Thermomechanisches Gesenkschmieden von 100Cr6

Im Rahmen einer Forschungsarbeit der
Technischen Universität Dresden, Institut für
Werkstoffwissenschaft, und dem Press- und
Schmiedewerk Brand-Erbisdorf wurden Versuchsschmiedungen
unter seriennahen
Produktionsbedingungen durchgeführt. Als
Versuchsschmiedeteil wurde ein Modellradflansch
(Einsatzmasse 7,0 kg) ausgewählt
und als Werkstoff der Wälzlagerstahl 100Cr6
verwendet. Dies ist durch den Einsatz der
neuen Generation von Radflanschen mit
Doppelachslagern begründet.
Die Vormaterialzuschnitte wurden in einem
Induktionsofen erwärmt und auf einer
Schmiedelinie in vier Prozessstufen (Stauchen,
Vorschmieden, Fertigschmieden, Lochen/Abgraten)
umgeformt.
Das Vor- und Fertigschmieden erfolgte mit
einer 31,5 MN Exzenterpresse der Fa. Hasenclever.
Mehrere Versuchsschmiedungen wurden
mit variierten Austenitisier- und Umformtemperaturen,
veränderten Zeit-Umform-
Regimen sowie einer dem Schmieden
unmittelbar angeschlossenen Wärmebehandlung
durchgeführt. Während der Schmiedeversuche
wurden an allen Proben sowohl an 6
Stellen des Schmiedezyklusses
die Schmiedeteiloberflächentemperatur
mit Pyrometern erfasst als
auch die Presskräfte beim
Stauchen, Vor- und Fertigschmieden
und die Zeitintervalle
zwischen den
Umformschritten gemessen.
Ergebnisse
Für das Prozessfenster
des thermomechanischen
Gesenkschmiedens des
Modellradflansches erwies
sich als optimale Kombination
der Umformparameter
die im Bild rechts
dargestellte Schmiedetechnologie. Der Vormaterialzuschnitt
wurde auf eine Vorwärmtemperatur
unterhalb der Ac m -Temperatur
(Temperaturbereich 1) erwärmt und anschließend
in vier aufeinanderfolgenden Schritten
innerhalb des Temperaturbereichs 1 umgeformt.
Durch die Maßnahme, dass die gesamte
Umformung im Temperaturbereich 2 erfolgte,
wurden unter Berücksichtigung der Tatsache,
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2004
FACHBEITRÄGE
Thermomechanisches
Gesenkschmieden von 100Cr6
Dr.-Ing. Birgit Vetter,
Prof. Dr.-Ing. habil. Gustav Zouhar,
Dipl.-Ing. (FH) Stephan Sadowski,
Es wird eine Gesenkschmiedetechnologie
für den Stahl
100Cr6 beschrieben, nach
der ein Formteil hergestellt
werden kann, das ohne GKZ-
Glühen mechanisch bearbeitbar
ist (durch Sägen, Fräsen,
Bohren, Gewindeschneiden,
Umbördeln) und über die geforderte
Härtbarkeit sowie
verbesserte Eigenschaften
(z. B. Festigkeit) im Vergleich
zum konventionell hergestellten
Schmiedeteil verfügt.
dass während der Abfolge von mehreren
Umformschritten sowohl eine Abkühlung
(Kontakt des Formteils mit den eine niedrigere
Temperatur aufweisenden konturierten Werkzeugen)
als auch eine adiabate Erwärmung
(innere Reibung bei der Umformung) des
Thermomechanische Schmiedetechnologie
Formteils erfolgt, besonders gute Ergebnisse
in Bezug auf die zu optimierenden
Eigenschaften des Formteils erzielt.
Für die diffusionsgesteuerte Einformung
der Carbide war es von Vorteil, wenn das
Bauteil unmittelbar nach dem letzten Umformschritt
nicht auf Raumtemperatur (a)
abgekühlt wurde, sondern maximal 20 min bei
einer Temperatur um die Ac 1 -Temperatur
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Dr.-Ing. habil. Helmut Zieger, Dresden
und Dr.-Ing. Joachim Schlegel,
Dipl.-Ing. Lothar Bolz, Brand-Erbisdorf
(Temperaturbereich 3) aus der Schmiedehitze
heraus gehalten und danach unter ruhender
Luft abgekühlt wurde (b).
Der bei den genannten Umformparametern
beobachtete Werkstofffluss führte zu einer
vollständigen Gesenkfüllung, sodass
konturennahe Teile mit einer glatten, sehr
festhaftenden dünnen Zunderschicht hergestellt
wurden.
Überraschend dabei war, dass sich entgegen
Simulationsrechnungen trotz der für eine
Warmumformung erheblich abgesenkten Umformtemperaturen
nur sehr geringfügig
erhöhte Presskräfte im Vergleich zum
konventionellen Schmieden (Umformtemperaturen
ca. 1150 °C) ergaben. Die
Presskräfte beim Vorschmieden lagen verständlicherweise
(größerer Gesamtumformgrad
des Bauteils) über denen des Fertigschmiedens,
aber vollständig im Arbeitsbereich
der Presse.
