DE112009000494T5

DE112009000494T5 - Warmumformwerkzeuge für Aluminium- und Magnesiumbleche

Info

Publication number: DE112009000494T5
Application number: DE112009000494T
Authority: DE
Inventors: Michael D. West Bloomfield Hanna
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: WO2009111369A3; WO2009111369A2; DE112009000494B4; US20090223275A1; US7621201B2

Abstract

Eisenmetallwerkzeug zum Bilden von Aluminiumlegierungs- oder anderen Leichtmetalllegierungsblechwerkstücken bei Umformwerkzeug- und Werkstücktemperaturen über etwa 250°C, wobei das Werkzeug einen Körper mit einem maschinell bearbeiteten Abschnitt aufweist, der eine Umformfläche zum Schiebekontakteingriff mit einem erwärmten Blechwerkstück beim Verformen des Werkstückes definiert, wobei die Umformfläche umfasst:
eine nitrocarburierte Oberflächenschicht auf einer Umformfläche, mit der das Werkstück in Kontakt gelangt, wobei sich die nitrocarburierte Oberflächenschicht gemeinsam mit der Umformfläche erstreckt, die nitrocarburierte Oberflächenschicht anfänglich eine Verbundoberflächenschicht mit einer darunter liegenden Diffusionsschicht umfasst und die Verbundoberflächenschicht eine äußere Gamma-Strich-Phase und eine darunter liegende Epsilon-Phase umfasst; und
das nitrocarburierte Epsilon-Phasenmaterial der Verbundschicht eingebettete Partikel aus einem reibungsarmen Material enthält, die bei der Umformtemperatur der Umformfläche unschmelzbar sind, und zumindest ein Großteil der Gamma-Strich-Phasenschicht von der Umformfläche des Werkzeuges entfernt wird, bevor die Partikel in dem Epsilon-Phasenmaterial eingebettet werden.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Stahlwerkzeugen zum Warmumformen bestimmter Leichtgewicht-Blechmetalllegierungen, um ein Anhaften von heißem Werkstückmaterial an der Werkzeugoberfläche zu reduzieren. Im Spezielleren betrifft diese Erfindung das Einbetten von reibungsarmen Partikeln in einer modifizierten, nitrocarburierten Werkzeugstahlumformfläche, um eine Reibung zwischen der Umformfläche und dem Blechmetallwerkstück und ein Anhaften des Werkstückmaterials an dem Werkzeug zu reduzieren.
Hintergrund der Erfindung
Es besteht Bedarf, die Verwendung von Leichtgewicht-Metalllegierungen bei der Fertigung von Kraftfahrzeugen zu erhöhen. Zum Beispiel werden Aluminiumlegierungsblechwerkstücke in Hochtemperatur-Umformprozessen in innere und/oder äußere Fahrzeugabschlussbleche umgeformt. Und es besteht der Wunsch, Magnesiumlegierungen in gleichen Umformschritten zu verwenden.
Bestimmte Aluminiumlegierungen können in Blechform hergestellt sein, sodass sie einen hohen Grad an Umformbarkeit zeigen. Einige solcher Aluminiumblechlegierungen (z. B. AA5083) werden auf Temperaturen in der Größenordnung von 450°C erwärmt und in geformte Uniformflächen von geeigneten Werkzeugen hinein warmblasumgeformt und gegen diese gestreckt, um Fahrzeugheckklappenbleche, Türbleche und dergleichen zu bilden. Während das heiße Aluminiummaterial durchaus umformbar ist, neigt es dazu, an heißen Werkzeugoberflächen zu haften, sodass spezielle Werkzeuglegierungen, spezielle Oberflächenbeschichtungen für die Werkzeuge und häufiges Reinigen oder Reparieren der Umformflächen erforderlich sind. Jegliches Anhaften eines Aluminiumwerkstückes an seinem Umformwerkzeug ist von spezieller Bedeutung, da das Kleben von Werkstückmaterial an dem Umformwerkzeug die Endqualität jedes umgeformten Teils direkt beeinflusst.
Andere Aluminiumlegierungen (AA5xxx und 6xxx) oder Magnesiumlegierungen werden auf Warmstanz-/umformtemperaturen (z. B. etwa 300°C und höher) erwärmt und zwischen geeigneten Umform-Preßformen umgeformt. Wiederum neigt das heiße Aluminiumblechmaterial dazu, an der Werkzeugoberfläche zu haften, was für die umgeformten Teile und ununterbrochene Umformformschritte nachteilig ist.
Ein Zweck dieser Erfindung besteht darin, Blechmetallumformwerkzeuge vorzusehen, die aus leicht verfügbaren harten Werkzeugstahlzusammensetzungen bestehen, wobei die Oberflächen eine reduzierte Reibung und weniger Anhaftung zeigen, wenn die Werkzeuge mit Leichtmetalllegierungswerkstücken in Eingriff stehen und diese verformen.
Zusammenfassung der Erfindung
Umformwerkzeuge (mitunter als „Pressformen” bezeichnet) für Leichtgewicht-Metalllegierungsblechmaterialien sind oft massive Metallkörper mit präzise geformten Umformflächen. Oft wird ein Satz aus zwei solchen Werkzeugen verwendet, um ein/en vorgewärmten/s Blechmetallrohling oder Werkstück in ein Karosserieblech oder einen anderen Herstellungsgegenstand mit einer komplexen dreidimensionalen Form zu verformen.
Die Werkzeuge sind auf gegenüberliegenden Platten einer sich axial hin- und her bewegenden Presse getragen. Die Werkzeuge können z. B. mit inneren elektrischen Widerstandsheizelementen erwärmt werden, sodass ihre Flächen in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden können, um ein oder mehrere Metallbleche zu formen. Beim Warmblasumformen von Aluminiumblechen kann die Temperatur der Pressformflächen etwa 450°C betragen und beim Heißstanzen von Aluminiumblechen können die Pressformflächen etwa 300°C oder mehr betragen. Aluminiumlegierungswerkstücke können auf gleiche Temperaturen vorgewärmt werden. Während sich die Presse in ihrer offenen Position befindet, wird ein heißer Aluminiumlegierungsblechrohling zwischen gegenüberliegenden Werkzeugen angeordnet und die Presse wird zur plastischen Verformung des Blechs zwischen und gegen eine/r oder beide/n Umformflächen geschlossen.
