DE112017005076T5

DE112017005076T5 - Werkzeugstahlzusammensetzung für einen bestandteil einer druckgussvorrichtung oder einer extrusionspresse

Info

Publication number: DE112017005076T5
Application number: DE112017005076.6T
Authority: DE
Inventors: Lin Chun Chien
Original assignee: Exco Technologies Ltd
Current assignee: Exco Technologies Ltd
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-10-02
Also published as: JP7181861B2; TW201819068A; US11819910B2; WO2018064771A1; JP2019534943A; US20180099330A1

Abstract

Werkzeugstahlzusammensetzung für einen Bestandteil einer Druckgussvorrichtung oder einer Extrusionspresse, wobei die Werkzeugstahlzusammensetzung, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,35 % bis etwa 0,40 % Kohlenstoff (C), von etwa 0,32 % bis etwa 0,50 % Silizium (Si), von etwa 4,50 % bis etwa 5,50 % Chrom (Cr), von etwa 3,75 % bis etwa 4,75 % Molybdän (Mo), von etwa 0,80 % bis etwa 1,00 % Vanadium (V) und Eisen (Fe).

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Stahlzusammensetzung und im Besonderen eine Werkzeugstahlzusammensetzung für einen Bestandteil einer Druckgussvorrichtung oder einer Extrusionspresse.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Auf dem Gebiet der Automobilfertigung werden Strukturbestandteile, die in der Vergangenheit aus Stahl gefertigt worden sind, wie beispielsweise Motorträger, zunehmend durch Aluminiumlegierung-Gussteile ersetzt. Solche Gussteile sind typischerweise groß, verschachtelt und verhältnismäßig dünn, und es ist erforderlich, dass sie den hohen Qualitätsstandards der Automobilfertigung entsprechen. Um diesen Anforderungen zu entsprechen, wird typischerweise vakuumgestütztes Druckgießen verwendet, um solche Gussteile herzustellen.
Vakuumgestützte Druckgussmaschinen umfassen einen Kolben, manchmal als „Druckkolben“ bezeichnet, der durch eine Kolbenbohrung einer Druckkammer vorgeschoben wird, um ein Volumen von flüssigem Metall in eine Formhöhlung zu schieben. Vakuum wird an die Kolbenbohrung angelegt, um den Fluss des flüssigen Metalls durch dieselbe zu unterstützen. Ein austauschbarer Verschleißring ist an den Kolben gepasst und stellt eine durchgehende Berührung mit der Innenseite der Kolbenbohrung entlang des gesamten Hubs des Kolbens her, um eine Dichtung für sowohl das Vakuum als auch das flüssige Metall bereitzustellen.
Zum Beispiel zeigt 1 einen Abschnitt einer vakuumgestützten Druckgussvorrichtung des Standes der Technik, die im Allgemeinen durch die Bezugszahl 20 bezeichnet wird. Die vakuumgestützte Druckgussvorrichtung 20 umfasst einen Kolben, der innerhalb einer Kolbenbohrung 28 beweglich ist, die innerhalb einer Druckkammer 30 definiert ist, zum Schieben eines Volumens von flüssigem Metall (nicht gezeigt) in eine Druckguss-Formhöhlung (nicht gezeigt), um das Gussteil zu formen. In dem gezeigten Beispiel ist der Kolben an seiner Startposition des Hubs angeordnet, die sich hinter einer Öffnung 34 befindet, durch die das Volumen von flüssigem Metall in die Kolbenbohrung 28 eingeleitet wird.
Der Kolben umfasst eine Kolbenspitze 40, die an einem vorderen Ende eines Kolbenschafts (nicht gezeigt) angebracht ist. Die Kolbenspitze 40 weist eine Stirnfläche 42 auf, die dafür konfiguriert ist, das Volumen von flüssigem Metall zu berühren, das über die Öffnung 34 in die Kolbenbohrung 28 eingeleitet wird. Die Kolbenspitze 40 weist einen Verschleißring 44 auf, der an einer Außenfläche derselben angeordnet ist.
Im Betrieb ist, am Beginn eines Hubzyklus, der Kolben an seiner Startposition in der Hubbohrung 28 angeordnet, und ein Volumen von flüssigem Metall wird über die Öffnung 34 vor der Kolbenspitze 40 in die Kolbenbohrung 28 eingeleitet. Danach wird der Kolben durch die Kolbenbohrung 28 nach vom bewegt, um das Volumen von flüssigem Metall in die Formhöhlung zu schieben, um ein Metallgussteil zu formen, und wird danach nach hinten zu seiner Startposition bewegt, um den Hubzyklus abzuschließen. Während dieser Bewegung berührt der Verschleißring 44, der an der Kolbenspitze 40 angeordnet ist, durchgehend die Innenfläche 48 der Kolbenbohrung 28 und stellt eine Flüssigmetalldichtung bereit, um zu verhindern, dass flüssiges Metall zwischen der Kolbenspitze 40 und der Innenfläche 48 der Kolbenbohrung 28 hindurchgeht. Der Verschleißring 44 stellt ebenfalls eine Vakuumdichtung bereit, um ein Vakuum (das heißt, einen niedrigen Druck) innerhalb des vorderen Volumens der Kolbenbohrung 28 aufrechtzuerhalten. Der Zyklus wird, wie gewünscht, wiederholt, um mehrere Metallgussteile herzustellen.
