DE2515222A1 - Warmverformungsverfahren - Google Patents

Description

MÜLLER-BORE · GROENING - DEUFEI. ■ SCHÖN - HERTEL

PATENTANWÄLTE

0515222

BRAUNSCHWEIG · MÜNCHEN · KÖLN £.^\^£-i.£-

Dr. W. Müller-Borä - Braunschwelg H. Groening, Dipi.-Ing. ■ München Dr. P. Deufel, Dipl.-Chem. · München Dr. A. Schön, Dipl.-Chem. ■ München Werner Hertel, Dipl.-Phye. · KSIn

a April 1975

München

D/S/Gl - L 1065

Arthur D. Little, Inc., Acorn Park, Cambridge, Massachusetts / USA

Warmver formungsver f ahren

Die Erfindung betrifft das Warmverformen von Metallen und bezieht sich insbesondere auf ein Schmiermittel zum Warmverformen von eisenhaltigen Metallen zur direkten Herstellung von geformten Teilen, welche nur einer geringen oder keiner weiteren Bearbeitung oder Fertigbearbeitung bedürfen.

Das Kaltverformen wurde lange Zeit zur Herstellung von geformten Teilen, wie Lagern, Kupplungen oder dergleichen angewendet. Das Kaltverformen weist bestimmte Vorteile auf, welche diese Methode als günstig erscheinen lassen. Von diesen Vorteilen ist die Tatsache zu erwähnen, dass ein Kaltbearbeiten von Metallen möglich ist, das zu einer Festigkeit des fertigen Teils beiträgt. Ferner kann das kaltgeformte Stück nach nur geringer oder keiner weiteren Bearbeitung oder Oberflachenfertigbearbeitung verwendet werden. Das Kaltverformen erfordert jedoch eine erhebliche Energiemenge und ist in der Praxis bezüglich der Grosse des eingesetzten Rohlings und damit im Hinblick auf die Grosse des fertigen kaltgeformten Stückes begrenzt.

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Das sogenannte Warmschmieden oder Warmextrudieren ist eine bekannte Methode zur Herstellung von Walzrohlingen, welche anschliessend verformt, bearbeitet und/oder oberflächenfertigbearbeitet werden, um zu der gewünschten Konfiguration zu gelangen. Das Warmschmieden oder Warmextrudieren wird gewöhnlich unter Einsatz eines Metalls durchgeführt, das auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb seines Schmelzpunktes erhitzt worden ist, d.h. auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalls. Die Folge eines derartigen Erhitzens ist, dass die Kristallstruktur des jeweiligen Metalls oder der jeweiligen Legierung verändert und seine Festigkeit in nachteiliger Weise beeinflusst wird. Dies bedeutet, dass, obwohl bei einem Warmverarbeiten weniger Energie aufgewendet werden muss, ein Verlust der Endfestigkeit in Kauf zu nehmen ist, wobei zusätzliche Verformungs- oder Verarbeitungsmaßnahmen auszuführen sind.

Aus dieser kurzen Schilderung der Kalt- und Warmverarbeitungsmethoden geht hervor, dass jede dieser Methoden Vorteile und Nachteile besitzt. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren, bei dessen Durchführung die Vorteile der beiden genannten Verfahren erzielt werden, während ihre Nachteile auf einem Minimum gehalten oder völlig beseitigt werden. Ein derartiges Verfahren wird nachfolgend als "Warmverformen" bezeichnet. Bei der Durchführung dieser Warmverformung wird der Rohling, der zu einer gewünschten Konfiguration durch Warmpressen verformt werden soll, auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher eine merkliche Rekristallisation des Metalls auftritt. Im Falle von eisenhaltigen Metallen und Legierungen liegt die Warmverformungstemperatur nicht oberhalb ungefähr 816 C (1500 F). Das Erhitzen des Rohlings gestattet seine leichtere Bearbeitung. Da jedoch keine Rekristallisation stattfindet, ist das Bearbeiten bezüglich seiner physikalischen Wirkungen dem Kaltbearbeiten gleich. Durch das Warmverformen wird daher die erforderliche Ener-

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giemenge herabgesetzt, während die Festigkeit nach dem Verformen, die beim Kaltverformen von Teilen erzielt wird, beibehalten wird.

Da alle diese Verformungsmethoden einen Metall-Metall-Kontakt unter sehr hohen Drucken sowie Reibungskräfte bedingen, hat es sich als notwendig erwiesen, geeignete Schmiermittel zur Verfügung zu stellen, um eine Riefenbildung der Oberflächen sowohl der verformten Teile als auch der Formwerkzeuge zu verhindern.