Solche Umformwerkzeuge sind oft aus verfügbaren Blöcken aus Werkzeugstahlzusammensetzungen wie z. B. P20- und H13-Werkzeugstahllegierungen hergestellt. Werkzeugstahllegierungen sind bekannte Legierungen auf Eisenbasis mit variierenden Mengen von z. B. Kohlenstoff, Chrom, Mangan, Molybdän, Silizium, Vanadium und dergleichen, die formuliert und genau festgelegt sind, um eine geeignete Umformflächenhärte und -güte bei hohen Temperaturen für das Umformen von Aluminium- und Magnesiumlegierungen bereitzustellen. Ein Block mit solch einer Zusammensetzung wird bei der Herstellung des Umformwerkzeuges verwendet, wobei P20-Stahlblöcke für diesen Zweck zur Verfügung stehen. Der Werkzeugherstellungsprozess kann beinhalten, dass der Block für innere Heizelemente und Temperatursensoren, zur Anwendung einer Isolierung und zur Befestigung auf einem Pressentisch geeignet gemacht wird. Eine oder mehrere Flächen des Stahlwerkzeuges wird/werden sorgfältig maschinell bearbeitet, um Umformflächen zum präzisen Umformen von Blechmetallwerkstücken bei engen Maßtoleranzen bereitzustellen. Der Werkzeugblock kann bei Temperaturen über seiner vorgesehenen Betriebstemperatur geglüht werden, um die Werkzeugzusammensetzung zum genauen Umformen einer Aufeinanderfolge von heißen Werkstücken zu stabilisieren.
In Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung werden Umformwerkzeugoberflächen aus solchen Legierungen derart behandelt, dass sie eine relativ geringe Reibung und eine geringe Metallaufnahme des Werkstückes bereitstellen, wenn das Werkzeug auf hohe Temperaturen erwärmt wird und in einem Zwangsschiebekontakteingriff mit Aluminium- oder Magnesiumlegierungswerkstücken oder dergleichen steht.
Falls erforderlich, wird die Umformfläche des Eisenmetallwerkzeuges zur Oberflächenmodifizierung durch einen Nitrocarburierungsprozess entsprechend gereinigt. Oft ist das Werkzeug groß, es ist/sind jedoch die Umformfläche oder -flächen, die Stickstoff- oder Kohlenstoffinfusion aufnehmen muss/müssen. Demgemäß kann es bevorzugt sein, das Werkzeug in einem geeigneten Ofen zur Nitrocarburierung durch eine Gasatmosphäre anzuordnen. Bei der Nitrocarburierung werden Stickstoff- und Kohlenstoffatome bei einer Temperatur in der Nähe des eutektoiden Punktes (565°C) dazu gebracht, gleichzeitig durch Wärmediffusion in die Stahloberfläche zu diffundieren. Ein nitrocarburierendes Gas, das Ammoniak und Methan umfasst, kann zur Reaktion mit der Umformfläche des Werkzeuges formuliert werden. Es sind Nitrocarburierungsreaktionen im Bereich von etwa 555°C bis etwa 575°C für etwa zwei bis etwa vier Stunden geeignet. Die Diffusion von Stickstoff- und Kohlenstoffatomen in das Eisengitter der Werkzeugoberfläche bildet eine harte, verschleiß- und korrosionsbeständige „Härteschicht”, die aus einer Verbundschicht auf der behandelten Oberfläche und einer darunter liegenden Diffusionszone zusammengesetzt ist. Der Nitrocarburierungsprozess kann auch durch ein anderes Mittel als ein Gasmedium wie z. B. eine Salznebelbad- oder Plasmabehandlung ausgeführt werden.
Es zeigt sich, dass die Zusammensetzung einer unter den oben angeführten Nitrocarburierungsbedingungen produzierten Verbundschicht einen großen Anteil an Fe₃N (Epsilon-Phase, ε) mit Fe₂O₃ und Fe₄N (Gamma-Strich-Phase, γ') mit Fe₃O₄ umfasst. Die Verbundschicht ist typischerweise reich an Epsilon-Phase und kann eine Dicke von etwa fünf bis etwa fünfundzwanzig Mikrometer aufweisen. Die darunter liegende Diffusionsschicht kann sich einhundert Mikrometer oder mehr unter der Verbundschicht auf der Oberfläche des Werkzeuges erstrecken.
Eine systematische Analyse der Verbundschicht zeigt, dass das Eisenoxid und Fe₄N (γ') die ε-Phase bedecken. Es zeigt sich, dass, wenn die γ'-Phase und das Eisenoxid durch Schleifen oder Polieren großteils entfernt werden, die ε-Phase nicht bedeckt ist. Und es zeigt sich, dass die ε-Phase bei Temperaturen, die in Hochtemperaturblechumformschritten verwendet werden, resistent gegenüber dem Anhaften an Aluminiumlegierungsmaterialien ist. Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird das meiste oder alles von dem dünnen γ' und Eisenoxid von der nitrocarburierten Werkzeugumformfläche durch mechanisches Polieren entfernt, um das darunter liegende Epsilon-Phasenmaterial in der Verbundschicht freizulegen. Solch ein/e Nitrocarburierung und Polieren werden ausgeführt, um eine akzeptable Form und Abmessungen der Umformfläche zu bewahren.
Im nächsten Schritt der Umformflächenbehandlung werden Partikel eines relativ reibungsarmen Materials wie z. B. Bornitrid (BN) oder Wolframdisulfid (WS₂) in das Epsilon-Phasenverbundschichtmaterial, nun auf der Umformfläche des Werkzeuges, implantiert. Die Partikel können bei hohem Druck gegen die Oberfläche geblasen werden und in derepsilonphasenreichen Verbundschicht eingebettet werden. Die Oberfläche wird dann erwärmt, um die reibungsarmen Partikel dazu zu bringen, dass sie in die Oberfläche diffundieren. Das reibungsarme Material ist derart gewählt, dass es durch eine Werkstückfläche bei einer Temperatur von etwa 250°C bis etwa 500°C in Eingriff gebracht wird, ohne zu schmelzen oder sich zu zersetzen.
Die oben beschriebenen Bearbeitungsschritte ergeben eine Umformfläche zum Hochtemperaturumformen von Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen und anderen Metallzusammensetzungen, die dazu neigen bei hohen Temperaturen, z. B. etwa 250°C bis etwa 500°C, an einer Umformfläche eines Stahlumformwerkzeuges zu kleben. Die Umformfläche des Eisenmetallwerkzeuges ist durch ein Eisengitter gekennzeichnet, das die inhärenten Legierungselemente der Stahlzusammensetzung enthält. Das Eisengitter des Umformflächenbereiches enthält auch chemische Kohlenstoff- und Stickstoffspezies einer Gasnitrocarburierung bis zu einer Tiefe von etwa 25 Mikrometer der Verbundschicht und von etwa 200 Mikrometer oder mehr der darunter liegenden Diffusionsschicht. Das Gamma-Strich-Phasenmaterial und das Oxid werden großteils von der Oberfläche der so gebildeten Nitrocarburierungsverbundschicht entfernt. Die Umformfläche des Werkzeuges umfasst auch eingebettete Partikel aus einem umformtemperaturbeständigen, reibungsarmen Material in dem Epsilon-Phasenmaterial, die sich im Wesentlichen gemeinsam mit der Umformfläche erstrecken, ohne über der Umformfläche vorzustehen. Die resultierende nitrocarburierte, polierte und reibungsarme Partikel enthaltende Werkzeugoberfläche ist beim reibungsarmen, anhaftungsfreien Umformen von vielen Aluminium- und Magnesiumblechmetallwerkstücken über lange Pressbetriebsperioden nützlich, bevor ein Reinigen oder Nachbessern der Werkzeugoberfläche erforderlich wird.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer nachfolgenden detaillierten Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Stahlwerkzeuges zur Verwendung beim Warmblas (oder -streck-) umformen von Aluminiumlegierungsblechmetallmaterial.
