Formteile sind in vielen Bereichen der Industrie, z. B. im Fahrzeugbau, gefordert, die me- chanisch zu bearbeiten sind (Härte im Bereich zwischen 170 und 280 HB) und gleichzeitig eine gute Härtbarkeit aufweisen. Dies erfordert den Einsatz härtbarer Stähle, wie z. B.

Wätztagerstaht.

Um die mechanische Bearbeitbarkeit sicher zu stellen, müssen im Stand der Technik die durch Gesenkschmieden bzw. Formpressen erzeugten Formteile, z. B. aus Wälzlagerstahl 100Cr6, weichgeglüht werden. Dazu ist ein zeitaufwendiger Glühprozess von > 12 Stunden erforderlich, um ein zur Weiterbearbeitung geeignetes Gefüge mit kugelig eingeformten Karbiden (GKZ-Gefüge) zu erzeugen, Dieser Vorgang des Weichglühens wird als GKZ- Glühen, d. h. Glühen auf kugetig eingeformten Zementit, bezeichnet. Darüber hinaus müs- sen die im GKZ-Zustand bearbeitbaren Formteile, z. B. induktiv härtbar sein. Figure 1 zeigt den Fertigungsablauf des Gesenkschmiedens und GKZ-Glühens von übereutektoidem Stahl am Beispiel des Wälzlagerstahis 100Cr6 nach dem Stand der Technik.

Der Rohling bzw. der Block wird nach dem Abtrennen von einem Vormateriatstrang auf ei- ne Temperatur im Bereich von 1150 bis 1250"C erwärmt und anschließend in einer Hitze warm umgeformt. Diese Umformung kan aus einem oder mehreren Schritten bestehen.

Danach kühlt das Formteil auf Raumtemperatur ab. Nach dem Abkühlen schlie#t sich ein Weichglühen an, bestehend aus einer Erwärmung bis zu einer Temperatur unterhalb Aci, d h. im m Bereich von 710 bis 750 °C and einem Halten von mehr als 12 Stunden. Alternativ kann das Weichglühen ein Pendelglühen um die Acl-Temperstur sein.

Nach dem Abkühlen des weichgeglühten Formteils auf Raumtemperatur liegt die Härte im Bereich von 170 bis 220 HB, so dass das Formteil gut für eine mechanische Bearbeitung geeignet ist. Nach der mechanischen Bearbeitung erFolgt üblicherweise eine Wärmebe- handlung des Formteils, bestehend aus einem Härten aus dem Temperaturbereich ober- halb Ac im. Bereich von 830 bis 860 °O, sowie einem anschließenden Anlassen im Tempe- raturbereich zwischen 100 und 300 °C.

Die Nachteile des GKZ-Glühens bestehen darin, dass dieses Weichglühen wegen der lan- gen Zeiten teuer ist und zudem zu Ma#verzug, Randentkohiung und Verzunderung führt.

Neben diesen Nachteilen und dem Umstand, dass das Weichglühen zeit-und energleauf- wend ist, entsteht auch durch GKZ-Glühen ein Gefüge mit relativ groben Karbidteilchen, so dass nach deranschtießenden Wärmebehandiung (Härten und Anfassen) im Endgefüge noch, grobe Karbidausscheidungen vorhanden sind.

Zum Erzielen einer optimalen Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen mit entsprechend langer Lebensdauer sollen jedoch die Karbidausscheidungen des Vergütungsgefüges möglichst klein und feindispers verteilt sein.

Die DE 39 10 959 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerelements, bei dem das Weichglühen entfällt. Hierzu wird ein Rohling zunächst auf Austenitisierungs- temperature von 1150 °C erwärmt, so dass alle Karbide im Gefüge aufgelöst werden und dann bei dieser Temperatur, z. B. durch Schmieden, umgeformt. Anschließend wird das Formteil mit Gas auf Umgebungstemperatur rasch abgekühlt, so dass ein feines lamellares Perfitgefüge entsteht.

Dieses Abkühlen erfolgt von 900 bis 650 °C mit einer Geschwindigkeit von etwa 40°Clmin.

In dem anschließend vorliegenden peditischen Gefügezuständ wird der Rohling mit einem <BR> <BR> keramikbeschichteten Drehmei#el grob bearbeitet und anschlie#end das Werkstück auf ei- ne unterhalb der ursprünglichen Austenitlsierungstempetatur liegende zweite Austenitisie- rungstemperatur von etwa 840 °C erwärmt und bei dieser Temperatur bis zur Entstehung eines homogenen Austenits mit gleichmä#ig verteilten Sekundärkarbiden genügend lange, z. B. 20 Minuten, gehalten.