Trotz der diskontinuierlichen Umformung,
des an jeder beliebigen Stelle des Bauteils vorhandenen
unterschiedlichen Vergleichsumformgrads
und der unterschiedlichen lokalen
Temperaturänderungen durch die Umformwärme
und die Bauteilgeometrie
(unterschiedliche
lokale Wanddicken) wurden
mit dieser Technologie
Bauteile hergestellt, die
nach dem Schmieden über
dem Querschnitt Härten
zwischen 240HB und
280HB aufwiesen und ohne
anschließendes GKZ-
Glühen mechanisch bearbeitbar
waren. Das Gefüge
der thermomechanisch
geschmiedeten und gesteuert
abgekühlten Bauteile
(Bild Seite 25, Teilbild
Mitte) zeigt im Vergleich
zum Gefüge des konventionell
geschmiedeten und GKZ-geglühten
Bauteils (Bild Seite 25, Teilbild links) wesentlich
kleinere Carbide mit einer feineren
Verteilung in der Matrix. Diese feinere
Carbidverteilung erklärt zum einen die etwas
höheren Härtewerte der thermomechanisch
geschmiedeten Bauteile gegenüber den
konventionell hergestellten Schmiedeteilen.
Die Tabelle zeigt eine Zusammenstellung von

Festigkeits- (Rp0 2
und R m ) und
Duktilitätswerten
(A) von 100Cr6-
Rundzugproben,
welche aus Gesenkschmiedeteilen,
die sowohl
auf konventionellem
und thermomechanischem
Weg hergestellt
worden sind, entnommen
wurden.
Proben aus thermo-
konventionell umgeformt
und GKZ-geglüht
mechanisch umgeformtem und gesteuert
abgekühltem Material lieferten unabhängig
vom Umformverfahren höhere Festigkeitswerte.
Beim Gesenkschmieden wurde eine Erhöhung
der Streckgrenze um ca. 40 % ermittelt,
sodass die Streckgrenzenwerte des thermomechanisch
umgeformten Wälzlagerstahls
100Cr6 im Bereich der Werte für perlitisches
Gefüge liegen, jedoch gefügebedingt eine
wesentlich größere Bruchdehnung aufweisen.
Daraus ergibt sich die Möglichkeit, mit dem
thermomechanischen Behandlungsverfahren
(TMB) leichtere Bauteile durch Masseeinsparung
(z. B. Wanddickenreduzierung) ohne
Festigkeitsverlust herzustellen.
Zur Beurteilung der Härtbarkeit dieser
Gefüge wurden Laborversuche am Radnaben-
FACHBEITRÄGE
thermomechanisch
umgeformt
konventionell R p0,2 = 376 MPa
umgeformt und R m = 648 MPa
GKZ-geglüht A = 31,7 %
thermomechanisch R p0,2 = 527 MPa
umgeformt R m = 962 MPa
A = 17,12%
100 % Perlit R p0,2 = 675 MPa
R m = 1 135 MPa
A = 7,3 %
Festigkeits- und Duktilitätswerte von Zugproben
aus 100Cr6, hergestellt nach konventioneller
und thermomechanischer Technologie des
Gesenkschmiedens
schaft (Länge
40 mm) durchgeführt.
Der Radnabenschaft,dessen
Härtewerte
entlang der Lauffläche
vor dem
Härten und Anlassen
zwischen
251 HV30 und
265 HV30 lagen,
wurde bei 855 °C
15 min unter
Stickstoff austenitisiert
und danach
in Öl (RT) abgeschreckt. Anschließend folgte
ein Anlassen bei 185 °C 90 min an Luft. Es
entstand ein Härtegefüge mit kleinen, fein
verteilten Carbiden. Die gemessenen Härtewerte
lagen zwischen 59 HRC und 63 HRC.
Durch die kleinere Carbidgröße der TMB-
Gefüge und die dadurch bedingte schnellere
Auflösung der Carbide beim Austenitisieren,
kann die für 100Cr6 übliche Härtetemperatur
(GKZ-Gefüge) nicht verwendet werden. Eine
abgesenkte Härtetemperatur von 855 °C
führte zu einem guten Härtegefüge.
Die erprobte Schmiedetechnologie eröffnet
wegen der niedrigeren Schmiedetemperatur
und des Wegfalls des GKZ-Glühens die
Möglichkeit, kostengünstig Formteile aus
übereutektoidem Stahl herzustellen. ■
Gefüge von 100Cr6 nach konventioneller und thermomechanischer Technologie beim Gesenkschmieden
eines Modellradflanschs Bilder: Institut für Werkstoffkunde, TU Dresden
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