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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer oxidierten Oberfläche einer Metalllegierung. Diese Metalllegierung weist als Hauptanteil Eisen auf; weiterhin umfasst die Legierung mindestens ein Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein Ausbilden einer oxidierten Schicht an der Oberfläche der Metalllegierung, wobei diese Schicht Oxide des in der Metalllegierung vorliegenden Elementes der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 aufweist, während das in der Metalllegierung vorliegende Eisen nahezu bis gar nicht oxidiert ist. Weiterhin stellt die folgende Erfindung ein entsprechendes Werkzeug aus einer solchen Metalllegierung bereit. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit eines Werkzeuges z.B. durch Verringerung des Reibwertes. Dadurch können Werkstücke, insbesondere metallische Werkstücke, mit stark verringerter Schmiermittelmenge, bis hin zur Schmiermittelfreiheit, umgeformt werden. Die folgende Erfindung stellt schließlich entsprechende Bauteile aus einer Metalllegierung bereit, die insbesondere als Werkzeuge zum Umformen von Werkstücken, wie ein schmierstoffarmes oder -freies Umformen von Werkstücken, geeignet sind.
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Stand der Technik
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Verschleiß verursacht in der Umformtechnik jährlich einen Verlust von wenigstens 3 % des durch die Umformtechnik erzielten Anteils am Bruttosozialprodukt. Ein solcher Verlust ergibt sich aus dem fortschreitenden Materialverlust an den Oberflächen fester Körper durch die mechanische Beanspruchung während des Umformprozesses. Diese mechanischen Ursachen beinhalten den Kontakt und die Relativbewegung der Körper bei der Umformung und beinhalten weiterhin die durch die Tiefbewegung sich ergebende Reibung der Körper zueinander. Bedingt durch die großen Oberflächen in der Blechumformung, im Verhältnis zum umgeformten Volumen, nimmt der Materialverlust, z.B. durch Reibung, in diesem Bereich der Umformtechnik einen großen Stellenwert ein. Beim Tiefziehen überschreitet z.B. der Anteil der Reibkraft an der gesamten Umformkraft den Anteil der reinen Umformkraft oft um ein Vielfaches. Um sowohl die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge zu erhöhen, als auch die notwendigen Umformkräfte zu senken, wurden bereits verschiedenste Vorschläge in die Tat umgesetzt. Die meisten Vorschläge beruhen dabei auf der Idee, den Prozess durch Schmieren des Werkzeugs und des Werkstücks zu verbessern oder das Werkzeug selbst zu beschichten.
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Das Schmieren des Umformprozesses erfolgt üblicherweise durch konventionelle flüssige Schmierstoffe, die als Ziehöle bezeichnet werden. Ein solcher Einsatz von Schmierölen, ist jedoch gerade bei einer nachhaltigen Produktion problematisch. Obwohl versucht wird, umweltfreundliches und rückstandsfreies Schmieröl bereitzustellen, tritt doch ein Problem durch die Belastung der Umwelt durch den Einsatz und auch durch die Herstellung solcher Ziehöle auf. Zusätzlich kommt die Notwendigkeit der Durchführung von Reinigungsschritten vor der Weiterverarbeitung des Werkstücks hinzu. Ebenfalls kann eine Vorbehandlung des Werkstücks notwendig sein, nämlich dann, wenn die eingesetzten Ziehöle nicht mit den bereits mit den am umzuformenden Werkstück vorhandenen Beschichtungen kompatibel sind. So erfordern die weiterverarbeitenden Prozesse des Werkstücks zusätzliche Kosten und eine zeitintensive Bearbeitung.
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Andererseits kommen durch Korrosion verursachte Werkzeugschädigungen, die ebenfalls kostenintensive Ausbesserungen und Reparaturen nach sich ziehen, hinzu. So erfolgt z.B. beim Tiefziehen von Platinen vor der Umformung oft ein Waschen und Neubeölen dieser Platinen. Solche Platinen bzw. umzuformende Werkstücke werden üblicherweise vom Zulieferer bereits mit Korrosionsschutzölen beölt. Solche Korrosionsschutzöle genügen aber nicht den Anforderungen an Ziehölen bei komplexeren Umformprozessen und können daher nicht einfach auf dem umzuformenden Werkstück belassen werden. Vielmehr kann ein Entfernen des Korrosionsschutzöles und ein anschließendes neues Beölen mit Ziehöl notwendig erscheinen.