2 ist eine vergrößerte schematische Zeichnung eines kleinen Querschnitts der Umformfläche des Werkzeuges (im Bereich 2 von 1), die eine komplexe Verbundoberflächenschicht und eine darunter liegende Diffusionsschicht nach der Gasnitrocarburierung der Umformfläche zeigt. Die Verbundschicht weist eine äußere Schicht aus vorwiegend Gamma-Strich (Fe₄N) und Fe₃O₄ und eine tiefere Schicht aus Epsilon-Phasen-Fe₃N auf.
3 ist eine vergrößerte schematische Zeichnung eines kleinen Querschnitts der Umformfläche des Werkzeuges (im Bereich 2 von 1), wie in 2, die das freiliegende Epsilon-Phasenmaterial nach Entfernen des Gamma-Strich- und Oxidmaterials zeigt.
4 ist eine vergrößerte schematische Zeichnung eines kleinen Querschnitts der Umformfläche des Werkzeuges (im Bereich 2 von 1), nach dem Einbetten von reibungsarmen Partikeln in dem restlichen Epsilon-Phasenmaterial der Verbundschicht.
5 ist ein von einem Elektronenstrahlmikroanalysator produziertes Bild der Verbundschicht und der darunter liegenden Diffusionsschicht, die in 2 schematisch veranschaulicht sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Das Warmblasumformen, das Prozesse wie z. B. schnelles plastisches Umformen (QPF) und superplastisches Umformen (SPF) umfasst, stellt allgemein einen Prozess dar, in dem ein relativ dünnes Blechmetallwerkstück durch ein Druckgas in Formgleichheit mit einer Umformfläche eines Umformwerkzeuges gezwungen wird. Geeignete Blechmetallwerkstücke, die in solchen Warmblasumformprozessen verwendet werden, sind allgemein nur etwa einen Millimeter bis wenige Millimeter dick und sind aus Materialien wie z. B. bekannten Aluminium- und Magnesiumlegierungen zusammengesetzt, die einer starken Verformung (mitunter einer superplastischen Verformung) unterzogen werden können. Um solch eine starke Verformung zu erleichtern, werden das Umformwerkzeug und das Blechmetallwerkstück oftmals auf hohe Temperaturen erwärmt, um die erwünschten Umformbarkeitscharakteristika in dem Blechmetallwerkstück zu erzielen. Allerdings stellen diese hohen Temperaturen sowie die kontinuierliche Fertigung mit hohem Ausstoß hohe Anforderungen an die Umformwerkzeuge im Hinblick auf Verschleißmechanismen wie z. B. eine Haftung zwischen dem Blechmetallwerkstück und der Umformfläche, mechanischen Wechselwirkungen von Oberflächenunebenheiten, der Furchenbildung einer Oberfläche durch Unebenheiten auf der anderen Oberfläche und die Verformung und/oder das Brechen von Oberflächenschichten wie z. B.
Oxiden, um nur einige zu nennen. Und das Ausmaß dieser und anderer bekannter Wechselwirkungen zwischen der Umformfläche des Umformwerkzeuges und der Kontaktfläche des Blechmetallwerkstückes kann die Qualität und das ästhetische Erscheinungsbild des fertigen und völlig formgleichen Blechmetallwerkstückes wesentlich beeinflussen. Außerdem kann ein örtlich begrenztes Kleben des Blechmetallwerkstücks an der Umformfläche mit der Zeit eine Materialansammlung zur Folge haben, die wiederum zum Scheuern auf aufeinanderfolgend umgeformten Werkstücken führt, wenn nicht eine regelmäßige Wartung durchgeführt wird.
Zur Unterstützung bei der Neutralisierung dieser Problematik kann zumindest die Umformfläche des Umformwerkzeuges nitrocarburiert und dann mit eingebetteten reibungsarmen Partikeln versehen werden, um ihr tribologisches Leistungsverhalten zu verbessern, wenn sie den relativ drastischen Bedingungen in Verbindung mit dem Warmblasumformen unterworfen wird. Während sich die Erläuterung bisher auf das Warmblasumformen konzentriert hat, sollte einzusehen sein, dass diese Konzepte auch für Prozeduren wie z. B. das Heißstanzen oder traditionelle Stanzen anwendbar sind, wobei die Umformflächentemperaturen oft 300°C überschreiten und mit denen somit viele der gleichen Probleme einhergehen wie beim Warmblasumformen.
Als ein illustratives Beispiel zeigt 1 eine zweistufige Warmblasumformanordnung 10 zum Blasumformen eines dünnen Blechmetallwerkstückes 20 in eine Kraftfahrzeugkomponente wie z. B. eine/n Fahrzeugheckklappe oder -kofferraumdeckel und umfasst allgemein ein unteres Werkzeug 30, ein Einspannringwerkzeug 40 und ein oberes Werkzeug 50. Jedes dieser Werkzeuge 30, 40, 50 kann aus einer geeigneten Werkzeugstahllegierung hergestellt sein, die in der Lage ist, eine geeignete Umformflächenhärte bereitzustellen, wie z. B. wärmevergütete AISI-P20- und AISI-H13-Werkzeugstahllegierungen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Blechmetallwerkstück 20 kann aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, ist hier jedoch als eine mit AA 5083 bezeichnete, oft verwendete Aluminiumlegierung repräsentiert, die eine typische gewichtsbezogene Zusammensetzung aus 4–5 Prozent Magnesium, 0,3–1 Prozent Mangan und geringere Mengen Chrom, Kupfer und Eisen aufweist, wobei der Rest Aluminium ist. Das Blechmetallwerkstück 20 umfasst allgemein eine untere Fläche 22 und eine obere Fläche 24 und ist durch eine Dicke von bis zu etwa vier Millimeter definiert. Und überdies sind sowohl die untere Fläche 22 als auch die obere Fläche 24 üblicherweise mit z. B. einem Schmiermittel auf Bornitridbasis geschmiert.