Beim Kaltverformen wurde im allgemeinen derart verfahren, dass das Schmiermittel in Form eines integralen Überzugs auf den Rohlingen aufgebracht wurde. Derartige Überzüge können aus Eisensulfiden, -phosphaten und -oxalaten bestehen. Auf diese integralen Überzüge wurden ferner thermoplastische Filme aufgebracht (vgl. beispielsweise die US-PS 2 588 234, Reissue 24 017). Organische Polymere allein wurden ebenfalls beim Kaltstrangpressen von Flussstählen verwendet (vgl. "Polymer Lubricants for the Cold Extrusion of Mild Steel" von D. Blake et al, Metallurgia and Metal Forming, Januar 1972, Seiten 30 und 31). Die integrale Aufbringung von Überzügen aus Sulfiden oder dergleichen erfordert die Behandlung der Rohlinge in speziellen Atmosphären unter sorgfältig gesteuerten Bedingungen. Ferner trägt die Aufbringung dieser überzüge erheb-1 ich zu den Kosten des Kaltverformungsverfahrens bei. Der Einsatz von thermoplastischen Harzen als Schmiermittel bedingt beim Kaltverformen deutliche Vorteile. Thermoplastische Harze sind jedoch nicht für ein Warmverformen einsetzbar, da sie thermisch bei den eingehaltenen Temperaturen zersetzt werden, bevor sie als Schmiermittel wirken können.

Es wurde auch schon Glas in verschiedenen Formen als Schmiermittel in Strangpressen eingesetzt, die bei ungefähr 1090°C (2000°F) betrieben werden, um Walzrohlinge herzustellen. Dabei werden einzelne Platten (US-PS 2 539 917), mehrere Platten (US-PS 3 390 079), mehrere

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Glasschichten (US-PS 3 345 842), Platten mit Glasfasern (US-PS 2 630 220), Glaspulver mit einem Glasgewebe (US-PS 3 254 401), feinverteiltes Glas in Fett (US-PS 3 485 753) oder ein Glasüberzug, der an der Oberfläche des Rohlings anhaftet (US-PS 3 465 424) verwendet.

Beim Warmverformen, das nicht so häufig angewendet wird wie das Kaltverformen oder das Warmstrangpressen wurde Graphit verwendet, um die Oberflächen des Rohlings sowie des Formwerkzeuges zu überziehen. Graphit folgt jedoch nicht den neuen Oberflächen, die während der Verformung erzeugt werden, so dass auf den Teilen, die einer starken Verformung unterliegen, das Werkzeug in Kontakt mit nicht-geschmierten Oberflächen gelangt, was eine zu starke Abnützung bedingt. Integrale überzüge aus einer Kombination aus Manganphosphat und Wolframdisulfid wurden zum Warmverformen vorgeschlagen (vgl. die US-pS 3 378 903), jedoch ebenso wie die integralen überzüge auf Rohlingen zum Kaltverformen ist dieser Schmiermitteltyp kostspielig und kompliziert aufzubringen.

Daraus wird ersichtlich, dass das Warmverformen von Metallteilen deutliche Vorteile bietet, jedoch ein Bedarf an einem geeigneten und billigen Schmiermittel besteht, welches es ermöglicht, alle Vorzüge des Warmverformungsverfahrens ausnützen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines billigen, leicht aufbringbaren und zuverlässig arbeitenden Schmiermittels für die Warmverformung von eisenhaltigen Metallen. Durch die Erfindung soll ein Schmiermittel der geschilderten Art geschaffen werden, das in minimalen Mengen eingesetzt werden kann und gleichzeitig den Oberflächen des Formwerkzeuges einen maximalen Schutz bietet.

Ferner soll durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum

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Warmverformen von eisenhaltigen Metallen zur Verfügung gestellt werden. Durch dieses Verfahren soll es ermöglicht werden, Metallteile warm zu verformen, wobei weniger Energie benötigt wird als zum Kaltverformen, jedoch die Metallfestigkeit erzielt wird, die beim Kaltverformen möglich ist. Das Warmverformungsverfahren soll sich für eisenhaltige Legierungen eignen, welche Festigkeiten besitzen, die für ein Kaltverformen zu hoch sind. Ferner soll ein Warmverformungsverfahren geschaffen werden, das es ermöglicht, grössere Rohlinge unter Ausbildung von grösseren Metallteilen zu verformen als dies beim Kaltverformen möglich ist. Erfindungsgemäss sollen Metallteile mit derartig steuerbaren Abmessungen und einer solchen Oberflächenqualität warmgepresst werden, dass sie nur eine geringfügige ober überhaupt keine Bearbeitung oder Fertigbearbeitung benötigen. Die erfindungsgemäss herzustellenden Metallteile sollen auch weniger Kapitalkosten bedingen.

Das erfindungsgemänse Schmiermittel zum Warmverforme.n besteht aus einer Kombination aus einem Eisenoxyd, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, wobei es eine Wüstit-Struktur aufweist und mit einer dünnen anhaftenden Glasschicht versehen ist.

Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Oberfläche des eisenhaltigen Metallrohlings, der in eine bestimm-

te Form überführt werden soll, gesteuert unter Bildung einer dünnen Schicht aus Eisenoxyd oxydiert, wobei sich das Oxyd bezüglich seiner Zusammensetzung FeO nähert und eine Wüstit-Struktur aufweist, worauf ein dünner Glasfilm mit dem Eisenoxyd unter solchen Bedingungen verbunden wird, dass ein Teil der Wüstit-Struktur aufrecht erhalten wird. Der Rohling, welcher dieses Verbundschmiermittelsystem enthält, wird dann in einer Warmpresse bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur des eisenhaltigen Metalls warmverformt. Die Werkzeugoberflächen der Warmpresse werden vorzugsweise mit Graphit überzogen.