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Weiterhin wird versucht, die Werkzeuge selbst zu verändern, z.B. durch Beschichtungen. Diese Werkzeuge können aber einer Korrosion, insbesondere auch durch die eingesetzten Schmieröle ausgesetzt sein. Eine Ausbesserung der Werkzeuge, wie die Beschichtungen dieser Werkzeuge, erfordert eine umfangreichere Reparatur, z.B. durch Ausbau der Werkzeuge und einen sich daraus ergebenden Stillstand des Werkzeugs sowie der Produktionskette.
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Es gibt in der Literatur eine Vielzahl von Verfahren zur Erzeugung oxidierter Oberflächen bei Metalllegierungen. Diese Metalllegierungen, üblicherweise Werkzeugstähle, Kalt- Warmarbeitsstähle im Allgemeinen Edelstähle, sind dabei solche aus Eisen als Hauptbestandteil mit Zusätzen anderer Metalle, einschließlich Elementen der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6.
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Aus der
DE 10 2004 032 635 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Titansuboxid-basierten Beschichtungswerkstoffs beschrieben. Die US 2012 / 0 251 887 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nanomaterialien aus Titanoxid mit magneliphasenartigen Oxiden. Aus der
DE 694 19 178 T2 sind Verfahren zur Erzeugung von Oberflächen mit Trockenschmiereigenschaften auf Titansub-oxidbasis bekannt. Dabei wird ein Pulver von Titansuboxid, das heißt solche mit magneliphasenhaltigen Oxiden, mit einem Bindemittel zur Ausbildung einer „Preform“ verwendet, dieses Bindemittel anschließend entfernt, und die „Preform“ unter Hitzebehandlung zur Ausbildung eines weitgehend korrosionsbeständigen Artikels bereitgestellt. Dieses ist korrosionsbeständig und eignet sich insbesondere im Gebrauch als Elektrode.
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Die
EP 0 512 782 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidschicht auf der Oberfläche vom rostfreien Stahl. Dabei wird ein gasförmiges Medium zur Oberflächenpassivierung des rostfreien Stahls eingesetzt, das im Wesentlichen frei von Feuchtigkeit und Sauerstoff ist. Die Oberflächenpassivierung wird dort durch Ausbildung von Metalloxiden, nämlich Eisenoxid und anderen Oxiden der Legierungsbestandteile einschließlich Chromoxid, erreicht. Dabei wird ausgeführt, dass bei geringen Konzentrationen von Sauerstoff die Dicke der Oberflächenoxidschicht zunimmt und mehr Chromoxid und Eisenoxid entsteht.
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Die
DE 199 81 506 B4 beschreibt oberflächenbehandelte Wälzlager und Verfahren zu deren Herstellung. Dabei werden Laufkäfige aus chromhaltigen oxidierten Werkstoffen bereitgestellt. Die
EP 0 722 511 A1 lehrt die Oxidation von Stahl mit geringem Chromgehalt. Dieses Verfahren beschreibt eine Ausbildung von Eisenchromoxid - Spinell erhalten durch Oxidation der Legierung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre in einem bestimmten Temperaturbereich. Schließlich lehrt die
DE 103 56 113 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes, bei dem in einem ersten Schritt die Bildung eines Metalloxids oder Mischoxids gefordert wird, während die Ausbildung anderer Metalloxide unterdrückt wird, um dann in einem zweiten Schritt die anderen Metalloxide oder Mischoxide auszubilden. Ziel des dort beschriebenen Verfahrens ist ein reduzierendes Ausgasen von Metallen oder von Metalloxiden. Dieses wird dadurch erzielt, dass die Metalloxide in der Reihenfolge ihrer Stabilität gebildet werden. Ziel ist die Ausbildung von Schichten, die stabile, definierte Metalloxide an der Oberfläche vorsehen, wobei alle in der Oberfläche vorliegenden Metalle als Metalloxide vorliegen. Weiteren Stand der Technik bilden die Druckschriften
DE 23 39 869 A ,
DE 34 19 638 C2 ,
DE 31 08 160 A1 ,
DE 31 04 112 C2 und
AT 505 908 A4 .
