EP0101097A1 - Verfahren zur Herstellung eines kaltverfestigten metallischen Werkstücks durch Schmieden oder Pressen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines kaltverfestigten metallischen Werkstücks durch Schmieden oder Pressen Download PDF

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EP0101097A1
EP0101097A1 EP83200763A EP83200763A EP0101097A1 EP 0101097 A1 EP0101097 A1 EP 0101097A1 EP 83200763 A EP83200763 A EP 83200763A EP 83200763 A EP83200763 A EP 83200763A EP 0101097 A1 EP0101097 A1 EP 0101097A1
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    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • B21K3/04—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a work-hardened metallic workpiece according to the preamble of claim 1.
  • a forging blank was first made in the temperature range of hot working, i.e. above the recrystallization limit (for austenitic steels 950-1150 ° C) in several operations in cold or only slightly preheated (below 300 °) C)
  • the dies are roughly brought into the desired shape by forging.
  • the workpiece was then subjected to a further separate "cold-forming operation" at a higher temperature subjected to temperature. This increased working temperature was chosen to reduce the yield stresses during the necessary deformation. It had to remain below the recrystallization threshold in order to achieve a "cold hardening effect".
  • the invention has for its object to simplify the manufacturing process in the manufacture of a work hardened workpiece as a final product, starting from a forging blank, to make it more economical and to achieve optimum workpiece properties.
  • FIG. 1 shows the view of a forging blank (preform) used to produce a turbine blade of a thermal machine.
  • the representation corresponds to the layout of the workpiece in the working position at the start of the forging process in the press.
  • the blank is rotationally symmetrical and consists of a slim cylindrical shaft part and a thicker conical foot part.
  • the blade is formed from the longer shaft part during the forging operation and the blade root from the foot part.
  • the sketch corresponds approximately to that natural size of the workpiece, but can in principle be valid for all blade sizes of a similar shape.
  • FIG. 2a shows the temperature curve T in the workpiece as a function of time t for the different phases of the process steps consisting of thermal, thermomechanical and mechanical treatment.
  • Curve a applies to the shaft or the blade of the workpiece, while curve b is responsible for the corresponding foot.
  • c is the tool temperature.
  • m refers to the heating phase taking place in the furnace, n to the transport phase between the furnace and the forging tool, o to the actual shaping phase of the hot and cold forming and q to the cooling phase (generally in air up to room temperature).
  • a and B indicate the final temperatures of the shaft and the foot of the forging blank in the furnace.
  • C and D are the initial temperatures for the shank and foot of the workpiece in the forging die, i.e. at the beginning of the deformation, while E and F represent the corresponding end temperatures for the airfoil or blade root after the forging and work hardening operation has been completed.
  • FIG. 2b shows the section of the temperature / time diagram according to FIG. 2a that is of most interest in the present case on an enlarged scale. Above all, the effort to adjust the workpiece to the tool temperature during phase o (curve sections C-E and D-F) can be seen.
  • a forging blank with the preform according to FIG. 1 became one in a single operation in one heat Turbine blade shaped, while performing a work hardening process at elevated temperature.
  • the workpiece to be deformed consisted of an austenitic, corrosion-resistant steel with the material designation X12CrNiWTi1613 and had the following composition:
  • the raw material of the forged blank was initially in the solution-annealed condition.
  • the blank was placed in an oven at a temperature of 1190 ° C. and left there for 420 seconds (heating phase m).
  • the shank of the workpiece had assumed a mean temperature of 950 ° C (point A), while that of the foot reached 725 0 C (point B).
  • the workpiece was removed from the furnace and placed in the die of the forging press.
  • This transport phase n lasted a total of 30 seconds until the actual forging operation began. In this case, the shaft at 850 ° C (point C), the foot 695 0 C (point D) had cooled.
  • the tool consisting of the nickel-based alloy IN100 had been brought to a temperature of 800 ° C (horizontal c). In the present case, this corresponded approximately to the recrystallization temperature.
  • the workpiece was finished with one average punch speed of 6.5 mm / sec pressed to a turbine blade. The stamp speed was higher at the beginning of the pressing process than at the end of the same.
  • the first period of this shaping phase o served for shaping (hot forming), while in the second period of this phase mainly strain hardening was carried out at a higher temperature.
  • the total pressing force of the punch was 6100 kN.