Das untere Werkzeug 30 umfasst eine untere Umformfläche 32, die einen leicht konvexen Vorstand definiert, über und um den herum die untere Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 gestreckt und präzise verformt wird. Elektrische Widerstandsheizstäbe 36, die innerhalb des unteren Umformwerkzeuges 30 eingebettet oder anderweitig angeordnet sind, stellen einen zuverlässigen und steuerbaren Mechanismus zur Beeinflussung der Temperatur in den thermischen Charakteristika des unteren Werkzeuges 30 während des Warmblasumformens bereit. Das Einspannringwerkzeug 40 umgibt das untere Werkzeug 30 und ist unabhängig davon vertikal verschiebbar. Eine nach oben weisende Fläche 42 des Einspannringwerkzeuges 40 gestattet einen luftdichten Eingriff gegen einen Umfang der unteren Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 während des gesamten zweistufigen Warmblasumformprozesses, falls erwünscht. Das obere Werkzeug 50 ist dem unteren Werkzeug 30 in vielerlei Hinsicht ähnlich und umfasst eine obere Umformfläche 52, die hier als eine gezeigt ist, die einen leicht konkaven Hohlraum definiert, der in Form und Größe im Wesentlichen komplementär zu der unteren Umformfläche 32 ist. Eine nach unten weisende Umfangskante oder -fläche 54 erleichtert einen luftdichten Eingriff gegen einen Umfang der oberen Fläche 24 des Blechmetallwerkstückes 20. Eine Vielzahl von elektrischen Widerstandsheizstäben 56 ist durch das obere Werkzeug 50 getragen und arbeitet auf eine ähnliche Weise wie jene, die in dem unteren Werkzeug 30 gezeigt sind. Das obere Werkzeug 50 ist auch mit einer Arbeitsgasleitung 58 versehen, die ein Arbeitsgas bei einem geregelten Druck liefert, der in der Lage ist, die untere Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 in Formgleichheit mit der unteren Umformfläche 42 zu strecken.
Im Betrieb der zweistufigen Warmblasumformanordnung 10 wird das Blechmetallwerkstück 20 zuerst gegen die obere Umformfläche 52 des oberen Umformwerkzeuges 50 vorgeformt. Zu Beginn wird das Blechmetallwerkstück 20 vorgewärmt und als ein flacher oder geringfügig vorgeformter Rohling zwischen dem unteren Umformwerkzeug 30, dem Einspannringwerkzeug 40 und dem oberen Umformwerkzeug 50 aufgenommen. Die Werkzeuge 30, 40, 50 sind entsprechend getrennt oder vertikal beabstandet, wie in 1 gezeigt (wobei das verformte Blechmetallwerkstück vorerst nicht beachtet wird), um das Werkstück 20 problemlos unterbringen zu können. Jedes der Werkzeuge 30, 40, 50 ist auch auf seinen vorbestimmte Heiztemperatur oder Temperaturbereich vorgewärmt, der/die variieren kann, für dieses spezielle Blechmetallwerkstück 20 jedoch bei etwa 450°C liegt.
Dann wird das Einspannringwerkzeug 40 angehoben, sodass das Blechmetallwerkstück 20 um seinen Umfang herum zwischen der Umfangskante oder -fläche 54 des oberen Umformwerkzeuges 50 und der oberen Fläche 42 des Einspannringwerkzeuges 40 eingeklemmt wird. Auch das untere Umformwerkzeug 30 wird gleichzeitig mit dem oder kurz nachdem das Einspannringwerkzeug 40 angehoben wurde angehoben und erleichtert die Verformung des Blechmetallwerkstückes 20 zu einem vorgeformten Gegenstand, der seiner endgültigen Form einigermaßen ähnelt, jedoch nicht ganz so komplex oder präzise. Zum Beispiel kann das untere Umformwerkzeug 30 als ein Stempel verwendet werden, wobei es in die untere Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 eingreift und das Werkstück 20 nach oben gegen die obere Umformfläche 52 presst, bevor es sich zurückzieht; oder es kann dicht bei, jedoch nicht in Kontakt mit, der unteren Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 angeordnet werden, sodass ein Gasdruck auf die untere Fläche 22 angewendet werden kann, um das Blechmetallwerkstück 20 nach oben und gegen die obere Umformfläche 52 zu strecken. Dieses Vorformen des Blechmetallwerkstückes 20 produziert relativ große Krümmungen mit großen Radien, und es soll einen wesentlichen Abschnitt der gesamten erforderlichen Verformung vervollständigen, während die komplexeren und schärferen Konturen anschließend in einer zweiten Umformstufe fertiggestellt werden.
In der zweiten Umformstufe wird, während das Blechmetallwerkstück 20 wie in der Vor-Umformstufe weiterhin zwischen dem oberen Umformwerkzeug 50 und dem Einspannringwerkzeug 40 eingeklemmt ist, das untere Umformwerkzeug 30 genau unter und sehr nahe an der unteren Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 angeordnet. Dann wird Druckgas über den Arbeitsgaskanal 58 in dem oberen Umformwerkzeug 50 gegen die obere Fläche 24 des Blechmetallwerkstückes 20 eingeleitet. Infolgedessen wird die untere Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 bei vorweggenommenen Dehnungsraten in enge Formgleichheit mit der unteren Umformfläche 32 des unteren Umformwerkzeuges 30 gestreckt, um die restlichen und komplexeren Verformungen vorzusehen, die für das letztendliche Endprodukt erforderlich sind. Der Druck des Gases kann in Übereinstimmung mit QPF-Methoden allmählich erhöht werden oder er kann auf andere bekannte alternative Weisen gesteuert sein.
Im Verlauf der Erleichterung vieler aufeinanderfolgender Verformungen von Blechmetallwerkstücken 20 bei hohen Temperaturen (in einer Größenordnung von Zehntausenden pro Jahr) können die untere Umformfläche 32 und die untere Fläche des Blechmetallwerkstückes 20 beginnen, die zuvor beschriebenen nachteiligen Wechselwirkungen zu erfahren. Und diese Wechselwirkungen können den Fertigungsausstoß und die Qualität des Endproduktes beeinträchtigen. Es kann daher vorteilhaft sein, zumindest die untere Umformfläche 32 in Übereinstimmung mit den nachfolgenden Methoden zu behandeln, um dabei zu unterstützen, einen effizienteren und länger laufenden Blasumformprozess sicherzustellen, der dazu in der Lage ist, mit einer großen Anzahl von Verformungen von Blechmetallwerkstücken 20 umzugehen. Die Behandlung der unteren Umformfläche 32 kann während der Fertigung des unteren Umformwerkzeuges 30 vor dem Ersteinbau in die Warmblasumformungsfertigungsstraße ausgeführt werden. Oder sie kann andererseits ausgeführt werden, während ein altes unteres Umformwerkzeug 30 überholt wird, das zur Routinereinigung oder für eine andere notwendige Wartungsarbeit aus der Produktion genommen wurde. Selbstverständlich können auch die anderen Kontaktflächen der Warmblasumformanordnung – und zwar die Flächen 42, 52 und 54 – ähnlich behandelt werden, falls erwünscht, da sie viele derselben Arten von Oberflächenwechselwirkungen und potenziellen Prozessschwierigkeiten erfahren wie die untere Umformfläche 32.
Wie nun unter Bezugnahme auf die 2-5 beschrieben wird, kann die erwärmte untere Umformfläche 32 behandelt werden, um unter anderem das Auftreten eines Haftens und einer Materialübertragung zwischen sich und der gleitenden und in engem Eingriff stehenden unteren Fläche 22 des Blechmetallwerkstückes 20 zu reduzieren. Solch eine Behandlung umfasst allgemein, ist jedoch nicht beschränkt auf, das Nitrocarburieren zumindest der unteren Umformfläche 32 des Umformwerkzeuges 30 und ein Einpflanzen von Partikeln aus einem relativ reibungsarmen Material in die untere Umformfläche 32, wie nitrocarburiert. Diese Behandlung wird rein illustrativ im Detail demonstriert, da sie sich auf ein unteres Umformwerkzeug bezieht, das aus einer AISI-P20-Stahllegierung aufgebaut ist. Diese Stahllegierung weist eine typische Zusammensetzung von etwa 0,35% Kohlenstoff, etwa 0,70% Silizium, etwa 0,83 % Mangan, etwa 1,90% Chrom, etwa 0,40% Nickel, etwa 0,49% Molybdän, etwa 0,02% Phosphor auf und der Rest ist Eisen.