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Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Ausführungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines beispielsweise verwendbaren Rohlings.

Fig. 2 einen vereinfachten Querschnitt durch eine Warmpresse, die sich für eine Rückextrusion eignet, wobei ein Rohling in Position gezeigt wird.

Fig. 3 eine Warmpresse gemäss Fig. 2, welche die Bildung eines eine bestimmte Form aufweisenden Eisenmetalls zeigt.

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des gebildeten Teils.

Fig. 5 einen vereinfachten Querschnitt durch eine Warmpresse, die sich für eine Vorextrusion eignet, wobei diese Figur ein teilweise ausgeformtes Teil wiedergibt.

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Presse gemäss Fig. 5 längs der Ebene 6-6 von Fig. 5.

Fig. 7 einen Querschnitt durch das erfindungsgemässe Schmiermittelsystem.

Bevor die Bildung des erfindungsgemässen Schmiermittelsystems näher beschrieben wird, erscheint es zweckmässig, kurz das allgemeine Verfahren zum Verformen von bestimmten Konfigurationen aus Metallrohlingen zu erläutern. Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Eisenmetallrohling 10, der sich zur Durchführung der Erfindung eignet. Zur Durchführung einer Rückextrusion wird der Rohling 10 mit seiner Schmiermitteloberfläche 11 '(Fig. 2)

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warm in die Warmpresse 12 eingebracht, die in ihrer einfachsten Form aus einer geschlossenen zylindrischen Form 13 besteht, welche durch ihre Innenoberfläche 14 einen Formhohlraum 15 bildet, in welchem sich ein Stempel 16 mit einer äusseren überfläche 17 befindet. Die Warmpresse 12 sowie der Stempel 16 bilden das Werkzeug und die Oberflächen 14 und 17 die Werkzeugoberflächen, die vorzugsweise mit Graphit überzogen sind. Wird der Stempel 16 unter Druck gegen die den Stempel kontaktierende Oberfläche 18 des Rohlings gepresst, dann wird das Metall des Rohlings nach rückwärts in den Raum gepresst, der von der Stempeloberfläche 17 und der Formhohlraumoberfläche 14 gebildet wird. Auf diese Weise werden neue Metalloberflächen 19 und 20 gebildet. Diese neuen Oberflächen passen sich im Verlaufe ihrer gleitenden Reibung an die Werkzeugoberflächen an und werden durch das Schmiermittel 11a gemäss Fig.3 geschützt. Das Glasschmiermittel fliesst unter diesen Bedingungen und überzieht die neuen Oberflächen bei ihrer Bildung. Nachdem der Stempel 16 seine Bewegung beendet hat, ist ein neues geformtes Metallstück 21 gebildet worden, das aus der Warmpresse entnommen wird und durch die Fig. 4 wiedergegeben wird. Dieses Stück 21 kann beispielsweise als Lager für die Herstellung schwerer Vorrichtungen verwendet werden, indem das verschlossene ^nde unter Schaffung der Bohrung 22 durchbohrt wird.

Die Fig. 5 zeigt das sogenannte Vorwärts-Extrusionsverfahren, bei dessen Durchführung ein Rohling 25 (der ursprünglich die gemäss Fig. 1 wiedergegebene Form besitzt) in einen Hohlraum 26 eingebracht wird, der in einer Pressdüse 27 mit der in Fig. 6 gezeigten Ausgestaltung endet, wobei diese Pressdüse dazu dient, ein rundes Metallstück 28 zu bilden. Ein Stempel 29 wird gegen den Rohling 25 qedrückt. Es bildet sich eine neue Metalloberfläche, die durch das Schmiermittel 11a geschützt wird, wobei die Pressdüse und die Teiloberflächen vor einer Riefenbildung geschützt werden.

Der Glasfilm, der als Schmiermittel dient, muss fest an der Eisen-

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metalloberfläche gebunden sein. Dies erfolgt durch eine Schicht aus Eisenoxyd, die in gesteuerter Weise auf der Oberfläche gebildet wird und eine Zusammensetzung besitzt, die sich FeO nähert, wobei diese Schicht eine Wüstit-Kristallstruktur aufweist. Die Fig. 7 zeigt in sehr schematischer Form die allgemeine Struktur des erfindungsgemässen Schmiermittelsystems auf einer Eisenmetalloberfläche 35. Die FeO-Schicht haftet an der Metallschicht 35 an. Der Schmiermittelglasfilm 38 ist mit der FeO-Schicht 36 und damit mit dem Metall 35 durch eine Zwischenschicht 39 verbunden, die wahrscheinlich aus FeO, gelöst in Glas, besteht.