  • the airfoil had (point E) of the blade root such an adopted a temperature of 840 0 c of 725 ° C (point F). Care was taken to ensure that the degree of work hardening was approximately the same throughout the workpiece. In general, "degrees of cold deformation" of over 10% are necessary to achieve the desired mechanical properties.
  • the workpiece was removed from the die and cooled in air to room temperature. The increase in hardness measured on the finished workpiece, which roughly corresponds to the relative increase in tensile strength, averaged 30% compared to the solution-annealed starting material.
  • the work hardening effect is a function of the degree of deformation and the temperature.
  • iron or nickel alloys can be converted into the desired end product in the manner proposed.
  • Austenitic, corrosion-resistant steels that are suitable for strong work hardening are particularly suitable for this purpose. It should be noted that this "work hardening" also occurs during deformation at higher temperatures, since the recrystallization temperature is relatively high for complete recrystallization. The latter is from the Alloy composition, depending on the degree of deformation and the rate of deformation (duration of the corresponding deformation). As a rule, it can be determined experimentally by preliminary tests. Forged blanks similar to FIG. 1 made of Cr / Ni / W steel are advantageously brought to an initial temperature of 700-800 ° C.
  • the tool which generally consists of two die halves, should be kept at a temperature of 700-850 C, which is usually close to the recrystallization temperature.
  • pressing is advantageously carried out for 1-10 sec with an average punch speed of 2-20 mm / sec under a pressure of at most 75% of the yield strength of the tool material.
  • an average stamping speed of 0.5-5 mm / sec can then be used to press or finish pressing under a pressure of at most 85% of the yield strength of the tool material.
  • the punch speed can also be varied continuously during the pressing process.
  • the required temperature distribution can be achieved in most cases with an inductive heating system by controlling the power transmission and the heating time as a function of the location.
  • the optimal relationships between recrystallization temperature Determine the tool temperature, "degree of cold deformation", rate of deformation, increase in hardness or strength and initial temperature in function of the location (geometry) of the workpiece partly experimentally, partly based on model assumptions. In this way, hardness and tensile strength can be increased evenly over the entire workpiece by amounts of up to approx. 50%.

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Abstract

Ein kaltverfestigtes metallisches Werkstück, insbesondere aus einem austenitischen Stahl wird in einem Arbeitsgang dadurch hergestellt, dass der als Vorform vorliegende Schmiederohling in seinen verschiedenen Teilen auf unterSchiedliche Anfangstemperaturen erwarmt, in einer ersten Arbeitsphase im Wesentlichen einer Formgebungs- und in einer zweiten gleich anschliessenden Phase in einer Hitze einer zusätzlichen kaltverfestigungsoperation bei erhöhter Temperatur in einem beheizten Gesenk unterworfen wird.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines kaltverfestigten metallischen Werkstücks nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Es gibt Werkstoffe, welche ihre optimalen mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine geeignete Kombination von Härte und Festigkeit einerseits mit Zähigkeit und Duktilität andererseits nur durch eine Kaltverfestigungsoperation erreichen. Dazu gehören spezielle Eisen- und Nickellegierungen, im Besonderen die Klasse der austenitischen, korrosionsbeständigen Stähle und diesen verwandte Werkstoffe.
  • Um ein Bauteil mit den verlangten mechanischen Eigenschaften herzustellen, wurde in herkömmlicher Weise z.B. ein Schmiederohling zunächst im Temperaturbereich der Warmverformung, d.h. oberhalb der Rekristallisationsgrenze (für austenitische Stähle 950-1150°C) in mehreren Arbeitsgängen in kalten oder nur leicht vorgewärmten (unterhalb 300°C) Gesenken durch Schmieden annähernd in die gewünschte Form gebracht. Hierauf wurde das Werkstück einer weiteren separaten "Kaltverformungsoperation" bei höherer Temperatur unterworfen. Diese erhöhte Arbeitstemperatur wurde gewählt, um die Fliesspannungen bei der notwendigen Verformung herabzusetzen. Sie musste unterhalb der Rekristallisationsschwelle bleiben, um einen "Kalthärtungseffekt" zu erzielen. Für austenitische Stähle waren Temperaturen im Bereich von 700-900°C und Verformungsgrade um 10 % herum und höher üblich. Dadurch konnten die Festigkeitswerte nicht unerheblich gesteigert werden und blieben für die meisten Anwendungsfälle auch bei höheren Temperaturen erhalten (bis ca. 8000C je nach Legierung). Dies war unzweifelhaft ein Fortschritt auf dem Gebiet der korrosionsbeständigen Stähle, was denn auch in zahlreichen Publikationen seinen Niederschlag gefunden hat (D. Pecker, I.M.Bernstein, Handbook of stainless steels, McGraw-Hill 1977, S. 4-30; G.H.Gessinger, P.D.Cooper, Effect of deformation on mechanical properties of high temperature P/M steel, Materials science and engineering 18, 1975, S. 249-254; V.J.McNeely, D.T.Llewellyn, Higher-strength austenitic stainless steels, Sheet metal industries, January 1972, S. 18-25).
