formelemente 9 im Grenzbereich der Randschicht des Werkstückes stattfindet und die durch die Formelemente 9 gebildeten Taschen im Gradierungsbereich der Gradiermatrize 4 ausgefüllt werden, zum anderen wird das Formänderungsvermögen des Werkstoffes erhöht, was für die Einbringung der großen kumulierten Verformungen (Hochform) im Randbereich des Werkstückes im Bereich der Formelemente 9 erforderlich ist.
Sofern der durch die Reduziermatrize bzw. Pressmatrize 10 hergestellte Umformwiderstand in Verformungsrichtung des Vorwärts-Vollfließpressvorganges nicht ausreicht, kann zusätzlich auch noch ein Gegenstempel im Matrizenverband zur Abstützung des Werkstückes vorgesehen sein.
In den 5a bis 5c sind schematisch nochmals unterschiedliche Formelemente 9, und zwar sowohl hinsichtlich radialer Ausbildung und Steigung sowie axialer Länge als Ausführungsbeispiele für die Ausbildung des Gradierungsbereiches einer Gradiermatrize 4 oder auch allgemein einer Fließpressmatrize dargestellt, die zu unterschiedlichen Umformgraden und Randverfestigungen der jeweiligen Werkstückes führen, so dass über die Auswahl der Formelemente und ihrer Kombination Einfluss auf die Kornfeinung im Randbereich des Werkstückes genommen werden kann.
In den Ausführungsbeispiel nach den 5a bis 5c findet jeweils auch eine Geometrieänderung (Reduzierung) des Enddurchmessers des Werkstückes im Vergleich zum Ausgangdurchmessers im Sinne eines Vorwärts-Vollfließpressvorganges statt.
In 5d ist schematisch eine Ausführungsform mit Formelementen 9 für den Bereich der Gradiermatrize zur Einbringung einer lokalen Hochverformung gezeigt, die durchmesservariabel sind, d. h. im Gradierungsbereich nicht stets einen gleichen Durchmesser aufweisen, sondern deren Durchmesser sich reduziert, so dass im Bereich der Formelemente 9 zugleich eine Geometrieänderung des Werkstückes im Sinne einer Verringerung seines Außendurchmessers stattfindet (Kombination von Gradierungspressen und Vorwärts-Vollfließpressen).
6 verdeutlicht nochmals schematisch anhand einer schematischen Querschnittsdarstellung eines Werkstückes 11, die aufgrund des Gradierungspressens erlangten unterschiedlichen Kornstrukturen über den Querschnitt des Werkstückes 11 in Abhängigkeit von der radialen Position des betreffenden Gefügeabschnittes. Die Korngröße nimmt von Innen nach Außen ab und erreicht im Bereich der Randschicht 12 die hochgradige Kornfeinung im Gefügebild 13 als Ergebnis des Gradierungspressens.
7 zeigt ein Berechnungsmodell nach der Methode der finiten Elemente für den Werkstofffluss bei einem kombinierten Gradierungspressen mit Vorwärts-Vollfließpressen, wobei eine Durchmesseränderung zwischen Ausgangsdurchmesser und Enddurchmesser des Werkstückes von 16 mm auf 10 mm, mit Formelementinnendurchmesser 15 mm und 13 mm, stattfindet.
Die durch wechselnde Verformungsrichtung und Fließrichtung des Werkstoffflusses erreichte Kornfeinung im Bereich der Formelemente 9 ist besonders deutlich. Auf diese Weise wird ein hochfester Randschichtbereich 12 des Werkstückes 11 ausgebildet.
8 zeigt ein Halbzeug 100, das mit einem Abschnitt 101 der Einbringung einer Hochverformung im Bereich der Formelemente 9 einer Gradiermatrize 4 versehen ist und im Übrigen als Vorwärts-Vollfließpressteil über seinen reduzierten Durchmesserbereich 102 eine entsprechende hochfeste Randschicht mit ultrafeinkörnigem bzw. nanokristallinem Gefüge besitzt, das auch nur in Teilbereichen eines Umfanges, je nach der Anordnung der Formelemente 9 in einer entsprechenden Umformmatrize, ausgebildet sein kann.