Der Rohling, welcher das erfindungsgemässe Schmiermittelsystem aufweist, wird aus einem eisenhaltigen Metall gebildet, wobei unter diesen Begriff Stähle und andere Legierungen fallen. Im allgemeinen handelt es sich bei den Stählen, die zur Formung von bestimmten Formteilen durch Warmpressen verwendet werden, um Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Das erfindungsgemässe Schmiermittel sowie das erfindungsgemässe Warmverformungsverfahren sind jedoch nicht auf den Einsatz von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beschränkt. Die eingesetzten Metalle müssen nur dazu in der Lage sein, das erforderliche Eisenoxyd (FeO als Wüstit) auf ihrer Oberfläche zu bilden, wobei sie ferner in einer Warmpresse bei Temperaturen verformbar sein müssen, die nicht oberhalb ungefähr 816°C (1500°F) liegen.

Methoden zur Bildung einer Wüstit-Schicht sind in der Literatur beschrieben. Es sei hingewiesen auf "The System Iron-Oxagen.I. The Wustite Field and Related Equilibria" von L.S. Darken et al, J. Amer. Chem. Soc, 67, 1398-1412 (1945) sowie "The System Iron-Oxagen. II. Equilibrium and Thermodynamics of Liquid Oxide and other Phases" von L.S. Darken et al, J. Amer. Chem. Soc, 68, 798-815 (1946). Zur Bildung des Wüstits werden die Temperatur sowie der Sauerstoffpartialdruck derartig eingestellt, dass die notwen-

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dige Umgebung für die Oxydation des Eisens an der Metalloberfläche unter Bildung von Eisenoxyd, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, gegeben ist. Wüstit kann im wesentlichen ausschliesslich innerhalb eines Temperaturbereichs zwischen ungefähr 593 und ungefähr 1371°C (1100 und 250O⁰F) unter Einhaltung eines ungefähren Sauerstoffpartialdrucks gebildet werden, welcher sich aus einem geeigneten Temperatur/Druck-Diagramm ermitteln lässt, beispielsweise dem Diagramm, das in "Physical Chemistry of Metals" von L.S. Darken und R.W. Gurry, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1953, Seite 349 beschrieben wird. Nach bekannten Methoden werden Sauerstoffpartialdrucke in der Weise eingestellt, dass Atmosphären mit den entsprechenden H₂/H₂O- oder CO/CO^-Verhältnissen verwendet werden. Je höher die zur Bildung des FeO eingehaltene Temperatur ist, desto breiter kann der Sauerstoffpartialdruck-Bereich sein. Um eine Rekristallisation des Stahls zu verhindern, werden Temperaturen zwischen ungefähr 593 und 76O°C (1100 und 1400°F) bevorzugt.

Die Dicke der Wüstit-Schicht sollte zwischen ungefähr 0,5 und 10 u liegen, wobei ein Bereich zwischen ungefähr 1 und 5 u bevorzugt wird. Um die Bildung von etwas Magnetit, Fe₃O₄, aus dem Wüstit beim Abkühlen zu verhindern, wird der Rohling mit der Wüstit-überzogenen Oberfläche vorzugsweise schnell abgekühlt.

Das Glas, das für eine Verwendung in dem erfindungsgemässen Schmiermittelsystera geeignet ist, muss bestimmte physikalische Eigenschaften besitzen. Es muss einen Schmelzpunkt innerhalb eines Temperaturbereiches besitzen, innerhalb dessen die Wüstit-Struktur in der Atmosphäre stabil ist, in welcher das Glas unter Bildung eines Films aufgeschmolzen wird (der Schmelzpunkt eines Glases ist die Temperatur, bei welcher die Glasteilchen erweichen und unter Ausbildung eines Glasfilms auf der Oberfläche zusammenlaufen) . Dieses Erfordernis bedeutet, dass das Glas eine Schmelztem-

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peratur zwischen ungefähr "59 3 und ungefähr 76O°C (1100 und 1400⁰F) besitzen sollte, damit es in einer geeigneten Atmosphäre aufgebracht und zu einem Film verformt werden kann. Das Glas sollte ferner eine Viskosität zwischen ungefähr 100 und 1000 Poise bei der Warmverformungstemperatur besitzen. Die Atmosphäre, in welcher das Glas geschmolzen wird, sollte derartig sein, dass das FeO bei der Schmelztemperatur stabil bleibt. Es kann sich dabei um eine vollständig inerte Atmosphäre handeln, beispielsweise um eine Stickstoffatmosphäre, oder um eine Atmosphäre, in welcher der Sauerstoffpartialdruck unterhalb dem Wert liegt, bei welchem eine merkliche Menge des FeO oxydiert wird.

Das Glas sollte wenigstens teilweise ein Lösungsmittel für den Wüstit bei der Schmelztemperatur des Glases sein. Man nimmt an, dass die erforderliche wirksame Bindung des Glases an die Wüstit-Oberfläche durch eine Auflösung eines Teils des Wüstits in dem Glas, jedoch nicht des ganzen Wüstits, bewerkstelligt wird. Es ist erforderlich, dass in dem erfindungsgemässen Schmiermittelsystem eine Wüstit-Schicht vorliegt, um das Glasschmiermittel an die Oberfläche des eisenhaltigen Metalls zu binden. Dieses Binden erfolgt über eine Zwischenschicht, in welcher das Wüstit in dem Glas gelöst wird, wie aus Fig. 7 hervorgeht.

