DE102009048006B3

DE102009048006B3 - Graphitkörper imprägniert mit einer Leichtmetall-Legierung, Verfahren zu dessen Herstellung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE102009048006B3
Application number: DE102009048006A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hernig; Karl-Heinz LAUKÖTTER; Hans-Helmut Dr. Becker; Walter Dr. Thiele
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-10-03
Also published as: CN102549184A; WO2011039380A1; EP2483433A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mit einer Leichtmetall-Legierung imprägnierten Graphitkörper, der 10 bis 20 Vol.% einer Aluminium-Legierung mit einem Gehalt an 5 bis 9,9 Masse% Silizium, 0,05 bis 5,0 Masse% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Masse% Eisen, 0,25 bis 1,0 Masse% Mangan, 0,10 bis 1,5 Masse% Zink und 0,05 bis 0,35 Masse% Titan in einer Matrix aus Graphitpartikeln mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 3 bis 20 µm enthält und eine Dichte von 2,00 bis 2,3 g/cm, eine Biegefestigkeit von 120 bis 160 N/mm, eine Druckfestigkeit von 250 bis 330 N/mmein Elastizitätsmodul von 10,0 x 10bis 40 x 10N/mmsowie eine Wärmeleitfähigkeit von 70 bis 140 W/mK aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Graphitkörpers und seine Verwendung als Elektrode für die Entladungsbearbeitung von Metallteilen.

