DE4323167C1 - Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers aus Stahl mit einer Innen- und/oder Außenprofilierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen ei­ nes Hohlkörpers aus Stahl mit einer Innen- und/oder Au­ ßenprofilierung.

Die DE 37 11 927 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstel­ lung von an ihrem Außenumfang in vorwiegend axialer Rich­ tung profilierten, insbesondere gezahnten metallischen Hohlkörpern aus rotationssymmetrisch vorgeformten Hohl­ körpern′ wobei die Profilierung nach Zustellen wenig­ stens einer Profilrolle mittels dieser durch Drücken er­ zeugt wird und wobei schrittweise in radialer Richtung umgeformt wird.

Weiterhin ist aus der DD 2 32 210 A1 ein Verfahren zur Profilerzeugung durch Abstreckdrücken bekannt, insbeson­ dere zur Herstellung rotationssymmetrischer Hohlkörper mit und ohne Boden sowie Innen- bzw. Außenlängsprofilen, wobei die Umformung in mehreren Umformstufen erfolgt und wobei die mindestens zwei aufeinanderfolgenden Umformstu­ fen jeweils nach einem Wechsel der Drehrichtung minde­ stens eines der treibenden Werkzeugelemente, z. B. Drück­ rolle oder Drückdorn, durchgeführt werden.

Schließlich beschreibt die DE-OS 22 25 390 eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur Herstellung definierter Wand­ dickenänderungen eines rotationssymmetrischen Hohlkör­ pers. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist eine Fließdrückmaschine mit einem rotierenden, das Werkstück aufnehmenden Dorn und mit einem hierzu radial zustellbaren Drückwerkzeug, wobei zwischen Dorn und Drückwerkzeug eine gegenüber der Dorndrehung abgestimmte Relativbewegung in Richtung der Dornachse stattfindet und wobei der Drückdorn die Negativformen der auf der inneren Oberfläche des Werkstückes einzuarbeitenden Wand­ dickenänderungen in Form von örtlich ausgebildeten Ver­ stärkungen oder Nuten aufweist.

Allen vorgenannten bekannten Drückverfahren ist der Nach­ teil gemeinsam, daß nur Produkte von normaler Festigkeit unmittelbar hergestellt werden können. Bei besonderen Härte- und Festigkeitsanforderungen an die Produkte ist ein nachfolgendes Härten erforderlich, was einen zusätz­ lichen Herstellungsaufwand mit sich bringt und die Her­ stellungskosten erhöht. Außerdem wird die Maß und Form­ genauigkeit des Produktes durch das Härten ungünstig be­ einflußt, was bei hohen Maß und Formgenauigkeitsanforde­ rungen eine Nachbearbeitung erfordert.

Außerdem sind spanende Verfahren zum Herstellen von Hohl­ körpern der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art allgemein bekannt. Insbesondere sind hier Fräsen, z. B. Abrollfräsen, und Schleifen zu nennen. Allen diesen Ver­ fahren haftet der Nachteil an, daß sie einen hohen Ar­ beits- und Zeitaufwand bei ihrer Ausführung erfordern, was zu hohen Herstellungskosten der damit hergestellten Produkte führt. Nachteilig ist weiterhin, daß die Festig­ keit und Härte der so hergestellten Produkte begrenzt ist. Werden besondere Festigkeitsanforderungen, z. B. bei Zahnkränzen oder Zahnrädern, gestellt, dann ist ein zu­ sätzliches Härten des Produktes nötig, was einen weite­ ren Arbeitsschritt erfordert und zusätzliche Herstel­ lungskosten verursacht. Zudem wird durch das Härten die Haß und Formgenauigkeit negativ beeinflußt, was oft eine Nachbearbeitung, z. B. ein Nachschleifen, erfordert, um die gewünschte Haßgenauigkeit zu erhalten.

Auf der anderen Seite ist das Austenitformhärten als üb­ liches Härtungsverfahren für Gegenstände aus Stahl be­ kannt. Laut DIN 17 014, Teil 1, Seite 2 ist das Austenit­ formhärten die thermomechanische Behandlung hochlegier­ ter Vergütungsstähle, wobei metastabiler Austenit unter solchen Bedingungen plastisch umgeformt wird, daß keine Rekristallisation eintritt und beim anschließenden Abküh­ len in Martensit und/oder Bainit umgewandelt wird.