Es sind Druckguss-Druckkammern beschrieben worden, die eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen. Zum Beispiel offenbart die US-Patentschrift Nr. 5,195,572 an Linden, Jr. et al. eine zweiteilige Druckkammer zur Verwendung mit einer Druckgussmaschine, die eine erste und eine zweite zylindrische Kammersektion einschließt, die abnehmbar in Axialrichtung aneinander befestigt sind. Die Kammersektionen sind jeweils an beiden Enden offen und schließen einen inneren Durchgang für den Fluss von geschmolzenem Metall ein, und die zweite Kammersektion schließt ein Gussloch zum Aufnehmen von geschmolzenem Metall in den inneren Durchgang ein.
Die US-Patentschrift Nr. 5322111 an Hansma offenbart eine ausgekleidete Druckkammer zur Verwendung beim Metalldruckguss. Die ausgekleidete Druckkammer umfasst einen länglichen Hauptkörperabschnitt, der eine erste durchgehende Innenwandfläche einschließt, die eine Aufnahmebohrung definiert, die sich in Axialrichtung zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Hauptkörperabschnitts erstreckt. Eine längliche Keramikauskleidung ist für eine sichere Platzierung innerhalb der Aufnahmebohrung geeignet, wobei die Auskleidung eine zweite durchgehende Innenwandfläche, die eine Zylinderbohrung definiert, die sich in Axialrichtung zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende der Auskleidung erstreckt, und eine Außenwandfläche, die für eine Reibungsberührung mit der ersten durchgehenden Innenwandfläche geeignet ist, einschließt. Die Keramikauskleidung wirkt als ein physikalischer und thermischer Isolator, um die erste durchgehende Innenwandfläche des Hauptkörperabschnitts vor einer Berührung mit dem geschmolzenen Metall zu schützen.
Es sind ebenfalls Werkzeugstahlzusammensetzungen für Gussvorrichtungen beschrieben worden. Zum Beispiel offenbart die US-Patentschrift Nr. 6479013 an Sera et al. das Gießen von Nichteisenmetalle, wie beispielsweise Aluminium-, Magnesium- oder Zinklegierungen unter Verwendung von Gussbestandteilen, die aus einem Werkzeugstahl hergestellt sind, der wirksame Mengen von Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Chrom, Molybdän und Vanadium, wahlweise Mengen von Kobalt und ein gesteigertes Niveau von Molybdän umfasst. Eine Verwendung des Werkzeugstahls als ein Gussbestandteil, insbesondere als eine Form, stellt Verbesserungen bei Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Erweichungsbeständigkeit, Abbaubeständigkeit und Verformungsbeständigkeit bereit.
Verbesserungen sind im Allgemeinen erwünscht. Es ist eine Aufgabe, wenigstens eine neuartige Werkzeugstahlzusammensetzung für einen Bestandteil einer Druckgussvorrichtung oder einer Extrusionspresse bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Dementsprechend wird in einem Aspekt eine Werkzeugstahlzusammensetzung für einen Bestandteil einer Druckgussvorrichtung oder einer Extrusionspresse bereitgestellt, wobei die Werkzeugstahlzusammensetzung, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,35 % bis etwa 0,40 % Kohlenstoff (C), von etwa 0,32 % bis etwa 0,50 % Silizium (Si), von etwa 4,50 % bis etwa 5,50 % Chrom (Cr), von etwa 3,75 % bis etwa 4,75 % Molybdän (Mo), von etwa 0,80 % bis etwa 1,00 % Vanadium (V) und Eisen (Fe).
Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 0,36 % bis etwa 0,39 % Kohlenstoff (C). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 0,37 % bis etwa 0,39 % Kohlenstoff (C). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, etwa 0,38 % Kohlenstoff (C) umfassen.
Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 0,32 % bis etwa 0,45 % Silizium (Si). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 0,32 % bis etwa 0,40 % Silizium (Si). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, etwa 0,34 % Silizium (Si) umfassen.
Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 4,90 % bis etwa 5,10 % Chrom (Cr). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 4,95 % bis etwa 5,05 % Chrom (Cr). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, etwa 5,03 % Chrom (Cr) umfassen.
Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 3,80 % bis etwa 4,50 % Molybdän (Mo). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 3,85 % bis etwa 4,25 % Molybdän (Mo). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, etwa 4,18 % Molybdän (Mo) umfassen.
Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 0,85 % bis etwa 0,98 % Vanadium (V). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfassen: von etwa 0,90 % bis etwa 0,96 % Vanadium (V). Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, etwa 0,94 % Vanadium (V) umfassen.