Im allgemeinen ist es dann, wenn Glas mit einer Metalloberfläche verbunden wird, zweckmässig, jedoch nicht notwendig, ein Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verwenden, der demjenigen des Metalls entspricht, mit welchem das Glas verbunden wird. In dem erfindungsgemässen Schmiermittelsystem ist es vorzuziehen, jedoch nicht wesentlich, ein Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verwenden, der von demjenigen des Metalls verschieden ist, so dass anschliessend an die Bildung des warmverformten Teils der Glasfilm leicht durch Absplittern entfernbar ist. Da Glas gegenüber Zug schwächer als gegenüber Kompression ist,

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ist es ferner vorzuziehen, dass das eingesetzte Glas einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der grosser ist als derjenige des Metalls, so dass der Glasfilm nach der Wärmeverformung unter Zug steht.

Die physikalischen Eigenschaften des Glases bestimmen seine Eignung in dem erfindungsgemässen Schmiermittelsystem. Wenn auch Gläser bekannter Formulierungen auf Silikatbasis normalerweise verwendet werden können, so ist es erfindungsgemäss dennoch auch möglich, Gläser auf Silikatbasis einzusetzen, die aktive Elemente enthalten, wie Schwefel oder Selen, oder Nichtsilikat- . glaser, die beispielsweise Blei- oder Zinkphosphat enthalten, sofern sie die angegebenen physikalischen Eigenschaften besitzen.

Der Glasfilm sollte in dem Schmiermittelsystem vor der Warmverformung eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 25 u besitzen. übersteigt die Dicke des Glasfilms wesentlich einen Wert von 25 u, dann reichert sich Glas auf den Werkzeugoberflächen an, besonders auf den Wänden, welche den Formhohlraum bilden. Die minimale Glasdicke schwankt in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Fläche der gebildeten neuen Oberfläche zu der Fläche der ursprünglichen Oberfläche des Rohlings. Für jedes derartige Verhältnis sowie für jede Kombination aus Rohling und fertigem Teil lässt sich ohne weiteres ein anwendbarer wirksamer Schmierglasdickebereich ermitteln. Die Wirksamkeit des Schmiermittelsystems lässt sich dadurch beurteilen, ob Riefen auf der Oberfläche der warmverformten Teile sowie auf den Werkzeugoberflächen vorhanden sind.

Der Glasfilm kann nach jeder geeigneten Methode aufgebracht werden. Beispielsweise kann das Glas auf die Oberfläche in Form eines feinteiligen Materials aufgebracht werden, beispielsweise in Form eines trockenen Pulvers aufgestaubt werden. Es kann ferner in einem

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flüssigen Medium, wie beispielsweise Wasser oder einem relativ flüchtigen organischen Material, suspendiert werden, worauf ein Aufpinseln, Aufsprühen oder eine andere Äufbringungsmethode durchgeführt wird. Nach bekannten Methoden können geeignete Suspendiermittel unter Bildung von Glasschlämmen zugesetzt werden. Einige Gläser können auch als Lösungen aufgebracht werden. Gläser, die in Form eines feinteiligen Materials mit oder ohne flüssiges Suspendierungsmedium aufgebracht werden, müssen nach der Aufbringung unter Ausbildung eines im wesentlichen kontinuierlichen Films geschmolzen werden. Die Temperatur, bei welcher ein derartiges schmelzen erfolgt, sowie die Zeitspanne, während welcher das Glas zum Erreichen der gewünschten Temperatur sowie zum Bewirken des Schmelzens erhitzt wird, müssen innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, welche die Integrität der Wüstit-Schicht garantieren, die notwendig ist, damit die Bindung zwischen dem Glas und der Metalloberfläche erfolgt. Wie vorstehend erwähnt worden ist, wird offensichtlich ein Teil des Wüstits in dem Glas aufgelöst, die Bildung des Glasfilmes muss jedoch in der Weise durchgeführt werden, dass nicht der ganze Wüstit aufgelöst wird.

Als Alternative zur der Durchführung von zwei getrennten Stufen, und zwar zuerst der Bildung der FeO-Schicht und dann der Bildung der Glasschicht auf der FeO-Schicht, kann man das erfindungsgemässe Schmiermittelsystem, wie schematisch aus Fig. 7 hervorgeht, unter Verwendung eines Glases aufbringen, das mit FeO gesättigt ist. Ein derartiges Glas kann beispielsweise dadurch formuliert werden, dass Eisen(II)-oxalat als Komponente zugemengt wird, wobei Schmelzbedingungen eingehalten werden, welche eine Steuerung der Sauerstoffaktivität der Schmelze gestatten. Die Bildung geeigneter FeO-enthaltender Gläser wird in der Literatur beschrieben (vgl. beispielsweise A. Paul und R.W. Douglas "Ferrous-Ferric Equilibrium in Binary Alkali Silicate Glasses", Physics and Chemistry of Glasses (Society of Glass Technology), Band 6, Nr. 6, Dezember 1965, Seiten 207-211. Das FeO-enthaltende Glas

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wird dann in der gleichen Weise wie das Glas aufgebracht, das auf die getrennt gebildete FeO-Schicht aufgeschichtet wird, wobei dafür Sorge getragen wird, dass Glasschmelzbedingungen eingehalten werden,.d.h. Temperaturen sowie Atmosphären, unter denen das FeO stabil bleibt und nicht in einem merklichen Ausmaße oxydiert wird.