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Eine Erzeugung von inerten Schichten, die verringerte Verschleißeigenschaften aufweisen, insbesondere einen verringerten Reibwert und somit Trockenschmiereigenschaften besitzen, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren zum Erzeugen von Metalllegierungen mit oxidierter Oberfläche, wobei diese Oberfläche verbesserte Reibeigenschaften und Verschleißbeständigkeit aufweist und insbesondere Trockenschmiereigenschaften besitzt, sowie entsprechende Bauteile.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt. Weiterhin wird eine entsprechend so behandelte Metalllegierung z.B. in Form eines Bauteils, wie in Form eines Werkzeuges bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einer Werkzeugoberfläche und erlaubt die Herstellung von oxidierten Metalllegierungen, sowie Werkzeugen mit verringertem Reibwert.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum schmierstofffreien Umformen von Werkstücken beschrieben, wobei das Umformwerkzeug eines mit einer oxidierter Oberfläche erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist.
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Schließlich stellt die vorliegende Erfindung Bauteile mit oxidierten Oberflächen aus einer Metalllegierung erhältlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereit, wobei diese oxidierten Oberflächen magneliphasenhaltige Oxide enthalten. Die Metalllegierung weist als Legierungsbestandteil vorliegend mindestens ein Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 auf und zumindest die Oberfläche weist im Wesentlichen keine Eisenoxide auf. Solche Bauteile eignen sich insbesondere als Werkzeuge zum Umformen von Werkstücken mit verringertem oder keinem Schmierstoffbedarf, insbesondere zum schmierstofffreiem Umformen von Werkstücken.
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Es wurde überraschend festgestellt, dass durch Einstellen der Verfahrensparameter beim Erzeugen der oxidierten Oberfläche solche oxidierten Oberflächen erhalten werden, die vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf ein schmierstoffverringertes Umformen, nämlich in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit, sowie verbesserte Reibwerte aufzeigt.
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D.h., die vorliegende Anmeldung richtet sich in einem ersten Aspekt auf ein Verfahren zum Erzeugen einer oxidierten Oberfläche einer Metalllegierung, dessen Hauptanteil Eisen ist und wobei die Legierung weiterhin mindestens ein Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 beinhaltet mit den Schritten:
- a) Erwärmen der Metalllegierung auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Metalllegierung und oberhalb der Oxidationstemperatur mindestens eines in der Metalllegierung vorliegenden Elementes der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6;
- b) Halten der Temperatur zur Ausbildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche aus Oxiden des mindestens einen Elementes der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6;
- c) Abkühlen der Metalllegierung auf Raumtemperatur,
wobei zumindest die Schritte des Erwärmens und des Haltens der Temperatur unter Schutzgasatmosphäre erfolgt, wobei die Schutzgasatmosphäre eine ist, mit einem Sauerstoffpartialdruck, der eine Oxidation mindestens eines in der Metalllegierung vorliegenden Elementes der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 erlaubt, während das in der Metalllegierung vorliegende Eisen nahezu nicht bzw. gar nicht oxidiert wird. D.h. das in der Metalllegierung vorliegende Eisen liegt in einem möglichst geringen Umfang von z.B. maximal 5%, wie maximal 1%, z.B. maximal 0,1% des Eisens in der Oberflächenschicht von z.B. 100 nm in oxidierter Form vor. In einer Ausführungsform liegt das Eisen in der Oberflächenschicht nicht oxidiert vor.
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Die eingesetzten Metalllegierungen sind insbesondere Edelstähle und Werkzeugstähle. Die Edelstähle und Werkzeugstähle umfassen insbesondere solche, die Molybdän, Vanadium, Wolfram, Niob und/oder Titan enthalten, vor allem aber solche Metalllegierungen, die Chrom enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle Metalllegierungen, insbesondere Werkzeugstähle, die als Hauptanteil Eisen und als Legierungsanteil mindestens ein Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 aufweisen.