Zum Erzielen einer ausreichenden Härte wird das Werkstück anschließend in Öl, Salz oder Wasser abgeschreckt und mittels einer Feinbearbeitung fertig gestelit.

In der DE 195 13 314 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines warmgefertigten langge- strecken Erzeugnisses, insbesondere Stab oder Rohr, aus übereutektoidem Stahl, insbe- sondere Wäfziagerstahl, offenbart.

Bei diesem Verfahren wird der Rohling bzw. d ie Einsatztange des VormaterMs aufeme Temperatur oberhalb Acm erwärmt, vorzugsweise > 1100 °C, ung nach einem oder mehre- ren Umformschritten vor der Wiedererwärmung durch ein geregeltes Erwärmen oder Ab- kühlen auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches zwischen 650 und 700 °C eine gleichmäßige Temperaturverteitung im Zwischenprodukt erzeugt.

Anschlie#end erfolgt eine Wiedererwärmung auf eine Temperatur entweder unterhalb Ac1 in einem Bereich > 650 OC jedoch 710"C im Zweiphasengebiet (a + Fe3C) oder auf eine Temperatur oberhalb Ac1 jedoch unter Acm in einem Temperaturbereich > 710 °C jedoch <BR> <BR> <BR> <880°C im Zweiphasengebiet (y+FeaC).<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <P>Die abschlie#ende Umformung im Reduzierwalzwerk wird in Bezug auf die Abkühlung so- wie die gegebenenfalls zusätzliche Fremderwärmung so eingestellt, dass die Tempera- tu g im Walzgut bezogen auf die Anstichtemperatur gering bleibt und das Walzgut während der Umformung im Reduzienralzwerk und bei Verlassen des Walzwerkes tempe- <BR> <BR> <BR> raturmä#ig sich im Zweiphasengebiet befindet, wobei die Mindestumformung als Streckung ausgedruckt für die Gesamtumformung ä : t5 und für die Mindest-Teilumformung im Ein- . zelgerüst des Reduzierwalzwerdkes # RW # 1,03 beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines in einem oder mehreren Warmumformschritten erzeugten Formteils vorzuschlagen, des ohne GKZ-Glühen mecha- nisch bearbeitbar ist und gleichzeitig die geforderte Härtbarkeit aufweist.

Diese Auabe wM ausgehend vom Oberbegnff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 oder2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Ge- genstand von unteransprüchen.

Nach der Lehre der Erfindung wird der Rohling entweder auf eine Temperatur im Bereich zischen Ac1 minus 100 K bis Acm oder auf eine Temperatur im Bereich zwischen Ac1 ind Acm erwärmt, d. h. in beiden Fällen im Zweiphasengebiet.

Dabei liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, übereutektoiden Stahl im Unterschied zum bekannten Stand der Technik bei Temperaturen unterhalb der Acm-Temperatur warm umzuformen. Eine Vorumformung im homogenen Austenitgebiet oder ein Homogenisie- rugsglühen ist nicht erforderlich. Das spart Zeit und Energie.

Das erfindungsgemä#e Verfahren weist folgende Schritte auf: Zunächst wird der Rohling bzw. der abgetrennte Block auf eine Temperatur in einem ersten Temperaturbereich 1 zwischen den Temperaturen Ac1 minus 100 K und Acm erwärmt (siehe Figur 2).

Anschließend wird der Rohling bzw. der Block in einem oder mehreren aufeinanderfolgen- den Umformschritten innerhalb des Temperaturbereiches 1, d. h. in einer Hitze, mittels konturierter Werkzeuge umgeformt, wobei ein Formteil erhalten wird. Das Formteil weist ei- ne konturierte Gestalt mit Bereichen sehr unterschiedlicher Vergleichsumformgrade auf, die an jeder beliebilgen Stelle des Formteils mindestens 0, 8 betragen müssen.

Bei der Angabe des lokalen Vergleichsumformgrades von mindestens # = 0,8 ist zu be- achten, dass darunter nicht nur die Veränderung einer Erstreckungsrichtung, z. B. Höhe (jn h1/ho) eines Volumenelementes verstanden wird, sondern die Breitung und Längung des Volumenelementes mit berücksichtigt wird. Diese Betrachtungsweise bietet sich immer dann an, wenn das Formteil ein komplexes Gebilde ist und nicht belspielsweise ein Stab mit nur einer wesentlichen Erstreckungsrichtung, Unmittelbar nach dem letzten Umformschritt wird das Formteil auf Raumtemperatur abge- kühlt (Figur 2a) oder aber bei einer Temperatur von mindestens Acl minus 80 K (Tempe- <BR> <BR> raturbereich 3, Figur 2) gehalten und anschlie#end auf Raumtemperatur abgekühlt (Figur 2b). Vorzugsweise erfolgt das Abkühlen an ruhender Luft.