Die Zusammensetzung kann ferner, in Gewichtsprozent, eines oder mehreres von Folgendem umfassen: von etwa 0,40 % bis etwa 0,50 % Mangan (Mn), von 0 % bis etwa 0,05 % Phosphor (P), von etwa 0,06 % bis etwa 0,12 % Nickel (Ni), von etwa 0,005 % bis etwa 0,015 % Kobalt (Co), von etwa 0,05 % bis etwa 0,10 % Kupfer (Cu) und von etwa 0,09 % bis etwa 0,14 % Wolfram (W).
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bereiten eines Werkzeugstahls bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Unterziehen eines Stahls, der die oben beschriebene Zusammensetzung aufweist, einer Wärmebehandlung, wobei die Wärmebehandlung Folgendes umfasst: eine härtende Wärmebehandlung, die das Erhitzen des Werkzeugstahls auf eine oder mehrere Temperaturen von etwa 850°C bis etwa 1125°C für eine Gesamtdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 25 Stunden umfasst, und eine anlassende Wärmebehandlung, die das Erhitzen des gehärteten Werkzeugstahls auf eine oder mehrere Temperaturen von etwa 375°C bis etwa 675°C für eine Gesamtdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 25 Stunden umfasst.
Die härtende Wärmebehandlung kann Folgendes umfassen: Erhitzen des Stahls auf eine erste Temperatur von etwa 800°C bis etwa 900°C und Halten des Stahls bei der ersten Temperatur für wenigstens 30 Minuten und Erhitzen des Stahls auf eine zweite Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C und Halten des Stahls bei der zweiten Temperatur für wenigstens 30 Minuten.
Die anlassende Wärmebehandlung kann Folgendes umfassen: Unterziehen des Stahls wenigstens einem Anlasszyklus, der Folgendes umfasst: Erhitzen des Stahls auf eine erste Temperatur von etwa 400°C bis etwa 600°C und Halten des Stahls bei der Temperatur für wenigstens 60 Minuten. Der wenigstens eine Anlasszyklus kann mehrere Anlasszyklen umfassen.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Druckkammer für eine Druckgussvorrichtung bereitgestellt, wobei die Druckkammer eine Kolbenbohrung aufweist, wobei die Druckkammer Folgendes umfasst: einen länglichen Körper, der eine axiale Bohrung aufweist, und eine Kammerauskleidung, die auf einer Oberfläche der axialen Bohrung geformt ist, wobei die Kammerauskleidung eine Oberfläche der Kolbenbohrung definiert, wobei wenigstens eines von dem Körper und der Kammerauskleidung aus einem Werkzeugstahl gefertigt ist, der die oben beschriebene Zusammensetzung aufweist.
Die Druckkammer kann ferner einen Kammereinsatz umfassen, der in der axialen Bohrung angrenzend an die Kammerauskleidung aufgenommen wird, wobei der Kammereinsatz eine zusätzliche Oberfläche der Kolbenbohrung definiert. Der Kammereinsatz kann aus dem Werkzeugstahl gefertigt sein.
Die Kammerauskleidung kann eine Nitrid-Oberflächenschicht umfassen, welche die Oberfläche der Kolbenbohrung definiert.
Die Kammerauskleidung kann integral auf der Oberfläche der axialen Bohrung definiert sein. Die Kammerauskleidung kann eine geschweißte Schicht sein.
Die Druckkammer kann ferner Folgendes umfassen: einen Kammereinsatz, der in der axialen Bohrung angrenzend an die Kammerauskleidung aufgenommen wird, wobei der Kammereinsatz eine zusätzliche Oberfläche der Kolbenbohrung definiert. Die axiale Bohrung kann ein erstes axiales Bohrungssegment und ein zweites axiales Bohrungssegment umfassen, wobei das erste axiale Bohrungssegment den Kammereinsatz aufnimmt und die Kammerauskleidung auf der Oberfläche des zweiten axialen Bohrungssegments geformt ist. Der Körper kann eine Öffnung umfassen, durch die ein Volumen von flüssigem Metall in die Kolbenbohrung eingeleitet wird, wobei der Kammereinsatz ein Loch aufweist, das mit der Öffnung ausgerichtet ist. Der Kammereinsatz kann einen axialen Schnitt umfassen, der dafür konfiguriert ist, zu ermöglichen, dass der Kammereinsatz in Umfangsrichtung zusammengedrückt wird. Der Kammereinsatz kann eine Nitrid-Oberflächenschicht umfassen, welche die zusätzliche Oberfläche der Kolbenbohrung definiert.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Pressscheibe für eine Metall-Extrusionspresse bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine im Allgemeinen zylindrische Basis, die eine vordere Fläche und einen sich nach außen erstreckenden umlaufenden Flansch aufweist, einen ausdehnbaren Bund, der mit der Basis verbunden ist, wobei der Bund eine sich nach innen erstreckende umlaufende Rippe aufweist, die an den umlaufenden Flansch anstößt, eine Bundstütze, die mit der Basis verbunden ist und an den Bund anstößt, und einen beweglichen Druckkolben, der mit der Basis verbunden ist und durch den Bund aufgenommen wird, wobei der Druckkolben eine hintere Fläche aufweist, die dafür konfiguriert ist, an die vordere Fläche der Basis anzustoßen, wobei wenigstens eines von der Basis, dem Bund, der Bundstütze und dem Druckkolben aus einem Werkzeugstahl gefertigt ist, der die oben beschriebene Zusammensetzung aufweist.