Nachdem die Oberfläche des Metallrohlings haftend mit dem Schmiermittelsystem versehen worden ist und sich der Glasfilm verfestigt hat, kann der Rohling erhitzt und in die Warmpresse zum Verformen eingebracht werden. Ist bei der Aufbringung des Glasfilmes eine Schmelzstufe vorgesehen und der Rohling erhitzt worden, dann kann man auf ein vollständiges erneutes Erhitzen des Rohlings auf die Warmverformungstemperatur verzichten.

Nach dem Warmverformen wird das fertige ausgeformte Teil von dem Glas gereinigt, beispielsweise durch mechanisches Absplittern unter Verwendung eines Strahlmittels oder durch Ablösen mit Wasser oder einer alkalischen Lösung. Das fertige ausgestaltete Teil erfordert im allgemeinen nur eine geringfügige oder überhaupt keine weitere Verarbeitung oder Fertigbearbeitung für die jeweilige Verwendung. Es ist jedoch erfindungsgemäss möglich, einen relativ harten Legierungsstahl zu einer Konfiguration warm zu verformen, die ein gewisses Bearbeiten oder Fertigbearbeiten erfordert. In derartigen Fällen wird ein Grobbearbeiten durch das Warmverformen vermieden.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie zu beschränken.

Stahlrohlinge mit einem Durchmesser von 17,4 mm und einer Höhe von 17 mm werden verwendet. Bei dem Stahl handelt es sich um einen SAE 1018-Stahl, d.h. um einen Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt (0,18 % C). Die Stahlrohlinge werden auf 76O°C in

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einer Atmosphäre aus einem strömenden Gas erhitzt, das 10 % H„ und 90 % N_, bezogen auf das Volumen, enthält. Das Gas ist vorher durch ein Wasserbad mit einer Temperatur von 40°C geschickt worden.

Diese H-O/h^-Mischung ergibt einen Sauerstoffpartialdruck von un-

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gefähr 10 Atmosphären, d.h. einen Druck, der zur Bildung von Wüstit erforderlich ist, ohne dass dabei weder Magnetit noch Hämatit gebildet wird. Die Temperatur wird bei 760 C während einer Zeitspanne von 1 bis 2 Stunden qehalten, um die Bildung der FeO-Schicht zu beenden. Dann werden die erhaltenen Rohlinqe mit einer Wüstit-Oberflache schnell in der gleichen Atmosphäre abgekühlt, um die Wüstit-Phase auf tieferen Temperaturen zu halten.

Das verwendete Glas enthält 63,2 % PbO, 21,3 % SiO₂ und 15,5 % B»0 , jeweils bezogen auf das Gewicht. Es wird zu einer Aufschlämmung durch Vermählen einer Kugelmühle in Methylalkohol verarbeitet. Die Aufschlämmung wird auf die ganze Oberfläche der mit Wüstit überzogenen Rohlinge durch Eintauchen aufgebracht, worauf die überzogenen Rohlinge auf 76O°C in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt werden. Dabei schmilzt das Glas, läuft zusammen und bildet einen Film. Die Verweilzeit bei 76O°C beträgt ungefähr 2 bis 10 Minuten, um zu gewährleisten, dass der Wüstit nicht vollständig in dem Glas aufgelöst wird.

Die Stahlrohlinge, die mit diesem Schmiermittelsystem an der Oberfläche überzogen worden sind, werden dann auf 760 C in Luft erhitzt. Nachdem das Glas geschmolzen ist, werden die Rohlinge schnell in eine Warmpresse (vgl. Fig. 2) zur Durchführung einer Warmverformung eingebracht. Die Werkzeugoberflächen werden mit Graphit überzogen. Es wird eine Rückextrusion in der Presse unter scharfen Bedingungen eingehalten, und zwar bei einer 70 %igen Flächenverminderung und einem Verhältnis der Höhe des Teils zu dem Stempeldurchmesser von 2,5/1. Die Wirkung des Schmiermittels gibt sich daran zu erkennen, ob auf der Innenoberfläche des Stahlteils Riefen vorliegen. Sind Riefen gebildet worden, so deutet dies darauf

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hin, dass der Stempel physikalisch den Stahl kontaktiert hat, wodurch ein schnelles Abnützen des Stempels erfolgt. Da eine Riefenbildung mit zunehmender Anzahl nacheinander warmverformter Teile zunimmt, werden mehrere Teile nacheinanderfolgend warmverformt.