Durch das vorgeschlagene Verfahren lässt sich trotz der diskontinuierlichen Umformung nacheinander in einzetnen konturierten Werkzeugen (Gesenken) ein Formteit herstellen, das ohne GKZ-Glühen mechanisch bearbeitbar ist(Härte im Bereich zwischen 240 und 280 HB) und gleichzeitig die geforderte Haftbarkeit aufweist.

Überraschend dabei ist, dass sich wider Erwarten trotz der für eine Warmumformung er- heblich abgesenkten Umformtemperatur nur sehr geringfügig erhöhte Presskräfte im Ver- glee zum Gesenkschmieden nach dem Stand der Technik ergeben.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der übereutektoide Stahl ein Werkzeugstahl, vorzugsweise 100Cr6.

Alternativ zum bereits beschriebenen Verfahren erfolgt das Umformen des Rohlings bzw. des abgetrennten Biocks in einem Temperaturbereich 2 zwischen Aci und Acm (Figur 2).

Sind mehrere direkt aufeinander folgende Umformschritte zur Herstellung des Formteils erforderlich, so wird dabei berücksichtigt, dass während der Abfolge von Umformschntten sowohi eine Abkühlung (Kontaki mit den eine niedrigere Temperatur aufweisenden kontu- rierten Werkzeugen) als auch eine adiabate Erwärmung (innere Reibung bei der Umfor- mung) des Formteils erfolgt und sichergestellt ist, dass die gesamte Umformung im ge- whiten Zweiphasengebiet abläuft.

Durch diese genannte Ma#nahme lassen sich besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die <BR> <BR> zu optimierenden Eigenschaften erzielen.<BR> <P>Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein gesteuertes Abkühlen unmittelbar nach dem ! etzten Umformschritt in einem Ofen in einem Temperatur- bereich 3 zwischen Ac1 und Ac1 minus 80K (Figur 2). Die Hatedauer des Formteils im Ofen beträgt bis zu 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 bis 50 Minuten. Durch Verwendung eines Ofens zur gezielten Führung der Abkühlbedingungen (Haltedauer und/oder Tempe- ratur) fässt sich Einfluss auf die Härte des Formteils nehmen. Vorzugsweise wird das Formteil während der Haltedauer kontinuierlich durch den Ofen transportiert (Durchlaufo- fen).

Alternativ ist es auch möglich, die Formteilhärte an einer vorgegebenen Stelle des Form- teils gezielt einzustetfen durch Variation der Erwärmungstemperatur im angegebenen Tem- peraturbereich 1 (Figur 2).

Das Warmumformen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Teilschritte des Vorstauchens des Rohlings bzw. Blockes, des Warmumformens in einem Vor-und ei- nem Fertiggesenk sowie des Abgratens und falls erforderlich des Lochens des Formteits umfassen.

Das beschriebene Verfahren ist besonders kostengünstig zur Herstellung eines Formteils aus übereutektoidem Stahl, weil ein Geiüge erzeugt wird ohne ein dem Umformprozess nachgeschaltetes Weichglühen und das Gefüge eine mechanische Weiterbearbeitung und eine Endwärmebehandlung, insbesondere Härten (Druckhärten oder Oberflächenhärten), gestattet.

Darüber hinaus entsteht ein Gefüge mit kleineren und fein dispers verteilten Karbiden im Vergleich zum herkömmlichen Gefüge eines warmumgeformten und anschließend GKZ- geglühten übereutektolden Stahles (Figur 3), wodurch Vorteile hinsichtlich der Dauerfestig- keit des erzeugten Formteils bestehen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah- rens besteht darin, dass sich die kleineren Karbidteilchen beim Erwärmen auf Härtetempe- ratur schne ! ter äufiösen. so dass die Haftedauer bei der Hartetemperatur verkürzt werden kann. Dies wiederum mindert au#erdem den Grad der Entkohlung und verringert das Aus- maß der Verzunderung.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren beschrieben : Figur 1 Darstellung des Fertigungsablaufes beim Gesenkschmieden und GKZ- Glühen eines Formteils aus 100Cr6 gemäß dem Stand der Technik.

Figur. r2 Darstellung des erfindungsgemä#en Fertigungsablaufes beim Gesenk- schmieden eines Formteils aus 100Cr6.