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Die Erfinder konnten zeigen, dass durch Auswahl entsprechender Verfahrensparameter, insbesondere der Temperatur zur Ausbildung der Oxidschicht sowie des Sauerstoffpartialdrucks die Ausbildung von Oxiden der Elemente der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 erreicht wird, während Eisen nahezu nicht oxidiert wird. Die Erfinder machen sich hierbei zu Nutze, dass unter bestimmten Temperaturen und Sauerstoffpartialdrücken bereits eine Oxidation der Elemente der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 erfolgt, während Eisen aber auch Nickel oder Kupfer als Bestandteile von Legierungen erst bei höheren Sauerstoffpartialdrücken ausgebildet werden. Die 1 stellt die entsprechenden Verfahrensparameter dar. Z.B. wird Chromoxid bei einem Sauerstoffpartialdruck von 1 × 10-33 mbar und 500° Celsius ausgebildet, während Eisen bei gleicher Temperatur einen Sauerstoffpartialdruck von 1 × 10-22 mbar erfordert, um Eisenoxid auszubilden.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich, eine oxidierte Oberfläche der Metalllegierung zu erzeugen, die im Wesentlichen Oxide der Elemente der Gruppen 4, 5 und/oder 6 aufweist, während Eisen im Wesentlichen nicht oxidiert wird.
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Es zeigte sich, dass solche Oberflächen verbesserte Reibwerte und somit eine verbesserte Verschleißbeständigkeit aufzeigen. Solche Oberflächen eignen sich insbesondere zum Einsatz in Werkzeugen, wie Werkzeugen zur Umformtechnik, da dort starke Reibkräfte auftreten.
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Die Elemente der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 die in dem erfindungemäßen Verfahren oxidiert werden, sind insbesondere ausgewählt aus Cr, Mo, W, Ti, Nb, V, bevorzugt Cr.
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In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur dabei auf eine Temperatur erhöht, die unterhalb der individuellen Rekristallisationstemperatur der zu behandelnden Metalllegierung liegt. Dem Fachmann sind die entsprechenden Rekristallisationstemperaturen der Metalllegierung bekannt und entsprechend kann die Temperatur eingestellt werden. Die Temperatur liegt dabei oberhalb der Temperatur, die notwendig ist, um ein Element der in der Metalllegierung vorliegenden Elemente der Nebengruppe 4, 5 und/oder 6 zu oxidieren. Der Fachmann kennt die entsprechenden Oxidationstemperaturen der gewünschten Elemente der Nebengruppe 4, 5 und/oder 6.
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Die Temperatur wird dann im Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens solange gehalten, bis eine entsprechende Oxidschicht auf der Oberfläche mit der Metalllegierung ausgebildet wird, wobei diese Oxidschicht aus Oxiden und mindestens eines Elementes der Nebengruppe 4, 5 und/oder 6 ist. Dabei ist die Temperatur in Kombination mit dem Sauerstoffpartialdruck derart ausgewählt, dass eine Oxidation von in der Metalllegierung vorliegendem Eisen nahezu nicht erfolgt.
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Nach Ausbildung der Oxidschicht wird die Metalllegierung auf Raumtemperatur abgekühlt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Erwärmen und Halten der Temperatur und ggf. auch das Abkühlen der Metalllegierung auf Raumtemperatur unter Schutzgasatmosphäre erfolgt. Diese Schutzgasatmosphäre ist dabei derart ausgebildet, dass der Sauerstoffpartialdruck so eingestellt ist, dass in Verbindung mit der ausgewählten Temperatur der freie Sauerstoff üblicherweise aber in Form von Wasser vorhandenem Sauerstoff, mit dem mindestens einen Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 zum Oxid des Elements umgesetzt wird, während Eisen nahezu bzw. im Wesentlichen nicht oxidiert wird. Wie oben ausgeführt ist in einer Ausführungsform dieses Element Chrom.
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In einer Ausführungsform wird dabei die Temperatur zum Erwärmen und Halten zur Oxidation so ausgewählt, dass diese in einem Bereich von 20° Celsius bis 100° Celsius unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Metalllegierungen liegt. Bei härtbaren Eisenlegierungen kann die Temperatur unterhalb der entsprechenden Anlasstemperatur der härtbaren Eisenlegierungen liegen.
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Bei dem Schutzgas handelt es sich in einer Ausführungsform im Wesentlichen um Argon. Andere Schutzgase, die dem Fachmann wohl bekannt sind, können ebenfalls eingesetzt werden.
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Zur weiteren ggf. gewünschten Verringerung des Sauerstoffpartialdrucks des Schutzgases wird dem Schutzgas, z.B. in Form von Argon, weiterhin eine zweite Komponente zugefügt, die zur weiteren Reduktion des freien Sauerstoffs im Schutzgas führt, z.B. unterhalb der Nachweisgrenze von 10-20 mbar. Diese weitere Komponente ist in einer Ausführungsform ein Monosilan SiH4. In einer Ausführungsform ist das Schutzgas daher eine Mischung aus Argon und Monosilan. Die zugeführte Menge an Monosilan wird dabei so eingestellt, dass der gewünschte Sauerstoffpartialdruck erzielt wird. Es wird davon ausgegangen, dass sich das Monosilan mit dem noch vorhandenen Sauerstoff im Argon zu Wasser, Wasserstoff und Siliziumdioxid umsetzt.