  • Bei den konventionellen Verfahren des Schmiedens und Nachpressens zur Erreichung der "Kalthärtung" werden mehrere Werkzeuge und Pressen benötigt. Die Werkstückhandhabung ist umständlich und zeitraubend und das Endprodukt erfüllt nicht immer die optimalen beabsichtigten Wünsche betreffend mechanische Eigenschaften.
  • Es besteht daher das Bedürfnis nach neuen kostengünstigen, energie- und zeitsparenden Methoden bei der Verarbeitung der obengenannten Legierungen. Dabei kommt der Verwendung von austenitischen Stählen in vielen Bereichen der Technik besondere Bedeutung zu.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsprozess bei der Fertigung eines kaltverfestigten Werkstücks als Endprodukt, ausgehend von einem Schmiederohling, zu vereinfachen, wirtschaftlicher zu gestalten und dabei optimale Werkstückeigenschaften zu erzielen.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöste
  • Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Dabei zeigt:
    • Fig. 1 die Ansicht eines Schmiederohlings zur Herstellung einer Turbinenschaufel,
    • Fig. 2a den Temperaturverlauf im Werkstück während der verschiedenen Phasen der thermischen/thermomechanischen/mechanischen Behandlung,
    • Fig. 2b einen vergrösserten Ausschnitt aus dem Temperatur/ Zeit-Diagramm gemäss Fig. 2a.
  • In Fig. 1 ist die Ansicht eines zur Herstellung einer Turbinenschaufel einer thermischen Maschine dienenden Schmiederohlings (Vorform) dargestellt. Die Darstellung entspricht dem Grundriss des Werkstücks in Arbeitsstellung zu Beginn des Schmiedevorgangs in der Presse. Der Rohling ist rotationssymmetrisch und besteht aus einem schlanken zylindrischen Schaftteil und einem dickeren konischen Fussteil. Aus dem längeren Schaftteil wird im Verlauf der Schmiedeoperation das Schaufelblatt, aus dem Fussteil der Schaufelfuss geformt. Die Skizze entspricht ungefähr der natürlichen Grösse des Werkstücks, kann aber im Prinzip für alle Schaufelgrössen ähnlicher Form Gültigkeit haben.
  • Fig. 2a zeigt den Temperaturverlauf T im Werkstück in Funktion der Zeit t für die verschiedenen Phasen der aus thermischer, thermomechanischer und mechanischer Behandlung bestehenden Verfahrensschritte. Die Kurve a gilt dabei für den Schaft bzw. für das Schaufelblatt des Werkstücks, während die Kurve b für den entsprechenden Fuss zuständig ist. c ist die Werkzeugtemperatur. m bezieht sich auf die sich im Ofen abspielende Aufheizphase, n auf die Transportphase zwischen Ofen und Schmiedewerkzeug, o auf die eigentliche Formgebungsphase der Warm- und Kaltverformung und q auf die Abkühlungsphase (im allgemeinen in Luft bis auf Raumtemperatur). A und B bezeichnen die Endtemperaturen des Schaftes bzw. des Fusses des Schmiederohlings im Ofen. C und D sind die Anfangstemperaturen für Schaft und Fuss des Werkstücks im Schmiedegesenk, d.h. zu Beginn der Verformung, während E und F die entsprechenden Endtemperaturen für Schaufelblatt bzw. Schaufelfuss nach Abschluss der Schmiede- und Kaltverfestigungsoperation darstellen.
  • In Fig. 2b ist der im vorliegenden Fall am meisten interessierende Ausschnitt des Temperatur/Zeit-Diagramms gemäss Fig. 2a in einem vergrösserten Massstab dargestellt. Dabei ist vor allem das Bestreben der Angleichung der Werkstück- an die Werkzeugtemperatur während der Phase o (Kurvenabschnitte C-E und D-F) ersichtlich.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Siehe Fig. 1, 2a und 2b.