Bevor die Nitrocarburierung angewendet werden kann, kann es allerdings vorteilhaft sein, die untere Umformfläche 32 zu reinigen. Dies hilft sicherzustellen, dass die untere Umformfläche 32 frei von jeglichen Substanzen ist, die den Nitrocarburierungsprozess unnötig behindern können. Zum Beispiel sind neue Umformwerkzeuge wegen des Transportes, der Handhabung und der Lagerungsmethoden oft relativ verunreinigt, wenn sie zum ersten Mal in Empfang genommen werden. Andere Substanzen, die anfänglich ebenfalls vorhanden sein können, umfassen Feststoffe wie z. B. Maschinenbearbeitungsspäne und Fluidrückstände von diesen Maschinenbearbeitungsfluiden und Läppverbindungen. Die untere Umformfläche 32 kann von diesen und weiteren üblicherweise vorkommenden Substanzen vor der Nitrocarburierung in Übereinstimmung mit üblichen, dem Fachmann bekannten Methoden, gereinigt werden. Hier wurde, um nur ein Beispiel zu nennen, die untere Umformfläche 32 mit Alkohol gereinigt und dann für 45 Minuten in einer alkalischen Lösung gewaschen. Als Nächstes wurde die untere Umformfläche 32 mit Wasser gespült und getrocknet. Und schließlich wurde die untere Umformfläche 32 mit einem Schleifpapier mit einer Körnung von 600 geschliffen und dann mit einer 1 μm Diamantpaste poliert.
Die untere Umformfläche 32 kann nun in einem/r handelsüblichen Ofen oder Gaskammer nitrocarburiert werden, der/die entsprechend dimensioniert ist, um das untere Umformwerkzeug 30 unterzubringen. Der Begriff „nitrocarburieren” und Abwandlungen davon stellen allgemein einen thermisch aktivierten chemischen Prozess dar, in dem Stickstoff- und Kohlenstoffatome gleichzeitig dazu gebracht werden, nahe bei der Temperatur des eutektoiden Punktes (etwa 565°C) des Fe-C-N-Phasendiagramms, in das Eisengitter der unteren Umformfläche 32 des unteren Umformwerkzeuges 30 zu diffundieren. Diese gleichzeitige Diffusion von Stickstoff- und Kohlenstoffatomen bildet eine „Härteschicht”, die sich von der unteren Umformfläche 32 nach unten in das Umformwerkzeug 30 hinein erstreckt. Wie schematisch in den 2–4 veranschaulicht, ist die „Härteschicht” ferner aus einer flachen Verbundoberflächenschicht 60 und einer tieferen darunter liegenden Diffusionsschicht 66 zusammengesetzt. Und generell zeigt die Dicke dieser beiden Schichten 60, 66 die Tendenz, mit höheren Nitrocarburierungstemperaturen und längeren Behandlungszeiten größer zu werden. Der Abschnitt des unteren Umformwerkzeuges 30 unterhalb der „Härteschicht”, der von der Nitrocarburierung nicht betroffen ist und hier allgemein mit der Bezugsziffer 70 repräsentiert ist, zeigt weiterhin die erwarteten Charakteristika in Verbindung mit der P20-Werkzeugstahllegierung. Außer in einer Gasatmosphäre kann der Nitrocarburierungsprozess auch in einem Plasma- oder Salzbadmedium durchgeführt werden.
Im Allgemeinen ist die Verbundschicht 60 großteils aus Carbonitriden zusammengesetzt, die der Schicht 60 korrosions- und verschleißfeste Eigenschaften verleihen. Sie ist auch wesentlich härter als die darunter liegende Diffusionsschicht 66 und die noch weiter darunter liegende und nicht betroffene P20-Stahllegierung 70. Im Spezielleren wird die Verbundschicht 60 auf der Basis von Prozessparametern wie z. B. Temperatur, Wärmebehandlungszeit und Gaszusammensetzung und Druck zu einem einigermaßen steuerbaren Gemisch aus Fe₃(N-C) [hier nachfolgend Epsilon-Phase (ε)]- und Fe₄(N-C) [hier nachfolgend Gamma-Strich-Phase (γ')]-Carbonitriden. Es ist auch nicht ungewöhnlich, dass die Verbundschicht in Form von mehreren unterschiedlichen und benachbarten Unterschichten erscheint, wobei jede durch eine dieser Carbonitridkristallstrukturen beherrscht ist. Die Tiefe oder Dicke der Verbundschicht 60 kann variiert werden, liegt jedoch typischerweise zwischen etwa 5 μm und etwa 40 μm.
Die Diffusionsschicht 66 definiert allgemein die ungefähre Tiefe unterhalb der Verbundschicht 60, bis zu der Stickstoff und Kohlenstoff in das untere Umformwerkzeug 30 diffundieren. Diese Schicht weist auf Grund der behindernden Rolle der dicken und gruppierten Carbonitride, die sich ursprünglich als die Verbundschicht 60 bilden, eine wesentlich niedrigere Konzentration von ε-Phasen- und γ'-Phasen-Carbonitriden auf als die Verbundschicht 60. Nichtsdestoweniger ist sie dennoch härter als der nicht betroffene P20-Werkzeugstahl 70 und stellt somit eine gewisse Ermüdungsbeständigkeit gegenüber einer missbräuchlichen Belastung des unteren Umformwerkzeuges 30 bereit. Die Diffusionsschicht 66 sorgt auch für einen Gradienten zwischen der Verbundschicht 60 und dem darunter liegenden und nicht betroffenen P20-Werkzeugstahl 70, um mit den oberflächennahen Druckbelastungen umzugehen, die beim Warmblasumformen oft erfahren werden. Die Tiefe oder Dicke der Diffusionsschicht 66 kann auch variieren, liegt typischerweise jedoch zwischen etwa 100 μm und etwa 400 μm.
Es wurde experimentell festgestellt, dass eine Verbundschicht 60 aus vorwiegend Epsilon-Phase die geringste Tendenz zur Aluminiumanhaftung und Materialübertragung zeigt und somit zu einer verbesserten Abriebbeständigkeit beiträgt. Zur Förderung dieser Beobachtung umfasst ein geeigneter Satz von Nitrocarburierungsprozessbedingungen, dass die untere Umformfläche 32 für eine Zeitspanne von etwa vier Stunden bei etwa 560°C einer nominalen Atmosphäre aus 50% NH₃ und 50% CH₄ ausgesetzt wird. Selbstverständlich können diese Bedingungen jedoch in einem gewissen Ausmaß variiert werden, ohne den vordringlichen Zweck des Nitrocarburierungsprozesses zu beinträchtigen. Eine kurze Erläuterung, die sich damit befasst, wie diese Prozessbedingungen erhalten wurden, ist unten stehend zu linden.