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Die Monosilanmenge ist hierbei so gewählt, dass die verbleibende Restsauerstoffaktivität so verringert wird, dass bei ausgewählter Temperatur der Sauerstoffpartialdruck unter dem liegt, der notwendig zur Ausbildung von Eisenoxiden ist, aber oberhalb des Wertes, bei dem eine Oxidation mindestens eines Elementes der Nebengruppe 4, 5 und/oder 6 erfolgt. Hierzu wird noch einmal auf die 1 verwiesen. Somit ist eine Oxidation der Elemente der Nebengruppe 4, 5 und/oder 6 möglich, z.B. von Chrom zu Chromdioxid oder der anderen Elemente wie Vanadium, Molybdän, Titan, Wolfram, Niob oder Tantal zu ihren jeweiligen Oxiden. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Oxiden dabei um magneliphasenhaltige Oxide. D.h., es liegen Mischoxide vor z.B. in Form von Mischoxiden verschiedener Metalle oder in Form von verschiedenen Oxidationsstufen eines Metalls.
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Das Monosilan wird dabei in einer Ausführungsform dem Argon so zugesetzt, dass der im Argon noch vorliegende Restsauerstoff, der meistens im einstelligen ppm-Bereich liegt, weiter verringert wird und das gebildete Wasser, z.B. im Bereich von 5 bis 20 ppm, nur teilweise weiter reduziert wird.
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In einer Ausführungsform liegt dabei Wasserstoff und Wasser in einem Stoffmengenverhältnis von etwa 2:1 vor. Eine Kontrolle des Sauerstoffpartialdrucks bzw. des Anteils an freiem Sauerstoff sowie Wasser und Wasserstoff kann mit üblichen Messungen, wie z.B. Messsonden erfolgen. Dies erlaubt die Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks mit hoher Sensitivität. Solche Bedingungen erlauben die Ausbildung von Chromoxiden, während einer Oxidation von Eisen nicht stattfindet, wie dies in der 1 gezeigt wird. Die 2 zeigt hierzu noch einmal die Abhängigkeit der im Schutzgas vorhandenen weiteren Bestandteile bei zugegebenen Silananteilen in ppm an. Dargestellt sind die Anteile der genannten gasförmigen Komponenten in der Gasmischung.
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Aus der 2 wird deutlich, dass bei Erhöhung des Silananteils im Schutzgas der freie Sauerstoffanteil sich deutlich verringert, während sich Wasser und Wasserstoff ausbildet, sowie SiO2.
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In einer Ausführungsform wird daher das Verhältnis von Argon zu Silan im Schutzgas derart eingestellt, dass die Restsauerstoffaktivität an freiem oder gebundenem Sauerstoff in den ausgewählten Temperaturbereichen die Ausbildung von Eisenoxiden nicht erlaubt, während das Oxid des Elementes der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 ausgebildet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von oxidierten Oberflächen von Bauteilen. Bei diesen Bauteilen handelt es sich insbesondere um Werkzeuge, wie Werkzeuge zum Umformen. Die ausgebildete Oxidschicht ist dabei in einer Ausführungsform eine, bei der die Oxide des mindestens einen Elements in den Gruppen 4, 5 und/oder 6 als magneliphasenhaltige Oxide aufweisen. Die Schichtdicke dieser Oxidschicht kann maximal 200 Nanometer betragen, z.B. in einer Größenordnung von ca. 100 Nanometer.
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In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Bauteil aus einer Metalllegierung z.B. in Form eines Werkzeugs, z.B. als Werkzeug zum Umformen von Werkstücken, wobei es sich hierbei um eines handelt, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist. Diese Metalllegierungen zeichnet sich durch die oxidierte Oberfläche mit den hierin beschriebenen Eigenschaften aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einer Werkzeugoberfläche. Entsprechende Werkzeuge mit erfindungsgemäß erhältlichen oxidierten Oberflächen weisen im Vergleich zu unbehandelten Werkzeugen eine verbesserte Verschleißbeständigkeit auf. Es zeigte sich weiterhin, dass diese Metalllegierung, z.B. als Bauteil oder als Werkzeug, einen verringerten Reibwert aufzeigt. Dieser Reibwert ist schmierstofffrei vergleichbar mit Reibwerten, die sonst im Umformbereich mit Schmierölen erreicht werden.