Die Stahlrohlinge, die mit dem erfindungsgemässen Schmiermittelsystem versehen worden sind, zeigen nach der Verformung keine Riefen, und zwar auch dann nicht, nachdem 5 Teile aufeinanderfolgend unter Einsatz der gleichen Warmpresse gebildet worden sind. Untersucht man die wariwerformten Teile, so stellt man fest, dass das Glas den neuen Stahloberflächen gefolgt ist, die bei der Ausformung des Teils gebildet worden sind, wobei dieses Glas als physikalische Barriere zwischen der Werkzaugoberfläche und dem Stahl wirkt.

Verschiedene Stahlrohlinge, die mit den vorstehend beschriebenen identisch sind, werden direkt mit dem gleichen Glas überzogen, ohne dass dabei zuerst die Wüstit-Oberfläche gebildet wird. Diese Rohlinge werden dann in der gleichen vorstehend beschriebenen Weise unter Einsatz der gleichen Warmpresse sowie unter Einhaltung der gleichen Verformungsbedingungen warmverformt.Dabei tritt eine Riefenbildung auf dem Stahl auf. Das Glas folgt nicht den neu gebildeten Stahloberflächen. Daraus geht hervor, dass die Bildung des Wüstits auf der Oberfläche notwendig ist, um Glas als Warmverformungsschmiermittel verwenden zu können.

Die Energiemenge, die zum Warmverformen der Teile dieses Beispiels erforderlich ist, wird auf ungefähr 50 bis 75 % der Energie geschätzt, die dann erforderlich gewesen wäre, wenn eine Kaltverformung ausgeführt worden wäre. Dies bedeutet, dass die gleichen Teile billiger warmverformt werden können. Es ist ferner möglich, unter Verwendung der gleichen Energiemenge grössere Stücke durch Warmverformen zu bearbeiten als dies durch Kaltverformen möglich ist.

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Claims (33)

- 16 Patentansprüche

1.J Verfahren zum Warmverformen eines Rohlings aus einem Eisenmetall zu einem Teil mit einer vorherbestimmten Ausgestaltung durch Warmpressen bei Temperaturen bis zu ungefähr 816°C (1500°F), dadurch gekennzeichnet/ dass die Oberfläche des Rohlings mit einer wirksamen Menge eines Glasschmiermittels verbunden wird, wobei das Binden über eine Schicht aus Eisenoxyd erfolgt, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, und das eine Wüstit-Struktur besitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in steuerbarer Weise die Oberfläche des Eisenmetallrohlings unter Ausbildung einer Schicht aus einem Eisenoxyd oxydiert wird, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, und das eine Wüstit-Struktur besitzt, worauf an d^ese Schicht eine wirksame Menge eines Glasschmiermittels gebunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Eisenoxydschicht zwischen ungefähr 0,5 und 10 u liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas in Form eines im wesentlichen kontinuierlichen Films ausgebildet wird, dessen Dicke nicht grosser als ungefähr 25 u ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Glas eine Schmelztemperatur zwischen ungefähr 593 und 76O°C (1100 und 1400°F) und eine Viskosität zwischen ungefähr und 1000 Poise bei der Temperatur der Warmverformung besitzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Glas einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der von demjenigen des Eisenmetalls verschieden ist.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Glases grosser ist als derjenige des eisenhaltigen Metalls.

8. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche eines Eisenmetallrohlings, der sich für eine Warmverformung unter Ausbildung eines Teils mit einer vorherbestimmten Konfiguration eignet, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) in kontrollierbarer Weise die Oberfläche des Eisenmetallrohlings unter Ausbildung einer Schicht aus einem Eisenoxyd oxydiert wird, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, und das eine Wüstit-Struktur besitzt, und

(b) mit dem Eisenoxyd ein Film aus einem Glasschmiermittel verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der erzeugten Eisenoxydschicht zwischen ungefähr 0,5 und 10 u liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Glasfilm eine Dicke von nicht mehr als ungefähr 25 μ besitzt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Glas eine Schmelztemperatur zwischen ungefähr 593 und 76O°C (1100 und 1400°F) sowie eine Viskosität zwischen ungefähr 100 und 1000 Poise bei der Temperatur der Warmverformung besitzt.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe der steuerbaren Oxydation der Oberfläche darin besteht, die Oberfläche auf eine Temperatur von ungefähr 76O°C (1400°F) in einer Atmosphäre zu erhitzen, in welcher der Sauerstoffpartialdruck auf einem Wert gehalten wird, der unterhalb dem Wert liegt, bei welchem eine merkliche Menge des gebildeten FeO oxydiert wird.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff]
gestellt wird.

-20 der Sauerstoffpartialdruck auf ungefähr 10 Atmosphären ein-

14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Glases mit dem Eisenoxyd darin besteht, feinteiliges Glas auf die Eisenoxydoberfläche aufzubringen und dann das Glas unter Bildung eines Films zu schmelzen, wobei die Bedingungen der Schmelzstufe derartig gewählt werden, dass wenigstens ein Teil der ursprünglichen Dicke der Eisenoxydschicht beibehalten wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das feinverteilte Glas in Form einer Aufschlämmung in einem flüssigen Medium aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Glases mit dem Eisenoxyd darin besteht, dass das Glas in Form einer Lösung auf das Eisenoxyd aufgebracht wird, worauf das Lösungsmittel der Lösung entfernt wird.