Das Verfahren des Austenitformhärtens wird weiterhin in "Technologie der Wärmebehandlung von Stahl", 2. Aufl., VEB Deutscher Verlag für Kunststoffindustrie, Leipzig, 1987, S. 188, 189, 386 bis 391 beschrieben, wobei hier beispielhaft die Anwendung des Austenitformhärtens für Federstahl gezeigt ist. Die Anwendung des Austenitform­ härtens zum Herstellen eines Hohlkörpers aus Stahl mit einer Innen- und/oder Außenprofilierung wird durch die­ sen bekannten Stand der Technik aber weder beschrieben noch angeregt.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art anzugeben, das schnell und kostengün­ stig arbeitet und das gleichzeitig Produkte mit großer Naß- und Formgenauigkeit sowie hoher Härte und Festig­ keit liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren der im Patentanspruch 1 genannten Art, näm­ lich dadurch, daß die Verfahrenstechniken des Drückwal­ zens und des Austenitformhärtens in Kombination ange­ wandt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil einer exakten Ausbildung der Profilierung bei sehr kurzen Bear­ beitungszeiten. Die dabei erzielbaren Oberflächenhärten sind gleich oder sogar höher als die, die durch Härten erreichbar sind. Ist die Profilierung eine Verzahnung, dann wird zudem vorteilhaft eine höhere Festigkeit der Zahnkerne erzielt, als sie bei einem Einsatzstahl mög­ lich ist. Dabei bleibt eine ausreichende Zähigkeit in je­ dem Fall erhalten. Ein nachgeschalteter Härteprozeß mit dem Risiko von Verminderungen der Maß und Formgenauig­ keit erübrigt sich damit, selbst bei höchsten Anforderun­ gen an die Festigkeit des Produktes. Die hohe Qualität des Produktes wird schon mit relativ preiswerten Stählen als Material für den im Verfahren einzusetzenden Rohling erreicht, so daß auch von der Materialseite Kosteneinspa­ rungen möglich sind. Weitere Kosteneinsparungen sind häu­ fig möglich durch kleinere Dimensionierung der Produkte bei unverminderter Belastbarkeit und Haltbarkeit. Die hierbei gleichzeitig erzielbaren Gewichtseinsparungen sind insbesondere für die Kraftfahrzeug- und Luftfahrt­ technik von Bedeutung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß der Rohling aus einem Stahl, der mindestens 0,2-0,6 Gew.-% Kohlenstoff und mindestens 3 Gew.-% der Elemente Chrom, Molybdän und Va­ nadium einzeln oder zu mehreren enthält, besteht und in inerter Atmosphäre auf Austenitisierungstemperatur er­ wärmt und anschließend in den Bereich des metastabilen Austenits unterhalb der Rekristallisations- und oberhalb der Martensitbildungstemperatur abgekühlt wird, daß in diesem Temperaturbereich des metastabilen Austenits das Drückwalzen der Profilierung erfolgt, daß im Anschluß an das Drückwalzen der profilierte Hohlkörper schnell auf eine Temperatur unterhalb der Martensitbildungstempera­ tur abgekühlt wird und daß nach beendeter Martensitum­ wandlung der profilierte Hohlkörper zur Ausscheidung von Sonderkarbiden bei Temperaturen von 450 bis 600°C ange­ lassen und nach beendeter Anlaßbehandlung auf Raumtempe­ ratur abgekühlt wird. Ein Vertreter dieser Gruppe ist z. B. der Werkstoff 1.2344 = X 51 CrMo V 5 1 mit Gehalten von 0,5% Kohlenstoff, 5% Chrom, 1% Molybdän und 0,5% Vanadium. Der Temperaturbereich des metastabilen Auste­ nits liegt bei geeigneten Stählen beispielsweise bei etwa 500°C. Bei dieser Temperatur besitzt der Stahl ein besseres Fließverhalten als im kalten Zustand, so daß mit geringerer Kraft eine verbesserte Profilausbildung, insbesondere eine exaktere Zahnkopfausbildung an dem Werkstück durch vereinfachte und verbesserte vollständi­ ge Ausfüllung der Negativformen an dem Werkzeug ermög­ licht werden. Das Abkühlen auf Raumtemperatur kann an der Luft erfolgen, gegebenenfalls an bewegter Luft, die die zu kühlenden verzahnten Hohlkörper gleichmäßig be­ streicht.

Weiter wird vorgeschlagen, daß die Werkzeuge für die An­ formung der Profilierung vor dem Umformvorgang vorge­ wärmt werden. Hierdurch wird eine unerwünschte Abkühlung des zu profilierenden Hohlkörpers zu Beginn des Umform­ vorganges beim Drückwalzen vermieden.