9 zeigt für die Herstellung eines Schraubenkörper-Halbzeuges 200 unterschiedliche Prozessstufen mit einem zum Rand hin hochverformten Halbzeug zur Ausbildung eines Schraubenkörpers, wobei die Stufe I verdeutlicht, dass ein ultrafeinkörniges Gefüge durch (stromauf) werkzeugseitig angeordnete Formelemente als reine Halbzeugmodifikation ohne Geometrieänderung erreicht wird, wobei der ultrafeinkörnige oder nanokristalline Bereich in
9 vollflächig dargestellt und mit A bezeichnet ist. In den weiteren Prozessstufen II–IV ist der ultrafeinkörnige oder nanokristalline Randschichtbereich ebenfalls mit A bezeichnet, dort jedoch kombiniert mit einer Geometrieänderung des Halbzeuges. Die grobkörnigen Querschnittsbereiche sind mit B gekennzeichnet.
In einer alternativen Ausführungsform, die hier nicht dargestellt ist, die Gradierungsstruktur in Gestalt von materialflussändernden-richtungsändernden Formelementen an einer Umfangsfläche eines Reststempels auszubilden, zur Ausbildung einer hochfesten Innengeometrie-Randschicht eines hohlen, vorzugsweise im Fließpressen hergestellten Werkstückes, wie z. B. einer Hülse, oder eines Hohlteiles, das z. B. durch Rückwärts-Napffließpressen hergestellt wird. Auch hier kann ein nanokristallines oder ultrafeines Gefüge entlang einer Innenwandung der Hülse bzw. des Hohlkörpers ausgebildet werden, die bei der Pressformung in einer Matrize bzw. an einem Stempel umfangsseitig aufgenommen ist.
Ggf. können auch beide Gefügebildungsstrukturen (Stempel und Gradiermatrize) mit jeweiligen Formelementen 9 in Kombination zur Ausbildung von ultrafeinkörnigen Randschichten im Inneren und an der Außenoberfläche des Werkstückes angewandt werden.
Durch die Erfindung wird mittels Gradierpressen die Herstellung von Halbzeugen möglich, die sich abschnittsweise oder in lokal begrenzter Weise durch außerordentlich vorteilhafte Werkstoffeigenschaften nanokristallinen oder ultrafeinkörniges Gefüge auszeichnen, während der Kernbereich des entsprechenden Halbzeuges keiner Hochverformung unterworfen ist. Im Kernbereich erfolgt eine Streckung der Körner ohne starke Substrukturierung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009033647 [0011]

Claims

Verfahren zur zumindest partiellen Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes, insbesondere zur Erzeugung einer ultrafeinkörnigen oder nanokristallinen Mikrostruktur benachbart zu einer Oberfläche eines Werkstückes (11), wobei das Werkstück (11) zumindest im Bereich eines Abschnittes einer Werkstückoberfläche einer umformenden Hochverformung unter Richtungsänderung eines Werkstoffflusses benachbart zur Werkstückoberfläche unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mehrfachen Richtungswechsel einer Fließ- oder Verformungsrichtung zumindest in einem Abschnitt des Werkstückes benachbart zur Werkstücksoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Hochverformung von im Verhältnis zum Werkstückquerschnitt nur kleinen Werkstoffvolumen im Randbereich des Werkstückes, vorzugsweise bis ca. 1/3 eines Querschnittsvolumens des Werkstückes.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit der gefügeändernden Hochverformung gleichzeitig eine Geometrieänderung des Werkstückes, z. B. Durchmesserverringerung, erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Verwendung einer Gradiermatrize (4) mit einer zumindest in einem Abschnitt derselben vorgesehener Gradierungspresskonfiguration (9) zur zumindest partiellen Hochverformung einer oberflächennahen Randschicht des Werkstückes.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Halbzeug (200) bildet, das vorzugsweise in der Art eines Vorwärtsvollfließpressens durch ein Gradierprozesswerkzeug, insbesondere durch eine Gradiermatrize (4), vorzugsweise unter Querschnittsreduzierung hindurchgepresst und zugleich ein Gradierungspressen mit Richtungsänderung und der Fließrichtung des Werkstückes zumindest in ein Teil eines Randschichtbereiches des Werkstückes, bedingt durch eine Gradierungspressstruktur (9) einer Innen- und/oder Außengeometrie des Gradierpresswerkzeuges, insbesondere der Gradierpressmatrize (4), bewirkt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochverformung eines Randschichtbereiches des Werkstückes (11) ohne Querschnittsänderung zwischen Werkstücksquerschnitt am Eingang des Gradierpresswerkzeuges, insbesondere der Gradiermatrize (4), und am Ausgang des Gradierpresswerkzeuges durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück durch einen stromaufseitigen ersten Stempel (5) durch eine Gradiermatrize (4) gepresst und durch ein Gegenhalter, wie einen stromabseitigen Gegenstempel (6), eine Reduziermatrize (10) oder einen Abschnitt verringerten Querschnitts der Gradiermatrize (4) in einem ein- oder mehrachsigen Spannungszustand druckbeaufschlagt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke eines Randschichtbereiches einer Hochverformung unter Richtungsänderung, insbesondere mehrfacher Richtungsänderungen, des Werkstückes (11) unter Ausbildung eines ultrafeinen oder nanokristallinen Werkstückvolumens, insbesondere einer Randschicht des Werkstücks ca. 1% bis 30%, vorzugsweise 5% bis 15%, eines Durchmessers des Werkstückes beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (11) durch einen ersten Stempel (5) durch eine Einlaufmatrize (7) und durch eine stromab der Einlaufmatrize angeordnete Gradiermatrize (4) mit einem Gradierprofil gepresst wird, insbesondere stromab derselben eine Reduziermatrize (10) zur Durchmesserverringerung angeordnet ist und/oder ein vorauslaufendes Ende des Werkstückes (11) durch einen Gegenstempel (6) abgestützt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein fließender Übergang zwischen einem grobkörnigen Gefüge im Inneren des Werkstückes (11) und einen ultrafeinen oder nanokristallinen Gefüge im Randschichtbereich des Werkstückes (11) vorgesehen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (11) als Halbzeug (200) mit einer hochverformten Randschicht (12) mit ultrafeinem oder einem nanokirstallinem Gefüge, vorzugsweise in integraler Prozessführung in einem mehrstufigen Umformvorgang zu einem Endprodukt umgeformt wird, insbesondere in Verbindung mit einem Vorwärtsvoll- oder Rückwärtsnapffließpressen.
Vorrichtung zur Korngrößenbeeinflussung eines Werkstückes, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Umformwerkzeug mit einer Gradierstruktur (9) zur Erzeugung eines Gradienten der Korngröße innerhalb des Werkstückes unter Ausbildung eines ultrafeinen oder nanokristallinen Gefüges in einem inneren und/oder äußeren Randschichtbereich des Werkstückes (11).
Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Gradiermatrize, die zumindest umfangsseitig zumindest teilweise eine Gradierstruktur, insbesondere gebildet aus zumindest einer oder einer Mehrzahl von insbesondere unmittelbar in Vorschubrichtung des Werkstückes abfolgenden Formelementen (9) zur Änderung einer Fließrichtung oder Verformungsrichtung benachbart zu einer Kontaktfläche zwischen Werkstück (11) und Gradiermatrize (11), aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch im Wesentlichen übereinstimmende Eintritts- und Austrittsdurchmesser mit der Gradierstruktur (9) zwischen Eintritts- und Austrittsdurchmesser der Gradiermatrize (4).
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Gradiermatrize (4) als Reduziermatrize mit gegenüber einem Eintrittsdurchmesser verringerten Austritt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch einen Stempel mit einer Gradierstruktur zur Ausbildung eines ultrafeinen oder nanokristallinen Gefüges im Werkstück benachbart zu einer Kontaktfläche zwischen Stempel und Werkstück.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch einen Stempel (5) und eine Einlaufmatrize (7), eine Gradiermatrize (4) und einen Gegenstempel (6) zur Abstützung eines vorauslaufenden Endes des Werkstückes (11).
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch eine Reduziermatrize (10) stromab der Gradiermatrize (4).
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch ein Formgebungswerkzeug mit einer Gradierstruktur.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 20, gekennzeichnet durch eine Matrize (7) mit einem Einlaufabschnitt, einem Gradierabschnitt und einen Reduzierschritt (9) in integraler Ausbildung mit zumindest einem Oberstempel (5) zur Druckbeaufschlagung eines Werkstückes (11).
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch einen Unterstempel (6) zur Abstützung eines vorauslaufenden Endes des Werkstückes (11).
Werkstück mit normal- oder grobkörnigem Gefüge und zumindest einem Abschnitt einer Randschicht mit einer Tiefe von ca. 1% bis ca. 30% eines Gesamtquerschnittes mit ultrafeinkörnigem oder nanokristallinem Gefüge.
Werkstück nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (11) einen achssymmetrischen Querschnitt aufweist.