Die Bundstütze und die Basis können eine ringförmige Rille definieren, welche die umlaufende Rippe aufnimmt.
Die umlaufende Rippe kann eine vordere Rippenfläche aufweisen, die an eine hintere Flanschfläche des umlaufenden Flanschs anstößt. Der Bund und die Pressscheibenbasis können einander auf eine formschlüssige Weise in Eingriff nehmen.
Eines oder beide von dem Bund und der Bundstütze können durch Schrumpfpassung mit der Basis verbunden sein.
Der umlaufende Flansch kann einen Abschnitt der vorderen Fläche definieren.
Der Druckkolben kann eine konvexe Fläche aufweisen, die dafür konfiguriert ist, während der Verwendung an einen Knüppel anzustoßen.
Die Pressscheibe kann ferner einen sich nach hinten erstreckenden Zapfen oder länglichen Vorsprung zum Verbinden der Pressscheibe mit einem Extrusionsstößel umfassen. Der Zapfen oder längliche Vorsprung kann einen zentralen Körper und mehrere Nasen, die sich von demselben aus erstrecken, umfassen, wobei jede Nase einen verjüngten hinteren Abschnitt aufweist, der die Nase mit dem zentralen Körper verbindet
Figurenliste
Es werden nun Ausführungsformen ausführlicher beschrieben werden, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 eine seitliche Schnittansicht eines Abschnitts einer Druckgussvorrichtung des Standes der Technik, die eine Druckkammer des Standes der Technik und eine Kolbenspitze eines Kolbens umfasst, ist,
2 eine seitliche Schnittansicht eines Abschnitts einer Druckgussvorrichtung, die eine Druckkammer und eine Kolbenspitze eines Kolbens umfasst, ist,
3 eine perspektivische Ansicht der Druckkammer von 2 ist,
4 eine perspektivische Schnittansicht der Druckkammer von 2 ist,
5 eine Seitenansicht der Druckkammer von 2 ist,
6 eine Draufsicht der Druckkammer von 2 ist,
7 eine Gussendansicht der Druckkammer von 2 ist,
8 eine Werkzeugendansicht der Druckkammer von 2 ist,
9 eine Schnittansicht der Druckkammer von 7, entlang der angegebenen Schnittlinie, ist,
10 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht eines Abschnitts der Druckkammer von 9, gekennzeichnet durch die Bezugszahl 10, ist,
11A, 11B, 11C, 11D und 11E Schnittansichten der Druckkammer von 5, entlang der angegebenen Schnittlinien, sind,
12A eine seitliche Schnittansicht einer Pressscheibe, die einen Teil einer Extrusionspresse bildet, ist,
12B eine vergrößerte fragmentarische Ansicht der Pressscheibe von 12A, gekennzeichnet durch die Bezugszahl 12B, ist,
12C eine seitliche Schnittansicht der Pressscheibe von 12A und eines Abschnitts eines Extrusionsstößels, der einen Teil der Metall-Extrusionspresse bildet, ist,
13 eine schematische graphische Darstellung einer beispielhaften Wärmebehandlung für einen beispielhaften Werkzeugstahl, aus dem ein Abschnitt der Druckkammer von 2 und aus dem wenigstens ein Abschnitt der Pressscheibe von 12A gefertigt sind, zeigt,
14 ein optisches mikroskopisches Bild einer metallographischen Probe des Werkzeugstahls von 13 ist,
15A bis 15C optische mikroskopische Bilder der metallographischen Probe von 14, nach dem Ätzen, sind,
16 eine graphische Darstellung der Härte in Abhängigkeit von der Entfernung für die der metallographischen Probe von 13 ist,
17A und 17B graphische Darstellungen der Zugspannung in Abhängigkeit von der Dehnung, gemessen während einer Zugprüfung bei erhöhter Temperatur von aus Stahl der Güte H13 gefertigten Zugproben, sind,
18A und 18B graphische Darstellungen der Zugspannung in Abhängigkeit von der Dehnung, gemessen während einer Zugprüfung bei erhöhter Temperatur von aus dem Werkzeugstahl von 14 gefertigten Zugproben, sind,
19 eine graphische Darstellung der Härte in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur für aus dem Werkzeugstahl von 13 gefertigte Muster ist,
20A und 20B jeweils graphische Darstellungen von Erstarrungskurven für Stahl der Güte DIN 1.2367 beziehungsweise für einen anderen beispielhaften Werkzeugstahl, der eine ähnliche Zusammensetzung wie der Werkzeugstahl von 13 aufweist, sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr 2 zugewandt, wird ein Abschnitt einer vakuumgestützten Druckgussvorrichtung gezeigt und wird im Allgemeinen durch die Bezugszahl 120 bezeichnet. Die vakuumgestützte Druckgussvorrichtung 120 umfasst einen Kolben, der innerhalb einer Kolbenbohrung, die innerhalb einer Druckkammer 130 definiert wird, beweglich ist, zum Schieben eines Volumens von flüssigem Metall (nicht gezeigt) in eine Druckguss-Formhöhlung (nicht gezeigt), um ein Gussteil zu formen. Die Druckkammer 130 umfasst eine Öffnung 134, durch die das Volumen von flüssigem Metall in die Kolbenbohrung 136 eingeleitet wird, und in dem gezeigten Beispiel ist der Kolben an seiner Startposition des Hubs angeordnet, die sich hinter der Öffnung 134 befindet.