17. Verfahren zum Warmverformen eines Rohlings aus einem eisenhaltigen Metall zur Erzeugung eines Teils mit einer vorherbestimmten Konfiguration, dadurch gekennzeichnet, dass

(a) auf die Oberfläche des Rohlings aus einem eisenhaltigen Metall ein Schmiermittelfilm aus Glas aufgebracht wird, der mit der Oberfläche durch eine Schicht aus Eisenoxyd verbunden wird, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, und das eine Wüstit-Struktur besitzt,

(b) der Rohling auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur erhitzt wird, bei welcher eine merkliche Rekristallisation des eisenhaltigen Metalls erfolgt, und

(c) unter Druck die Oberfläche des erhitzten Rohlings mit dem

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Werkzeug kontaktiert wird, wobei der Rohling unter Druck die vorherbestimmte Ausgestaltung annimmt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Durchführung der Stufe (b) nicht mehr als ungefähr 816°C (1500°F) beträgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Eisenoxydschicht zwischen ungefähr 0,5 und 10 μ eingestellt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Glasfilms auf nicht mehr als ungefähr 25 μ eingestellt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Glas eine Schmelztemperatur zwischen ungefähr und 76O°C (1100 und 1400°F) und eine Viskosität zwischen ungefähr 100 und 1000 Poise bei der Temperatur der Warmverformung besitzt.

22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass di€i Stufe der Aufbringung des Schmiermittelfilms aus Glas darin besteht, dass auf die Oberfläche des Metallrohlings ein Glasfilm aufgeschmolzen wird, wobei das Glas eine Sättigungsmenge an FeO enthält, und wobei das Schmelzen unter solchen Bedingungen bezüglich Temperatur und Sauerstoffpartialdruck durchgeführt wird, dass eine merkliche Oxydation des FeO verhindert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe der Aufbringung des Schmiermittelfilms aus Glas darin besteht, dass

(a) in steuerbarer Weise die Oberfläche des Rohlings aus eisenhaltigem Metall unter Ausbildung der erwähnten Schicht aus Eisenoxyd oxydiert wird, worauf

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- 20 (b) rait dem Eisenoxyd der Glasschmiermittelfilm verbunden wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass

die Stufe der steuerbaren Oxydation der Oberfläche darin besteht, die Oberfläche auf eine Temperatur von ungefähr 76O°C (1400°F) in einer Atmosphäre zu erhitzen, in welcher der Sauerstoffpartialdruck auf einem Wert unterhalb des Wertes gehalten wird, bei welchem eine merkliche Menge des gebildeten FeO oxydiert wird.

25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Glases mit dem Eisenoxyd darin besteht _r feinteiliges Glas auf die Eisenoxydoberfläche aufzubringen und dann das Glas unter Ausbildung eines Films zu schmelzen, wobei die Bedingungen der Schmelzstufe derartig gewählt werden, dass wenigstens ein Teil der Ursprungsdicke der Eisenoxydschicht beibehalten wird.

26. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass

das verwendete Formwerkzeug aus einem verschlossenen Formhohlraum und einem Stempel, der in diesem Hohlraum bewegbar ist, besteht, wobei die Kontaktierung unter Druck eine Rückextrusion des Rohlings unter Ausbildung einer vorherbestimmten Ausgestaltung bewirkt.

27. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Formwerkzeug aus einem Formhohlraum, der in einer Extrusionsdüse endet, und einem Stempel besteht, der in dem Hohlraum bewegbar ist, wobei die Kontaktierung unter Druck eine Vorextrusion des Rohlings durch die Extrusionsdüse unter Bildung einer vorherbestimmten · Konfiguration bewirkt.

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28. Rohling aus einem eisenhaltigen Metall, der sich für eine Warmverformung zu einer vorherbestimmten Ausgestaltung eignet, dadurch gekennzeichnet, dass er an seiner Oberfläche haftend ein GlasSchmiermittel trägt, das über eine Schicht aus Eisenoxyd verbunden ist, dessen Zusammensetzung sich FeO nähert, und das eine Wüstit-Struktur besitzt.

29. Rohling nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Eisenoxydschicht zwischen ungefähr 0,5 und 1Ou schwankt.

30. Rohling nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas in Form eines im wesentlichen kontinuierlichen Films mit einer Dicke von nicht mehr als ungefähr 25 u vorliegt.

31. Rohling nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass

das Glas eine Schmelztemperatur zwischen 593 und 760 C (1100 und 1400°F) sowie eine Viskosität zwischen ungefähr 1OO und 1000 Poise bei der Warmverformungstemperatur besitzt.

32. Rohling nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der von demjenigen des eisenhaltigen Metalls verschieden ist.

33. Rohling nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass

der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases grosser ist als derjenige des eisenhaltigen Metalls.

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