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Erfindungsgemäß ist daher, ein schmierstofffreies Umformen von Werkstücken möglich, wobei die verwendeten Werkzeuge solche mit oxidierter Oberfläche sind, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind.
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Schließlich werden Bauteile aus einer Metalllegierung dessen Hauptanteil Eisen ist und Bauteile die mindestens ein Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 beinhalten, bereitgestellt gemäß Anspruch 10; diese Bauteile aus einer Metalllegierung, die insbesondere in Form eines Werkzeugs ausgebildet sein können, zeichnen sich durch eine oxidierte Oberfläche des Bauteils mit magneliphasenhaltigen Oxiden aus, die mindestens ein Element der Nebengruppen 4, 5 und/oder 6 und im Wesentlichen keine Eisenoxide aufweisen.
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Dieses Bauteil ist insbesondere ein Werkzeug zum Umformen von Werkstücken, insbesondere zum schmierstofffreien Umformen von Werkstücken.
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Erfindungsgemäß erlauben diese Werkzeuge mit erfindungsgemäß oxidierter Oberfläche ein schmierstofffreies Umformen von Werkstücken.
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Das Verfahren selbst kann auch bei eingebauten Werkzeugen durchgeführt werden. Hierzu wird das Werkzeug gegenüber der Umgebung z.B. mit einer Haube abgegrenzt, das Schutzgas eingeleitet, und das Werkzeug erwärmt, sodass die Umgebung des Werkzeuges durch das erwärmte Schutzgas ausgebildet wird, welches dann eine entsprechende Ausbildung der oxidierten Oberfläche erlaubt.
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Natürlich sind auch andere Möglichkeiten zur Bearbeitung gegeben. Werkstücke können z.B. in einem Durchlaufofen unter entsprechender Schutzgasatmosphäre behandelt werden. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel näher erläutert ohne darauf beschränkt zu sein.
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Beispiel:
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Eine Metalllegierung, X155CrMoV121 wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Durchlaufofen der Firma Kohnle unter einer Argon-/Silanschutzgasatmosphäre unter Atmosphärendruck behandelt. Die Zusammensetzung des Argon-/Silanschutzgasatmosphäre betrug dabei 9 ppm Silan.
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Das Bauteil aus der Metalllegierung X155CrMoV121 wurde dabei auf maximal 470° Celsius erwärmt. Dies liegt unter der Rekristallisationstemperatur der Werkzeuglegierung von ca. 500° Celsius, während die Haltezeit der Maximaltemperatur von ca. 470° Celsius etwa 5 Minuten betrug. Unter diesen Prozessbedingungen bildete sich die erfindungsgemäße Oxidschicht in Form einer irisierenden Blaufärbung auf der Werkzeugoberfläche aus. Die Deckschichtdicke betrug dabei ca. 100 Nanometer. Anschließend wurde die Metalllegierung bei Raumtemperatur abgekühlt und es bildeten sich in der Oxidschicht an der Oberfläche des Werkzeugs magneli-phasenhaltige CrVMo Mischoxide aus.
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Die Bestimmung des Reiberwertes wurde mittels Streifenziehversuchen ohne Umlenkung vorgenommen. Im Vergleich hierzu wurde konventionell mit dem Schmieröl Raziol CLF180 geschmiert, sowie einem nichtbehandelten und nichtgeschmierten Werkstück (je 5 Wiederholungen mit Aceton gereinigt, elektrolytisch verzinkten DP600+CE-Blechstreifen als Werkstück, Flächenpressung von 20 MPa, Ziehrichtung in Walzrichtung. Die Reinigung der Blechstreifen erfolgte zur Entfernung des Korrosionsschutzes und um eine Trockenumformung abzubilden.
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Das erfindungsgemäße konventionelle Werkstück zeigt einen durchschnittlichen Reibwert bei 5 Wiederholungen ohne Schmierung µ = 0,14, während bei sowohl konventionell geschmierten als auch erfindungsgemäß schmierstofffreiem Umformen ein Reibwert von µ = 0,11 erzielt wurde.