Der Kolben umfasst eine Kolbenspitze 140, die an einem vorderen Ende eines Kolbenschafts (nicht gezeigt) angebracht ist. Die Kolbenspitze 140 weist eine Stirnfläche 142 auf, die dafür konfiguriert ist, das Volumen von flüssigem Metall zu berühren, das über die Öffnung 134 in die Kolbenbohrung 136 eingeleitet wird. Die Kolbenspitze 140 weist einen Verschleißring 144 auf, der an einer Außenfläche derselben angeordnet ist.
Die Druckkammer 130 ist in 3 bis 11E besser zu sehen. Die Druckkammer 130 umfasst einen länglichen Druckkammerkörper 152, der aus einem Werkzeugstahl gefertigt ist, der eine höhere Zerreißbeanspruchung, eine höhere Streckspannung (yield stress - YS), einen höheren Elastizitätsmodul bei erhöhten Temperaturen (und zwar von etwa 400°C bis etwa 825°C) und eine höhere Verschleißfestigkeit als herkömmliche Werkzeugstähle aufweist. In dieser Ausführungsform weist der Werkzeugstahl die folgende Zusammensetzung (ausgedrückt in Gewichtsprozent) auf: von etwa 0,35 % bis etwa 0,40 % Kohlenstoff (C), von etwa 0,32 % bis etwa 0,50 % Silizium (Si), von etwa 0,40 % bis etwa 0,50 % Mangan (Mn), von 0 % bis etwa 0,05 % Phosphor (P), von etwa 4,50 % bis etwa 5,50 % Chrom (Cr), von etwa 3,75 % bis etwa 4,75 % Molybdän (Mo), von etwa 0,06 % bis etwa 0,12 % Nickel (Ni), von etwa 0,005 % bis etwa 0,015 % Kobalt (Co), von etwa 0,05 % bis etwa 0,10 % Kupfer (Cu), von etwa 0,09 % bis etwa 0,14 % Wolfram (W) und von etwa 0,80 % bis etwa 1,00 % Vanadium (V), wobei der Rest im Allgemeinen aus Eisen (Fe) und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
Der Körper 152 weist ein Gussende 154 und ein Werkzeugende 156 und einen sich nach außen erstreckenden umlaufenden Flansch 158 auf, um zu ermöglichen, dass die Druckkammer 130 mechanisch mit einer Werkzeugplatte (nicht gezeigt) oder einer Maschinenplatte der Druckgussvorrichtung 20 verbunden wird. Der Körper 152 weist eine axiale Bohrung auf, die sich durch denselben erstreckt, und in dieser Ausführungsform umfasst die axiale Bohrung ein erstes axiales Bohrungssegment 162 und ein zweites axiales Bohrungssegment 164. Das erste axiale Bohrungssegment 162 erstreckt sich von dem Gussende 154 aus teilweise in die Länge des Körpers 152, und das zweite axiale Bohrungssegment erstreckt sich von dem Werkzeugende 156 aus teilweise in die Länge des Körpers 152. Das erste und das zweite axiale Bohrungssegment 162 und 164 sich in Axialrichtung ausgerichtet, und in der gezeigten Ausführungsform weist das erste axiale Bohrungssegment 162 einen größeren Durchmesser auf als das zweite axiale Bohrungssegment 164. An dem Werkzeugsende 156 weist das zweite axiale Bohrungssegment 164 eine konische Innenfläche 166 auf, die im Verhältnis zu der Mittelachse des Körpers 152 geneigt ist. Der Körper 152 weist ebenfalls mehrere innere Leitungen 168 auf die das erste und das zweite axiale Bohrungssegment 162, 164 umgeben, die dafür konfiguriert sind, Kühlfluid von einer Kühlfluidquelle (nicht gezeigt) zum Kühlen der Druckkammer 130 während des Betriebs zu befördern. Das Kühlfluid kann Wasser, Öl, Luft oder dergleichen sein.