Wie in 2 schematisch veranschaulicht, erzeugen diese Prozessbedingungen größtenteils eine Verbundschicht 60, die aus einer ε-phasenreichen Schicht 64, deren Dicke ungefähr 25 bis 30 μm misst, und einer darüber liegenden γ'-Phasen- und Eisenoxid (Fe₃O₄)-Schicht 62 mit einer viel geringeren Dicke besteht. Die Diffusionsschicht 66 erstreckt sich ungefähr weitere 300 μm in das untere Umformwerkzeug 30 hinein. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die ε-phasenreiche Schicht 64 und die γ'-Phasen-/Eisenoxidschicht 62 nicht unbedingt Schichten von einheitlicher Dicke mit glatten erkennbaren Grenzen sind, wie in 2 dargestellt. Eine genauere Darstellung dieser Schichten ist vielmehr aus dem von einem Elektronenstrahlmikroanalysator produzierten Bild ersichtlich, das in 5 gezeigt ist. Hier wurden die durch den Nitrocarburierungsprozess produzierten verschiedenen Schichten auf der Basis der Konzentration des diffundierten Stickstoffs identifiziert. Und als eine grobe Abschätzung ist die gesamte oder der Großteil der γ'-Phasen- und Eisenoxidschicht durch die zwei in das Bild eingefügten vertikalen Strichlinien begrenzt, während angenommen wird, dass die ε-phasenreiche Schicht hauptsächlich rechts von der längeren (ganz rechten) vertikalen Strichlinie vorhanden ist. Der Einfachheit halber wird allerdings weiterhin auf die schematischen und idealisierten Veranschaulichungen der 2-4 Bezug genommen.
Als Nächstes kann, wie in 3 veranschaulicht, die gesamte oder zumindest ein beträchtlicher Anteil der γ'-Phasen-/Eisenoxidschicht 62 entfernt werden, um die ε-phasenreiche Schicht 64 freizulegen, während die präzise Kontur der unteren Umformfläche 32 beibehalten wird. Dies kann auf mehrere Arten erfolgen. Hier wurde die Verbundschicht 60 mit einer 1 μm Diamantpaste mechanisch poliert, um ungefähr die oberen 5 μm der Verbundschicht 60 zu entfernen. Oder als eine Alternative kann die γ'-Phasen-/Eisenoxidschicht 62 natürlich verschlissen werden, indem ca. ein Dutzend Warmblasumformprozeduren gegen die untere Umformfläche 32 durchgeführt werden. Die Verbundschicht 60 besteht nun im Wesentlichen nur aus der ε-phasenreichen Schicht 64.
Die relativ reibungsarmen Schmiermittelpartikel 68 wie z. B. jene aus Bornitrid (BN) oder Wolframdisulfid (WS₂) können nun in die ε-phasenreiche Verbundschicht 60 eingepflanzt werden, wie in 4 veranschaulicht. Dies kann erreicht werden, indem die Schmiermittelpartikel 68 mechanisch mit hoher Geschwindigkeit gegen die untere Umformfläche 32, wie nitrocarburiert, gestoßen werden und die Partikel 68 dann in die Verbundschicht 60 hinein diffusionsgebunden werden. Die Schmiermittelpartikel 68 können mittels einer geeigneten Kugelstrahlprozedur mit hoher Geschwindigkeit gegen die untere Umformfläche 32 gestoßen werden. Zuerst müssen jedoch gegebenenfalls die Schmiermittelpartikel 68 vorbereitet und auf ein entsprechendes Strahlmedium geladen werden. Dies beinhaltet allgemein, dass das Schmiermittel auf eine entsprechende Korngröße gemahlen und dann mit den Kugelmedien gemischt wird, um im größtmöglichen Ausmaß sicherzustellen, dass das Strahlmedium entsprechend und gleichmäßig beschichtet ist. Einem Fachmann wird, ebenso wie die Arten von Mischern und Mischvorrichtungen, die verwendet werden können, bekannt sein, wie dies bewerkstelligt wird. Um jedoch ein spezifisches Beispiel zu nennen, wurden saubere Edelstahlkugeln mit einer allgemein kugelförmigen Gestalt und einem Durchmesser von etwa 0,20 mm mit trockenen Schmiermittelpartikeln 68 mit einer Korngröße im Bereich von etwa 5 μm bis etwa 0,10 mm in einem Taumelmischer gemischt.
Die beladenen Strahlmedien können dann mithilfe eines Trägergases durch eine oder mehrere Düse/n hindurch mit hoher Geschwindigkeit gegen die untere Umformfläche 32, wie nitrocarburiert, geschleudert werden. Die durch den mechanischen Stoß erzeugte kinetische Energie drückt die Schmiermittelpartikel 68 gegen die untere Umformfläche 32 und erzeugt eine metallurgische Bindung zwischen den Partikeln 68 und der Oberfläche 32, während das Strahlmedium abgelenkt wird. Infolgedessen umfasst die untere Umformfläche 32 nunmehr eine Oberflächenverbundschicht 60, die reich an ε-Phasen-Carbonitridkristallstruktur ist und eine beträchtliche Menge an relativ reibungsarmen Schmiermittelpartikeln 68 aufweist, die mechanisch an ihre Oberfläche geschmolzen sind. Jegliche nicht gebundenen Schmiermittelpartikel 68, die als Rückstand auf der unteren Umformfläche 32 vorhanden sind, können einfach mit Druckluft entfernt werden. Selbstverständlich ist während der Kugelstrahlprozedur jederzeit darauf zu achten, die präzisen und maschinell unverwechselbar gearbeiteten Konturen der unteren Umformfläche 32 zu wahren. In Anbetracht dessen und mit dem Wissen, dass Kugelstrahlprozeduren einer beträchtlichen Schwankung unterliegen können, kann ein typischer Aufbau die eine oder mehreren Düsen im Wesentlichen rechtwinklig und etwa 0,5 Zoll bis 4 Zoll von der unteren Umformfläche 32 entfernt anordnen. Das Trägergas, das die Umgebungsluft sein kann, kann mit einem Druck im Bereich von etwa 80 bis etwa 120 psi beaufschlagt werden, um sicherzustellen, dass die Strahlmedien mit hoher Geschwindigkeit auf die untere Umformfläche 32 stoßen.