Figur 3 Vergleich der Gefüge von Formteilen aus 100Cr6, hergestellt nach dem Stand der Technik (a) und nach dem erfin dungsgemä#en Verfahren (b).

Figur 4 Ausführungsbeispiel einer Radnabe (Haibscnniti) mit Darstellung der Gefüge und Härte in verschiedenen Bereichen des Formteils, hergestellt nach dem erfindungsgemä#en Verfahren.

Das erfindungsgemä#e sogenannte thermomechanische Formpressen bzw. Gesenk- schmieden eines Formteiis, vorzugsweise einer Radhabe, wird nachfolgend an einem <BR> <BR> <BR> Ausführungsbeispiel beschrieben. In Figur 2 ist hierzu der erfindungsgemä#e Fertigungs- ablauf dargestellt.

Zunächst wird der Rohling bzw. der Block nach dem Abtrennen eines Vormaterialstranges, beispielsweise einer Stange aus 100Cr6, induktiv auf 800 °C erwärmt und nach Durchwär- <BR> <BR> rnung anschlie#end sofort eine Warmumformung beginnend bei 800 °C durchgeführt. Diese Warmumformung umfasst in diesem Beispiel die Schritte Vorstauchen, Schmieden im Vor- gesenk und Schmieden im Fertiggesenk.

Bei der Festlegung der Umformschritte hinsichtlich der Geometrieabstufung des Formteils wurde beracksicMgt, dass an jeder beliebigen Stelle des Formteils ein Vergleichsumform- grad von mindestens 0, 8 eingehalten wird.

Ais letzter Schritt wird das Abgraten des hergestellten Formteils (Radnabe) durchgeführt, wobei die Temperatur des Formteils nach dem Abgraten ca. 760°C beträgt. Diese Tempe- ratur liegt oberhalb Acl, so dass die gesamte Umformung einschließlich des Abgratens im gewählten en Temperaturbereich 2 zwischen Ac1 und Acm erfolgt.

Unmittelbar nach dem Abgraten wird das Formteil in einen Durchlaufofen mit einer Tempe- ratur von 720 °C gelegt Diese Temperatur liegt im Bereich zwischen Acl und AG1 minus 80K, d.h.im Temperaturbereich 3 (Figur 2). Die Haltedauer bei dieser Temperatur beträgt 20 Minuten. Anschließend wird das Formteil an ruhender Luft bis auf RT abgekühlt, Das Ergebnis ist eine Radnabe aus 100Cr6 mit einem Gefüge, das kleine und feindispers ver- teilte Karbide und eine Härte im Bereich von 240 bis 280 H8 aufweist (Figur4). Somit ist die so hergestellte Radnabe auch ohne das im Stand d der Technik übliche GKZ-Glühen me- chanisch bearbeitbar.

Den Vergleich mit dem Gefüge eines gleichen Formteils (Radnab6, jedoch nach dem Stand der Technik durch Warmumformung bei 1160 °G, AbkUhlen auf Raumtemperatur nach dem Abgraten und GKZ-Glühen hergestellt, zeigt Figur 3.

In mehreren Versuchen konnte die guten Härtbarkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hee elten Radnabe nachgewiesen iNerden.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen thermomechanischen Umformens kann ein Gefüge hergestellt werden, das auch ohne einen teuren Langzeit-Glühprozess (GKZ- Glühen) eine nachfolgende mechanische Bearbeitung gestattet. Darüber hinaus lassen sich mi diesem Verfahren gegenüber dem Stand der Technik Vorteile hinsichtlich der Dauerfe- stigkeit des Formteils aufgrund der kleineren und feindispers verteilten Karbide im Gefüge erzielen.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Verkürzung der Haltedauer bei Härtetemperatur, da sich die kleineren Karbidtelilchen schneller auflösen.

Sowohl durch die Variation der Erwärmungstemperatur im Temperaturbereich 1 zwischen den Temperaturen Ac1 minus 100K und Acm und im Temperaturbereich 2 zwischen den Temperaturen Ac1 und Acm wie auch durch ein gezieltes Abkühlen des Formteils nach dem letzten Umformschritt bzw. nach dem Abgraten und Lochen in Form einer sofortigen Ab- kühlung an ruhender Luft auf Raumtemperatur oder Halten des Formteils in einem Ofen bei einer Temperatur im Temperaturbereich 3 zwischen Ac1 und Ac1 minus 80K mit Haltezeiten bis 60 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 und 50 Minuten, lassen sich die Eigenschaften (Härte bzw. mechanische Bearbeitbarkeit und Härtbarkeit) beeinflussen und im Zusam- menwirken sämtlicher Verfahrensparameter optimale Ergebnisse erzielen.