Der Körper 152 wird durch spanendes Bearbeiten einer Bestandsmenge des oben beschriebenen Werkzeugstahls (z.B. in Block- oder Stangenform) zu einer gewünschten Form und danach Unterziehen des bearbeiteten Blocks einer Wärmebehandlung gefertigt. In dieser Ausführungsform wird der bearbeitete Block einer Wärmebehandlung unter Vakuum unterzogen, die i) eine härtende Wärmebehandlung, gefolgt von ii) einer anlassenden Wärmebehandlung, umfasst. Die härtende Wärmebehandlung umfasst das Halten des bearbeiteten Blocks bei einer oder mehreren Haltetemperaturen von etwa 850°C bis etwa 1125°C, für eine Gesamtdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 25 Stunden. Die anlassende Wärmebehandlung umfasst eine oder mehrere Haltetemperaturen von etwa 375°C bis etwa 675°C, für eine Gesamtdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 25 Stunden, wobei der Körper 152 vor dem Erhitzen auf jede Haltetemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das Unterziehen des bearbeiteten Blocks der Wärmebehandlung ergibt den Körper 152.
Die Druckkammer 130 umfasst ebenfalls einen austauschbaren Kammereinsatz 170, der innerhalb des ersten axialen Bohrungssegments 162 des Körpers 152 aufgenommen wird. In dieser Ausführungsform ist der Kammereinsatz 170 aus warm geformtem Stahl der Güte DIN 1.2367 gefertigt. Der Kammereinsatz 170 weist einen axialen Schnitt 172 auf, der dafür konfiguriert ist, zu ermöglichen, dass der Kammereinsatz 170 während des Einsetzens in den Körper 152 und des Entfernens aus demselben in Umfangsrichtung zusammengedrückt wird. Der Kammereinsatz 170 weist ebenfalls ein Loch auf, das mit der Öffnung 134 ausgerichtet ist. Der Kammereinsatz 170 weist eine Nitrid-Oberflächenschicht 174 auf, die während einer Nitrierbehandlung vor dem Einsetzen des Kammereinsatzes 170 in den Körper 152 geformt wird. Die Nitrid-Oberflächenschicht 174 weist eine Dicke von etwa 0,2 mm bis etwa 0,25 mm auf. Wie zu verstehen sein wird, weist die Nitrid-Oberflächenschicht 174 eine höhere Härte und eine höhere Dehngrenze bei hoher Temperatur (und zwar von etwa 625°C bis etwa 825°C) und daher eine höhere Stabilität bei hoher Temperatur auf als die innere Masse des Kammereinsatzes 170.
Die Druckkammer 130 umfasst ebenfalls eine Kammerauskleidung 180, die integral auf der Oberfläche des zweiten axialen Bohrungssegments 164 des Körpers 152 geformt ist. In dieser Ausführungsform ist die Kammerauskleidung 180 aus Stahl der Güte DIN 1.2367 gefertigt. Die Kammerauskleidung 180 ist durch Schweißen eine Schicht aus Stahl auf die Oberfläche des zweiten axialen Bohrungssegments 164 des Körpers 152 und danach Schleifen und Honen der geschweißten Stahlschicht auf eine gewünschte Dicke und eine gewünschte Oberflächenrauheit. In dieser Ausführungsform beträgt die Dicke der geschliffenen und gehonten geschweißten Stahlschicht etwa 1,5 mm, und der Wert der quadratisch gemittelten (root mean squared - RMS-) Oberflächenrauheit der geschliffenen und gehonten geschweißten Stahlschicht beträgt etwa 3 oder weniger. Die Kammerauskleidung 180 weist eine Nitrid-Oberflächenschicht 184 auf, die während einer Nitrierbehandlung der Druckkammer, nachdem die geschweißte Stahlschicht geschliffen und gehont worden ist, geformt wird. Ähnlich wie die Nitrid-Oberflächenschicht 174 weist die Nitrid-Oberflächenschicht 184 eine Dicke von etwa 0,2 mm bis etwa 0,25 mm auf. Wie zu verstehen sein wird, weist die Nitrid-Oberflächenschicht 184 eine höhere Härte und eine höhere Dehngrenze bei hoher Temperatur (und zwar von etwa 625°C bis etwa 825°C) und daher eine höhere Stabilität bei hoher Temperatur auf als die innere Masse der Kammerauskleidung 180 auf.