Schießlich besteht eine besonders vorteilhafte Ausgestal­ tung des Verfahrens darin, daß die Temperatur des Hohl­ körpers während des Drückwalzens ständig gemessen, mit einer vorgegebenen Solltemperatur verglichen und das Er­ gebnis des Vergleiches zur Regelung der Drückwalzge­ schwindigkeit hinzugezogen wird. Auf diese Art und Weise kann die Temperatur des Hohlkörpers während des Drückwal­ zens ohne weitere Kühl- oder Heizeinrichtungen im ge­ wünschten Temperaturbereich, insbesondere im Temperatur­ bereich des metastabilen Austenits, gehalten werden, wo­ bei eine Erhöhung der Drückwalzgeschwindigkeit eine er­ höhte Energiezufuhr und damit eine Temperaturerhöhung und eine Verringerung der Drückwalzgeschwindigkeit eine verminderte Energiezufuhr und damit Temperaturabsenkung des Hohlkörpers bewirkt. Während des Umformvorganges gleichen sich also die durch das Drückwalzen in den Hohl­ körper eingebrachte Umformenergie und die Energieabstrah­ lung und -ableitung aus dem Hohlkörper unter Aufrechter­ haltung des gewünschten Temperaturniveaus zuverlässig aus.

Drückmaschinen zur Durchführung des eigentlichen Drück­ walzvorganges sind bekannt und brauchen daher nicht nä­ her beschrieben zu werden. Sie können mit einer oder meh­ reren Umformrollen ausgerüstet werden.

Ein zur Erhitzung der Rohlinge aus einem austenitform­ härtbaren Stahl auf Austenitisierungstemperatur verwend­ barer Ofen ist vorteilhaft ein Schachtofen mit Schutz­ gas-Atmosphäre, z. B. Stickstoff, bei welchem für jeden entnommenen erhitzten Rohling ein noch nicht erhitzter Rohling eingegeben wird.

Die Haltezeit auf Austenitisierungstemperatur und die Au­ stenisierungstemperatur selbst ist vom verwendeten Stahl­ typ abhängig und beträgt ca. 20 bis 60 Minuten bei 900 bis 1050°C.

Die Abkühlung von Austenitisierungstemperatur zur Umform­ temperatur des metastabilen Austenits erfolgt bevorzugt unter inerter Atmosphäre.

Nach der Umformung erfolgt die Abkühlung an ruhender oder bewegter Luft; dabei erfolgt die Umwandlung in das martensitische Gefüge. Die sich daran anschließende An­ laßbehandlung bei Temperaturen zwischen 400 bis 600°C erfolgt bevorzugt in einem Luftumwälzofen mit Haltezei­ ten zwischen einer und sechs Stunden; die sich daran an­ schließende Abkühlung von Anlaßtemperatur auf Raumtempe­ ratur wird an ruhender Luft durchgeführt.

Als Beispiel für die auf die beschriebene Weise herzu­ stellenden Teile seien folgende Abmessungen genannt: Innenverzahnung: Innendurchmesser 10 bis 500 mm, Länge falls erforderlich bis 1500 mm, Zahnhöhe 1 bis 20 mm, Zahnbreite 1 bis 50 mm.

Es ist möglich, sowohl gerad- als auch schrägverzahnte Teile mit oder ohne Boden herzustellen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers aus Stahl mit einer Innen- und/oder Außenprofilierung durch Drückwalzen, insbesondere zur Herstellung eines Zahn­ kranzes, aus einem hohlzylindrischen oder topfförmi­ gen Rohling, wobei das Drückwalzen mit einem Austenit­ formhärten kombiniert erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Rohling aus einem Stahl, der mindestens 0,2 Gew.-% Kohlenstoff und mindestens 3 Gew.-% der Sonderkarbide bildenden Elemente Chrom, Molybdän und Vanadiuti einzeln oder zu mehreren enthält, be­ steht und in inerter Atmosphäre auf Austenitisie­ rungstemperatur erwärmt und anschließend in den Bereich des metastabilen Austenits unterhalb der Rekristallisations- und oberhalb der Martensitbil­ dungstemperatur abgekühlt wird,
• - daß in diesem Temperaturbereich des metastabilen Austenits das Drückwalzen der Profilierung erfolgt,
• - daß im Anschluß an das Drückwalzen der profilierte Hohlkörper schnell auf eine Temperatur unterhalb der Martensitbildungstemperatur abgekühlt wird und
• - daß nach beendeter Martensitumwandlung der profi­ lierte Hohlkörper zur Ausscheidung von Sonderkarbi­ den bei Temperaturen von 400 bis 600°C angelassen und nach beendeter Anlaßbehandlung auf Raumtempera­ tur abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Werkzeuge für die Anformung der Profilie­ rung vor dem Umformvorgang vorgewärmt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Hohlkörpers während des Drückwalzens ständig gemessen, mit einer vorgegebenen Solltemperatur verglichen und das Ergeb­ nis des Vergleiches zur Regelung der Drückwalzge­ schwindigkeit hinzugezogen wird.