Die untere Umformfläche 32 kann nun erwärmt werden, um die Schmiermittelpartikel 68 tiefer in die Verbindungssicht 60 hinein zu diffusionsverbinden. Dieses Erwärmen kann in einer nicht reaktiven Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen etwa 2 % und 50% und üblicherweise zwischen etwa 20 % und etwa 40 % der Schmelztemperatur der P20-Stahlwerkzeuglegierung durchgeführt werden, aus der die untere Umformfläche 32 aufgebaut ist. Die thermische Energie, die hier in Verbindung mit der in den metallurgischen Verbindungen gespeicherten Energie zugeführt wird, erleichtert das Wandern der reibungsarmen Partikel 68 in die und weg von der Oberfläche der Verbundschicht 60. Unter diesen Umstanden können die reibungsarmen Partikel 68 typischerweise bis zu einer Tiefe von etwa 2 μm bis etwa 5 μm in die Verbundschicht 60 eindringen, um somit ein integraler Teil der Verbundschicht zu werden, anstatt lose gehaltene Partikel zu sein, die an ihrer Oberfläche angebracht sind. Die Erwärmungsperioden, die oft erforderlich sind, um diese Art von Diffusion zu erreichen, liegen oft im Bereich von etwa 2 Stunden bis etwa 5 Stunden, es sind jedoch Erwärmungsdauern von nur etwa 1 Minute bis zu einer Länge von etwa 100 Stunden vorstellbar.
Die untere Umformfläche 32 des unteren Umformwerkzeuges weist nunmehr eine „Härteschicht” auf, die zusätzlich zu der Diffusionsschicht 66 eine Oberflächenverbundschicht 60, die durch die ε-phasenreiche Schicht 64 dominiert ist, und eine beträchtliche Menge von relativ reibungsarmen Schmiermittelpartikeln 68 umfasst, die innerhalb der Verbundschicht 60 verteilt sind. Und die Tatsache, dass die „Härteschicht” und die reibungsarmen Schmiermittelpartikel 68 in die untere Umformfläche 32 diffundiert sind, kann über die verbesserte Kleberesistenz und Scheuerbeständigkeit hinaus hilfreich sein. Zum Beispiel wird die Oberflächengeometrie der unteren Umformfläche 32 weder durch die Nitrocarburierung noch das Einpflanzen der reibungsarmen Schmiermittelpartikel 68 wesentlich verzerrt, wie es oft der Fall ist, wenn schmierige Beschichtungen in großen Mengen angewendet werden. Stattdessen wird die Mikrostruktur des obersten Abschnittes der unteren Umformfläche 32 verändert, um seine Bearbeitbarkeit während des Warmblasumformens zu verbessern. Dies eliminiert die überflüssige und mühsame Rekonfiguration der Werkzeugoberflächengeometrie (Oberflächenabnahme), die oft vorgenommen wird, wenn schmierige Beschichtungen verwendet werden. Und überdies verringert die potenzielle Eliminierung von schmierigen Beschichtungen jegliche Befürchtungen, dass eine differentielle thermische Expansion bewirken wird, dass sich die Beschichtungen ablösen und damit die Produktion stoppen oder verlangsamen. Während sich die Erläuterung bis zu diesem Punkt auf die untere Umformfläche 32 des unteren Umformwerkzeuges 30 konzentriert hat, sollte einzusehen sein, dass jede Oberfläche, die einen Kontakt mit dem Blechmetallwerkstück 20 erfährt, ähnlich behandelt werden kann, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Weitere hier beschriebene beachtenswerte Oberflächen umfassen die obere Umformfläche 52 und die nach unten weisende Umfangskante oder -fläche 54 des oberen Umformwerkzeuges 50 und die nach oben weisende Fläche 42 des Einspannringwerkzeuges 40.
Zurückkommend auf den Nitrocarburierungsprozess wurde eine systematische Untersuchung von drei verschiedenen und plausiblen Nitrocarburierungstemperatur/zeitregimen durchgeführt, um die zuvor spezifizierten Nitrocarburierungsprozessbedingungen zu bestimmen. Jede Nitrocarburierungsprozedur setzte sich aus drei Schritten zusammen. Zuerst wurde ein wärmevergüteter (bei etwa 600°C) Prüfkörper aus einer AISI-P20-Werkzeugstahllegierung gereinigt, wie oben stehend beschrieben. Als Zweites wurde der Prüfkörper auf etwa 300°C vorgewärmt und in einen Ofen gegeben, der eine nominale Atmosphäre von etwa 50% NH₃ und etwa 50% CH₄ beibehielt. Und als Drittes wurde der Prüfkörper bei seiner/m jeweiligen Temperatur/Zeitregime nitrocarburiert und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Die folgende Tabelle führt die drei untersuchten Temperaturen/Zeitregimes an.

Nitrocarburierungsbedingungen

Regime Zeit (Stunden) Temperaturen (°C)

A 2 510–524

B 2 560–571

C 1 610–621
Die Temperaturen in den Regimen A und B wurden gezielt unter 571°C gehalten, um unter dem eutektoiden Punkt (etwa 591°C) des Fe-N-Phasendiagramms zu bleiben. Beide liegen auch unter der Temperatur, bei der eine P20-Werkzeugstahllegierung nach der maschinellen Endbearbeitung vergütet wird (etwa 600°C), um Spannungen abzubauen. Im Gegensatz dazu wurde das Regime C sowohl über dem eutektoiden Punkt als auch der Temperatur durchgeführt, bei der die Vergütung ausgeführt wird.
Anschließend an die Nitrocarburierung wurde die Mikrostruktur jedes Prüfkörpers analysiert. Es wurde beobachtet, dass im Allgemeinen die höheren Temperaturregime zu dickeren Verbindungs- und Diffusionsschichten führen. Die Verbundschichten in den Regimen A, B, und C wurden mit 6 μm, 15 μm bzw. 20 μm gemessen. Und die Diffusionsschicht in den Regimen A, B und C wurde mit 160 μm, 250 μm bzw. 300 μm gemessen.
Es wurde auch beobachtet, dass die höheren Temperaturregime tiefere Diffusionen größerer Mengen von Stickstoff produzierten, während sie die Diffusion von Kohlenstoff nicht allzu sehr beeinflussen. Es wurde auch die Mikrohärte jedes Prüfkörpers untersucht. Es zeigte sich, dass die Verbundschichten in den Regimen A und B mit ungefähr 1200 HK die härtesten sind. Die Verbundschicht in dem Regime C wurde mit etwa 1160 HK bestimmt. In jedem Prüfkörper war die Diffusionsschicht weniger hart als ihre entsprechende Verbundschicht, allerdings noch immer härter als die darunter liegende und nicht betroffene P20-Werkzeugstahllegierung.
Als Nächstes wurden die Oberflächen der Prüfkörper, wie nitrocarburiert, Schicht für Schicht abgeschliffen, um die Verbindungs- und Diffusionsschichten freizulegen. Nach dem Entfernen jeder Schicht wurde eine Röntgenstrahlenbeugungsanalyse durchgeführt. Es zeigte sich, dass in den Regimen A und B die ε-Phasen-Carbonitridkristallstruktur die dominante Phase war, während die γ'-Phasen-Carbonitridkristallstruktur die dominante Phase in dem Regime C war. Es wurde daher das Regime B für weitere Untersuchungen gewählt, da es die dickste, durch das ε-Phasen-Carbonitrid dominierte Verbundschicht aufwies. Als solches wurde die Nitrocarburierungsbehandlungszeit für das Regime B von 2 Stunden auf 4 Stunden verdoppelt. Die verlängerte Behandlungszeit produzierte eine vorwiegende ε-Phasen-Carbonitridschicht mit einer Dicke von etwa 30 μm, die von einer aus dem γ'-Phasen-Carbonitrid und Eisenoxid zusammengesetzten wesentlich dünneren Schicht bedeckt war. Somit wurden das Regime B und die verlängerte Behandlungszeit als geeignet für die Nitrocarburierungsprozedur des Warmblasumformwerzeuges erachtet.