Description

Die Erfindung betrifft einen mit einer Leichtmetall-Legierung imprägnierten Graphitkörper. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Graphitkörpers und seine Verwendung als Elektrode für die Entladungsbearbeitung von Metallteilen.
Die Funkenerosions- oder Entladungsbearbeitung (electrical discharge machining – EDM) ist im Werkzeug und Formenbau ein etabliertes Verfahren zur Erzeugung von Kavitäten in den Werkzeug- und Formeinsätzen. Besonders dann, wenn hohe Toleranzanforderungen, Oberflächenguten und filigrane Geometrien gefragt sind oder wenn Formeinsätze mit hohen Härten benötigt werden, kommt dieses Verfahren zum Einsatz.
Typische Einsatzgebiete sind die Herstellung von Formen für Spritzgussteile, die beispielsweise in der Automobilindustrie aber auch elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Fernsehern, in der Spielwarenindustrie oder zur Herstellung von Verpackung eingesetzt werden.
Auch zur Herstellung von Aluminiumspritz- und Druckguss werden Formen mittels Funkenerosion hergestellt.
Gegenüber dem direkten Verfahren zur Herstellung einer Form, dem Hartfräsen, muss bei EDM allerdings eine Elektrode hergestellt werden. Diese wird typischer Weise aus Kupfer oder Graphit hergestellt. Der Trend geht ganz klar in Richtung Graphit, da Graphit keine thermische Beeinflussung während der Erodier- oder Fräsbearbeitung durch thermische Einwirkung erfährt (keine Verformung).
Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen der Schrupp- und Schlichterosion. Für Elektroden aus Kupfer gibt es nur die Möglichkeit Elektrolytkupfer einzusetzen. Für Elektroden aus Graphit kann man den Prozess optimieren, da man zwischen Graphiten für Schrupp-, Universal- und Schlichtabtragung auswählen kann. Die entsprechenden Graphite werden typischer Weise isostatisch gepresst, wobei feine Korngrößen zwischen 1–15 μm verwendet werden. Der Anwender ist in der Lage, je nachdem wie viel Material er in kurzer Zeit aus einer Form herauserodieren will, dazu eine speziell geeignete Graphitmarke für das Schrupperodieren auszuwählen. Ist das Ziel hohe Oberflächenguten bei engsten Toleranzen zu erzielen, werden Graphitmarken für das sogenannte Schlichterodieren für diesen Zweck eingesetzt.
Insbesondere wird die Schrupperosion auch im Gesenkschmiedebereich einge setzt.
Hier konkurriert der Graphit direkt mit dem Hartfräsen. Die Formen sind überwiegend groß (Kurbelwellen, Querlenker, Achsschenkel u. s. w.) könnten also durchaus auch ohne den Umweg der Erstellung einer Elektrode über das Hartfräsen im direkten Verfahren hergestellt werden.
Wie bereits geschrieben gibt es auch Graphitmarken für das Schlichterodieren mit kleineren Korngrößen. Um auch hier das komplette Spektrum schwierig zu erodierender Werkstoffe wie Hartmetalle, Ampcoloy, Mouldmax, Inconel und Titanlegierungen wurde Graphit schon mit Kupferimprägnierungen versehen.
Das Prinzip der Funkenerosion besteht im folgenden:
Elektrodenwerkstoff und Werkzeug werden so in Arbeitsposition gebracht, dass diese sich beide nicht berühren. Es bleibt ein Spalt, der mit einer isolierenden Flüssigkeit dem Dielektrikum gefüllt wird. Nun wird an Werkstück und Elektrode eine Spannung angelegt (in der Regel die Elektrode positiv). Wird der Spalt nun kleiner, springt ein Funke über. Man spricht hier von Entladung. Durch die entstehende Wärme verdampft Metall und hinterlässt einen Krater. Folgt nun Entladung auf Entladung so entstehen natürlich viele Krater und ein gleichzeitig damit verbundener Materialabtrag. Der gesamte Entladungsverlauf ist deutlich komplexer und es gibt viele Einflussgrößen wie Impulsdauer, Pausenzeit, Stromstärke, Spannung, Tastverhältnis, zu erzielende Endoberfläche und weitere.
Aus dem Dokument JP 2004-209610 A ist ein Elektrodenmaterial für die Entladungsbearbeitung von Metallteilen bekannt, welches aus einem Kohlenstoffkomposit-Material besteht, das eine Aluminiumlegierung mit einem Anteil von mindestens 10% oder mehr Silizium enthält. Ein Siliziumanteil von 10% und mehr in der Aluminiumlegierung wird für notwendig erachtet, um eine Schmelzpunkterniedrigung sowie eine Erniedrigung der Infiltrationstemperatur zu erreichen. Außerdem wird die Bildung von Aluminiumkarbid (Al₄C₃) begünstigt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Graphitkörper anzugeben, die mit einer Aluminiumlegierung imprägniert sind, deren Siliziumanteil unter 10% liegt und die als Elektroden für die Entladungsbearbeitung von Metallteilen geeignet sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von solchen Graphitkörpern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Graphitkörper gelöst, der 10 bis 20 Vol.% einer Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 5 bis 9,9 Masse% Silizium, 0,05 bis 5,0 Masse% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Masse% Eisen, 0,25 bis 1,0 Masse% Mangan, 0,10 bis 1,5 Masse% Zink und 0,05 bis 0,35 Masse% Titan in einer Matrix aus Graphitpartikeln mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 3 bis 20 μm enthält und eine Dichte von 2,00 bis 2,3 g/cm³, eine Biegefestigkeit von 120 bis 160 N/mm², eine Druckfestigkeit von 250 bis 330 N/mm², ein Elastizitätsmodul von 10,0 × 10³ bis 40 × 10³ N/mm³ sowie eine Wärmeleitfähigkeit von 70 bis 140, wie etwa von 70 bis 100 W/mK, aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 dargelegt.
Die Erfindung wird näher und beispielhaft nachfolgend erläutert.
Beispiel 1
Ein Graphitkörper wird durch isostatisches Pressen aus synthetischem Graphit mit einer Korngrößenverteilung von d₅₀ = 10 μm und einem Bindemittel und anschließendes Karbonisieren sowie Graphitieren unter nicht oxidierenden Bedingungen hergestellt. Die Imprägnierung mit der Leichtmetall-Legierung erfolgt durch Vorwärmen der Graphitrohlinge auf Werkzeugtemperatur zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Einschießen der Legierung über den Anguss in die zu infiltrierenden Kohlenstoffkörper. Die Temperatur wird dabei soll gewählt, dass sie der Schmelztemperatur der eingesetzten Legierung von +5°C entspricht.
Der spezifische Innendruck in Form liegt bei > 1500 bar. Er wird nach den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Größen festgelegt:

Durchmesser [mm] / Höhe [mm] Druck [bar]

100 × 100 < 2000

200 × 200 > 2000

300 × 300 > 2300

400 × 400 > 3000
Die Haltezeit ist hauptsächlich abhängig von den Materialeigenschaften des eingesetzten Graphits wie Porosität und Porenform. Die Imprägnierung wird wegen möglicher Oxidationsreaktionen (Abbrand, Carbidbildung) unter Schutzgas vorgenommen bis durch Abkühlung eine Erstarrung der Leichtmetall-Legierung in den Poren des Graphitkörpers erfolgt ist.

Claims

Mit einer Leichtmetall-Legierung imprägnierter Graphitkörper, dadurch gekennzeichnet, dass er 10 bis 20 Vol.% einer Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 5 bis 9,9 Masse% Silizium, 0,05 bis 5,0 Masse% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Masse% Eisen, 0,25 bis 1,0 Masse% Mangan, 0,10 bis 1,5 Masse% Zink und 0,05 bis 0,35 Masse% Titan in einer Matrix aus Graphitpartikeln mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 3 bis 20 μm enthält und eine Dichte von 2,00 bis 2,3 g/cm³, eine Biegefestigkeit von 120 bis 160 N/mm², eine Druckfestigkeit von 250 bis 330 N/mm², ein Elastizitätsmodul von 10,0 × 10³ bis 40 × 10³ N/mm³ sowie eine Wärmeleitfähigkeit von 70 bis 140 W/mK aufweist.
Graphitkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Aluminium-Legierung mit bis zu 0,50 Masse% Magnesium, bis zu 0,20 Masse% Chrom, bis zu 0,70 Masse% Nickel, bis zu 0,50 Masse% Blei und bis zu 0,40 Masse% Zinn enthält.
Graphitkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 7,0 bis 9,5 Masse% Silizium, 3,0 bis 3,5 Masse% Kupfer, 1,2 Masse% Eisen, 0,1 bis 0,5 Masse% Mangan, 1,2 Masse% Zink, 0,15 Masse% Titan, 0,10 bis 0,5 Masse% Magnesium, 0,20 Masse% Blei und 0,10 Masse% Zinn enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Graphitkörpers nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein isostatisch gepresster Graphit, einer Imprägnierung mit einer Aluminium-Legierung unterzogen wird, wobei ein Graphit mit einer Dichte von 1,75 bis 1,80 g/cm³, einer Biegefestigkeit von 40 bis 60 N/mm², einer Druckfestigkeit von 100 bis 130 N/mm², einem Elastizitätsmodul von 9,0 × 10³ bis 12 × 10³ N/mm³, einer Wärmeleitfähigkeit von 70 bis 100 W/mK sowie einer offenen Porosität von 10 bis 20 Volumen% und eine Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 5 bis 9,9 Masse% Silizium, 0,05 bis 5,0 Masse% Kupfer, 0,5 bis 1,5 Masse% Eisen, 0,25 bis 1,0 Masse% Mangan, 0,10 bis 1,5 Masse% Zink und 0,05 bis 0,35 Masse% Titan und einem Schmelzbereich von 470 bis 650°C eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Legierung mit einem Gehalt von 7,0 bis 9,5 Masse% Silizium, 3,0 bis 3,5 Masse% Kupfer, 1,2 Masse% Eisen, 0,1 bis 0,5 Masse% Mangan, 1,2 Masse% Zink, 0,15 Masse% Titan, 0,10 bis 0,5 Masse% Magnesium, 0,20 Masse% Blei und 0,10 Masse% Zinn eingesetzt wird.
Verwendung eines Graphitkörpers nach Anspruch 1 bis 3 als Elektrode für die Entladungsbearbeitung von Metallteilen.
Verwendung nach Anspruch 6 als Universalelektrode.