  • Ein Schmiederohling mit der Vorform gemäss Fig. 1 wurde in einem einzigen Arbeitsgang in einer Hitze zu einer Turbinenschaufel geformt, unter gleichzeitiger Durchführung eines Kaltverfestigungsprozesses bei erhöhter Temperatur. Das zu verformende Werkstück bestand aus einem austenitischen, korrosionsbeständigen Stahl mit der Werk- .stoffbezeichnung X12CrNiWTi1613 und hatte folgende Zusammensetzung:
    Figure imgb0001
  • Das Ausgangsmaterial des Schmiederohlings befand sich zunächst im lösungsgeglühten Zustand. Der Rohling wurde in einen Ofen mit einer Temperatur von 1190°C gebracht und dort während 420 sec belassen (Aufheizphase m). Nach dieser Zeit hatte der Schaft des Werkstücks eine mittlere Temperatur von 950°C (Punkt A) angenommen, während diejenige des Fusses 7250C (Punkt B) erreichte. Nun wurde das Werkstück aus dem Ofen ausgetragen und in das Gesenk der Schmiedepresse gelegt. Diese Transportphase n dauerte insgesamt 30 sec bis zum Beginn der eigentlichen Schmiedeoperation. Dabei hatte sich der Schaft auf 850°C (Punkt C), der Fuss auf 6950C (Punkt D) abgekühlt. Das aus der Nickelbasislegierung IN100 bestehende Werkzeug war auf eine Temperatur von 800°C (Horizontale c) gebracht worden. Im vorliegenden Fall entsprach dies ungefähr der Rekristallisationstemperatur. Nun wurde das Werkstück mit einer durchschnittlichen Stempelgeschwindigkeit von 6,5 mm/sec zu einer Turbinenschaufel gepresst. Dabei war die Stempelgeschwindigkeit zu Beginn des Pressvorganges höher als am Ende desselben. Im allgemeinen diente der erste Zeitabschnitt dieser Formgebungsphase o der Formgebung (Warmverformung), während im zweiten Zeitabschnitt dieser Phase hauptsächlich die Kaltverfestigung bei höherer Temperatur bewerkstelligt wurde. Die gesamte Presskraft des Stempels betrug 6100 kN. Am Ende der gesamten Formgebungsphase, welche total 3 sec dauerte, hatte das Schaufelblatt eine Temperatur von 8400c (Punkt E), der Schaufelfuss eine solche von 725°C (Punkt F) angenommen. Es wurde darauf geachtet, dass der Grad der Kaltverfestigung im ganzen Werkstück ungefähr gleich ausfiel. Im allgemeinen sind zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften "Kaltverformungsgrade" von über 10 % notwendig. Nach dem Pressvorgang wurde das Werkstück aus dem Gesenk herausgenommen und an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Die am fertigen Werkstück gemessene Härtesteigerung, welche ungefähr der verhältnismässigen Erhöhung der Zugfestigkeit entspricht, betrug durchschnittlich 30 % gegenüber dem lösungsgeglühten Ausgangsmaterial. Der Kaltverfestigungseffekt ist dabei eine Funktion des Verformungsgrades und der Temperatur.
  • Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es lassen sich im allgemeinen Eisen- oder Nickellegierungen auf die vorgeschlagene Weise in das gewünschte Endprodukt überführen. Speziell dazu geeignet sind austenitische, zu starker Kaltverfestigung geeignete, korrosionsbeständige Stähle. Dabei muss darauf aufmerksam gemacht werden, dass diese "Kaltverfestigung" sich auch bei der Verformung bei höheren Temperaturen einstellt, da die Rekristallisationstemperatur für vollständige Rekristallisation verhältnismässig hoch liegt. Letztere ist von der Legierungszusammensetzung, vom Verformungsgrad und von der Verformungsgeschwindigkeit (Zeitdauer der entsprechenden Verformung) abhängig. Sie kann in der Regel experimentell durch Vorversuche bestimmt werden. Schmiederohlinge ähnlich Fig. 1 aus Cr/Ni/W-Stahl werden vorteilhafterweise im Fussteil auf eine Anfangstemperatur von 700-800°C, im Schaftteil auf eine solche von 850-950 C gebracht. Das im allgemeinen aus zwei Gesenkhälften bestehende Werkzeug soll auf einer Temperatur von 700-850 C gehalten werden, welche in der Regel in der Nähe der Rekristallisationstemperatur liegt. In einem ersten Zeitabschnitt der Formgebungsphase wird vorteilhafterweise während 1-10 sec mit einer mittleren Stempelgeschwindigkeit von 2-20 mm/sec unter einem Druck von höchstens 75 % der Streckgrenze des Werkzeug-Werkstoffs gepresst. In einem zweiten Zeitabschnitt kann dann mit einer mittleren Stempelgeschwindigkeit von 0,5-5 mm/sec unter einem Druck von höchstens 85 % der Streckgrenze des Werkzeug-Werkstoffs nach- bzw. fertig gepresst werden. Selbstverständlich kann die Stempelgeschwindigkeit auch kontinuierlich während des Pressvorganges variiert werden. Zur Erzielung der gewünschten Anfangstemperaturen in den verschiedenen Teilen des zu verformenden Werkstücks genügt es in vielen Fällen, eine geeignete Ofentemperatur und entsprechende Aufheizzeit vorzugeben und einzuhalten (siehe Beispiel). Hat dagegen das Werkstück eine sehr verwickelte Form, so lässt sich die verlangte Temperaturverteilung praktisch in den meisten Fällen mit einer induktiven Heizanlage erzielen, indem die Leistungsübertragung und die Aufheizzeit in Funktion des Ortes entsprechend gesteuert wird.
  • Für jeden für das Verfahren geeigneten Werkstoff und für jede Vorform des Schmiederohlings lassen sich die optimalen Zusammenhänge zwischen Rekristallisationstemperatur, Werkzeugtemperatur, "Kaltverformungsgrad", Verformungsgeschwindigkeit, Härte- bzw. Festigkeitssteigerung und Anfangstemperatur in Funktion des Ortes (Geometrie) des Werkstücks teils experimentell bestimmen, teils auf Grund von Modellannahmen berechnen. Auf diese Weise lassen sich Härte und Zugfestigkeit über dem ganzen Werkstück gleichmässig um Beträge bis zu ca. 50 % steigern.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines kaltverfestigten metallischen Werkstücks durch Schmieden oder Pressen, dadurch gekennzeichnet, dass der als Vorform vorliegende Schmiederohling in einem einzigen Arbeitsgang in einer Hitze in das Endprodukt übergeführt wird, wobei in einer ersten Arbeitsphase im wesentlichen die Formgebung und in einer zweiten Arbeitsphase im wesentlichen die Kaltverfestigung des Werkstücks bewerkstelligt wird, indem der Schmiederohling in verschiedenen Teilen seiner Geometrie in Funktion des Ortes auf unterschiedliche Anfangstemperaturen gebracht und in einem als Gesenk ausgebildeten vorgewärmten und beheizten Werkzeug derart verformt wird, dass der Kaltverfestigungsgrad über das ganze Werkstück ungefähr den gleichen Wert erreicht, und dass das Werkstück schliesslich auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einer Eisen- oder Nickellegierung besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einem austenitischen, zu starker Kaltverfestigung befähigten, korrosionsbeständigen Stahl besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiederohling als rotationssymmetrische Vorform verschiedenen Durchmessers aus einem Cr/Ni/W-Stahl besteht, dessen Fussteil auf eine mittlere Anfangstemperatur von 700-800°C und dessen Schaftteil auf eine mittlere Anfangstemperatur von 850-950°C gebracht und in einem aus zwei Gesenkhälften bestehenden, auf eine Temperatur von 700-850oC vorgewärmten, beheizten Werkzeug zunächst während einer Zeit von 1-10 sec entsprechend einer mittleren Stempelgeschwindigkeit der Schmiedepresse von 2-20 mm/sec unter einem mittleren Druck von höchstens 75 % der Streckgrenze des Werkzeug-Werkstoffs in die rohe Form einer Turbinenschaufel gebracht und gleich anschliessend mit einer mittleren Stempelgeschwindigkeit von 0,5-5 mm/sec unter einem mittleren Druck von höchstens 85 % der Streckgrenze des Werkzeug-Werkstoffs kaltverfestigt, in die endgültige Form gebracht und an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
EP83200763A 1982-07-22 1983-05-30 Verfahren zur Herstellung eines kaltverfestigten metallischen Werkstücks durch Schmieden oder Pressen Expired EP0101097B1 (de)

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