Wie oben stehend beschrieben, wurde anschließend an die Nitrocarburierung viel von dem oder das gesamte γ'-Phasen-Carbonitrid und -Oxid von der Oberfläche poliert oder verschlissen, sodass die reibungsarmen Partikel vorwiegend in dem Epsilon-Phasenmaterial eingebettet sind.
Die praktischen Anwendungen der Erfindung wurden in der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen veranschaulicht. Der Schutzumfang der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Veranschaulichungen beschränkt.
Es ist ein Eisenmetallwerkzeug zum Umformen von Leichtmetallblechwerkstücken bei hohen Temperaturen vorgesehen, wobei die Umformfläche des Werkzeuges hergestellt ist, um die Reibung und Haftung zu minimieren, wenn sie beim Verformen des warmen Blechmetalls beteiligt ist. Die Umformfläche eines Stahlwerkzeuges wird nitrocarburiert, um eine Verbundschicht und eine Diffusionsschicht auf der Oberfläche zu bilden. Die Verbundschicht umfasst anfänglich ein äußeres Gamma-Phasenmaterial und ein darunter liegendes Epsilon-Phasenmaterial. Das Gamma-Phasenmaterial wird entfernt, um das darunter liegende Epsilon-Phasenmaterial freizulegen, und reibungsarme Partikel werden in die modifizierte, nitrocarburierte Verbundschicht des Umformwerkzeuges eingebettet.

Claims

Eisenmetallwerkzeug zum Bilden von Aluminiumlegierungs- oder anderen Leichtmetalllegierungsblechwerkstücken bei Umformwerkzeug- und Werkstücktemperaturen über etwa 250°C, wobei das Werkzeug einen Körper mit einem maschinell bearbeiteten Abschnitt aufweist, der eine Umformfläche zum Schiebekontakteingriff mit einem erwärmten Blechwerkstück beim Verformen des Werkstückes definiert, wobei die Umformfläche umfasst: eine nitrocarburierte Oberflächenschicht auf einer Umformfläche, mit der das Werkstück in Kontakt gelangt, wobei sich die nitrocarburierte Oberflächenschicht gemeinsam mit der Umformfläche erstreckt, die nitrocarburierte Oberflächenschicht anfänglich eine Verbundoberflächenschicht mit einer darunter liegenden Diffusionsschicht umfasst und die Verbundoberflächenschicht eine äußere Gamma-Strich-Phase und eine darunter liegende Epsilon-Phase umfasst; und das nitrocarburierte Epsilon-Phasenmaterial der Verbundschicht eingebettete Partikel aus einem reibungsarmen Material enthält, die bei der Umformtemperatur der Umformfläche unschmelzbar sind, und zumindest ein Großteil der Gamma-Strich-Phasenschicht von der Umformfläche des Werkzeuges entfernt wird, bevor die Partikel in dem Epsilon-Phasenmaterial eingebettet werden.
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug aus P20-Werkzeugstahl gebildet ist.
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Tiefe der nitrocarburierten Verbundschicht, bevor die Gamma-Strich-Phase von der Oberfläche des Werkzeuges entfernt wird, im Bereich von etwa fünf Mikrometer bis etwa fünfzehn Mikrometer liegt.
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Tiefe der nitrocarburierten Diffusionsschicht nach der Entfernung der Verbundschicht größer ist als etwa fünfzig Mikrometer.
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die reibungsarmen Partikel Bornitrid und/oder Wolframsulfid enthalten.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges für das Umformen von Aluminiumlegierungsblechmetallwerkstücken oder Blechmetallwerkstücken aus anderen Leichtmetalllegierungen bei einer Umformtemperatur von zumindest 250°C, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Oberfläche auf einem Eisenmetallwerkzeugkörper maschinell bearbeitet wird, wobei die Oberfläche zum Schiebekontakteingriff mit einem Blechmetallwerkstück geformt wird, um eine konturierte Form in dem Blechmetall bei der Umformtemperatur zu verformen; die maschinell bearbeitete Oberfläche für eine Nitrocarburierung gereinigt wird; die maschinell bearbeitete Oberfläche nitrocarburiert wird, um eine äußere Verbundschicht und eine darunter liegende Diffusionsschicht, die sich im Wesentlichen gemeinsam mit der vorgesehenen Umformfläche erstrecken, zu bilden, wobei die Verbundschicht ein äußeres Gamma-Strich-Phasenmaterial und ein darunter liegendes Epsilon-Phasenmaterial umfasst; das Gamma-Strich-Phasenmaterial von der Verbundschicht entfernt wird, um das Epsilon-Phasenmaterial freizulegen; und reibungsarme Partikel in das Epsilon-Phasenmaterial und sich gemeinsam damit erstreckend eingebettet werden, um eine Umformfläche auf dem Werkzeugkörper zu erhalten, wobei die Reibungspartikel in der Epsilon-Phasenschicht bei der Umformtemperatur des Werkzeuges für die Blechmetallwerkstücke im Wesentlichen unschmelzbar sind, wobei die Umformfläche für die Blechmetallwerkstücke somit die in der nitrocarburierten Umformfläche eingebetteten reibungsarmen Partikel umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die maschinell bearbeitete Oberfläche gasnitrocarburiert wird.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die maschinell bearbeitete Oberfläche bei einer Temperatur im Bereich von etwa 555°C bis etwa 575°C gasnitrocarburiert wird.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die Nitrocarburierungsverbundschicht, wie gebildet, eine Dicke von etwa fünf bis fünfzehn Mikrometer aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, in dem die Nitrocarburierungsdiffusionsschicht bis zu einer Tiefe von mehr als etwa fünfzig Mikrometer in der Umformfläche gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die Nitrocarburierungsverbundschicht eine Dicke von etwa fünf bis fünfzehn Mikrometer aufweist und die Gamma-Strich-Phase durch mechanisches Polieren entfernt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die reibungsarmen Partikel in die Umformfläche eingebettet werden, indem die Partikel mit hoher Geschwindigkeit gegen die Oberfläche geblasen werden, um zu bewirken, dass sie an der Oberfläche kleben, und dann die Oberfläche und die Partikel erwärmt werden, um eine Diffusion der Partikel in die Fläche hinein zu begünstigen.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die reibungsarmen Partikel Bornitrid umfassen.
Verfahren zum Herstellen eines Umformwerkzeuges nach Anspruch 6, wobei die reibungsarmen Partikel Wolframdisulfid umfassen.