Bei Anwendung, während der Fertigung der Druckkammer 130, wird der Druckkammerkörper durch spanendes Bearbeiten der Bestandsmenge des Werkzeugstahls, der die oben beschriebene Zusammensetzung aufweist, zu der gewünschten Form und danach Unterziehen des bearbeiteten Blocks der Wärmebehandlung, um den Druckkammerkörper 152 zu ergeben, gefertigt. Der Körper 152 wird danach auf eine Vorwärmtemperatur erhitzt, um eine gute Schweißhaftung zu ermöglichen, wobei die spezifische Vorwärmtemperatur von der Güte des Stahls abhängt, der für die geschweißte Stahlschicht verwendet werden soll. In dieser Ausführungsform beträgt die Vorwärmtemperatur von etwa 300°C bis etwa 450°C. Die Schicht aus Stahl, die eine Dicke von etwa 3 mm aufweist, wird danach auf die Oberfläche des zweiten axialen Bohrungssegments 164 des vorgewärmten Druckkammerkörpers 152 geschweißt. Der Druckkammerkörper 152 und die geschweißte Stahlschicht in demselben werden danach einer Wärmebehandlung unterzogen, um während des Schweißens erzeugte Restspannung zu verringern, wobei das spezifische Zeit- und Temperaturprofil der Wärmebehandlung von der Güte des Stahls der geschweißten Stahlschicht abhängt. In dieser Ausführungsform schließt die Wärmebehandlung Temperaturen von etwa 300°C bis etwa 450°C ein. Die geschweißte Stahlschicht wird danach geschliffen, um ihre Dicke auf etwa 1,5 mm zu verringern, und die Druckkammer wird danach an ihrem Werkzeugende 156 konisch gebohrt, um die konische Innenfläche 182 zu formen, Nach dem Schleifen und konischen Bohren wird die geschweißte Stahlschicht auf eine gewünschte abschließende Abmessung gehont, um den PMS-Oberflächenrauheitswert auf etwa 3 oder weniger zu verringern, um die Kammerauskleidung 180 zu ergeben. Der Druckkammerkörper 152 und die Kammerauskleidung 180 in demselben werden danach einer Nitrierbehandlung unterzogen, um die Nitrid-Oberflächenschicht 184 zu bilden. Während der Nitrierbehandlung werden der Druckkammerkörper 152 und die Kammerauskleidung 180 in demselben einer Nitriertemperatur in einer Nitrieratmosphäre unterzogen, und in dieser Ausführungsform beträgt die Nitriertemperatur von etwa 500°C bis etwa 550°C. Der Kammereinsatz 170 wird gesondert gefertigt, so dass er im Allgemeinen eine(n) identische(n) Innendurchmesser und RMS-Oberflächenrauheit wie die Kammerauskleidung 180 aufweist und die Nitrid-Oberflächenschicht 174 aufweist. Der Kammereinsatz 170 wird in das erste axiale Bohrungssegment 162 des Körpers 152 und gegen die Kammerauskleidung 180 in einer anstoßenden Weise eingesetzt, um so die Druckkammer 130 zu ergeben. Wie zu verstehen sein wird, definieren der Kammereinsatz 170 und die Kammerauskleidung 180 die Oberfläche der Kolbenbohrung 136 der Druckkammer 130. Im Einzelnen definieren, in dieser Ausführungsform, die Nitrid-Oberflächenschicht 174 des Kammereinsatzes 170 und die Nitrid-Oberflächenschicht 184 der Kammerauskleidung 180 die Oberfläche der Kolbenbohrung 136 der Druckkammer 130.
Im Betrieb ist, am Beginn eines Hubzyklus, der Kolben an seiner Startposition in der Hubbohrung 136 angeordnet, und ein Volumen von flüssigem Metall wird über die Öffnung 134 vor der Kolbenspitze 140 in die Kolbenbohrung 136 eingeleitet. Danach wird der Kolben durch die Kolbenbohrung 136 nach vom bewegt, um das Volumen von flüssigem Metall in die Formhöhlung zu schieben, um ein Metallgussteil zu formen, und wird danach nach hinten zu seiner Startposition bewegt, um den Hubzyklus abzuschließen. Während dieser Bewegung berührt der Verschleißring 144, der an der Kolbenspitze 140 angeordnet ist, durchgehend die Oberfläche der Kolbenbohrung 136 und stellt eine Flüssigmetalldichtung bereit, um zu verhindern, dass flüssiges Metall zwischen der Kolbenspitze 140 und der Innenfläche 48 der Kolbenbohrung 136 hindurchgeht. Der Verschleißring 144 stellt ebenfalls eine Vakuumdichtung bereit, um ein Vakuum (das heißt, einen niedrigen Druck) innerhalb des vorderen Volumens der Kolbenbohrung 136 aufrechtzuerhalten. Der Zyklus wird, wie gewünscht, wiederholt, um mehrere Metallgussteile herzustellen.
Wie zu erkennen sein wird, steigern die hohe Zerreißbeanspruchung, die hohe Streckspannung und der hohe Elastizitätsmodul bei erhöhten Temperaturen des Werkzeugstahls vorteilhafterweise die Festigkeit des Druckkammerkörpers 152 bei den erhöhten Temperaturen, die während normaler Druckgussoperationen erfahren werden. Diese Merkmale ermöglichen vorteilhafterweise, dass die Druckkammer 130 dauerhafter ist und eine längere Nutzungsdauer aufweist als herkömmliche Druckkammern.
Die Zusammensetzung des Werkzeugstahls ist nicht auf eine beliebige spezifische, einzige Zusammensetzung beschränkt. Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 0,36 % bis etwa 0,39 % C. Bevorzugterweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 0,37 % bis etwa 0,39 % C und insbesondere etwa 0,38 % C.
Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 0,32 % bis etwa 0,45 % Si. Bevorzugterweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 0,32 % bis etwa 0,40 % Si und insbesondere etwa 0,34 % Si.
Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 4,90 % bis etwa 5,10 % Cr. Bevorzugterweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 4,95 % bis etwa 5,05 % Cr und insbesondere etwa 5,03 % Cr.
Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 3,80 % bis etwa 4,50 % Mo. Bevorzugterweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 3,85 % bis etwa 4,25 % Mo und insbesondere etwa 4,18 % Mo.
Vorzugsweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 0,85 % bis etwa 0,98 % V. Bevorzugterweise umfasst die Zusammensetzung des Werkzeugstahls von etwa 0,90 % bis etwa 0,96 % V und insbesondere etwa 0,94 % V.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform der Druckkammerkörper aus dem Werkzeugstahl gefertigt ist und der Kammereinsatz 170 und die Kammerauskleidung 180 aus warm geformtem Stahl der Güte DIN 1.2367 gefertigt sind, in anderen Ausführungsformen eines oder beide von dem Kammereinsatz und der Kammerauskleidung alternativ aus dem Werkzeugstahl gefertigt sein.
Der Werkzeugstahl ist nicht auf eine Verwendung in Bestandteilen für eine Druckgussvorrichtung beschränkt, und in anderen Ausführungsformen kann der Werkzeugstahl in einem oder mehreren Bestandteilen einer Metall-Extrusionspresse verwendet werden. Zum Beispiel wird eine Pressscheibe einer Extrusionspresse zur Verwendung beim Metallextrudieren in 12A bis 12C gezeigt, wobei die Pressscheibe im Allgemeinen durch die Bezugszahl 230 bezeichnet wird. Die Pressscheibe 230 umfasst eine innere Pressscheibenbasis 240, eine äußere Bundstütze 242, die mit der Pressscheibenbasis 240 verbunden ist, einen austauschbaren Bund 244, der mit der Pressscheibenbasis 240 verbunden und gegen die Bundstütze 242 gesetzt ist, und einen beweglichen Druckkolben 246, der vor der Pressscheibenbasis 240 und innerhalb des Bundes 244 angeordnet ist. Der Druckkolben 246 ist dafür konfiguriert, sich nach hinten zu bewegen, wenn der Pressscheibe 230 während der Anwendung an einen Knüppel (nicht gezeigt) anstößt, was wiederum bewirkt, dass sich der Bund 244 ausdehnt.
Die Pressscheibenbasis 240 umfasst einen im Allgemeinen zylindrischen Körper, der eine ebene vordere Fläche 248 aufweist. Ein umlaufender Flansch erstreckt sich von der Pressscheibenbasis 240 an deren vorderem Ende nach außen und definiert einen Abschnitt der ebenen vorderen Fläche 248. Die Pressscheibenbasis 240 weist eine Mittelbohrung 252 auf, die sich von der ebenen vorderen Fläche 248 bis zu einer mittigen Aussparung 254 erstreckt. Die Pressscheibenbasis 240 umfasst ferner mehrere Gewindegänge 256, die auf einer Innenfläche geformt sind, welche die mittige Aussparung 254 definiert, und die dafür konfiguriert sind, komplementäre Außengewindegänge 258 in Eingriff zu nehmen, die auf einer Außenfläche eines Schafts 260 eines Zapfens 262 oder eines anderen länglichen Vorsprungs geformt sind. Der Schaft 260 weist eine mittige Aussparung 264 zum Aufnehmen einer Feder 268 auf, die dafür konfiguriert ist, eine Vorspannkraft bereitzustellen, um den Druckkolben 246 von der ebenen vorderen Fläche 248 der Pressscheibenbasis 240 weg zu drängen. Der Zapfen 262 oder andere längliche Vorsprung ist an einem vorderen Ende eines Extrusionsstößels 228 angebracht und umfasst vier (4) voneinander beabstandete Nasen 266, die dafür konfiguriert sind, an entsprechende Nasen des Extrusionsstößels 228 anzustoßen, wie unten beschrieben.
Der Bund 244 umfasst einen im Allgemeinen ringförmigen Körper und ist durch Schrumpfpassung mit der Pressscheibenbasis 240 verbunden. Der Bund 244 weist eine sich nach innen erstreckende umlaufende Rippe 280 auf, die dafür konfiguriert ist, an eine hintere Fläche des umlaufenden Flanschs 250 anzustoßen, so dass der Bund 244 und die Pressscheibenbasis 240 einander auf eine formschlüssige Weise in Eingriff nehmen. Der Bund 244 weist ebenfalls eine konische Innenfläche 282 auf, die im Verhältnis zu der Mittelachse 284 der Pressscheibe 230 geneigt ist und die einen ersten Winkel mit der Mittelachse 284 definiert.
Die Bundstütze 242 umfasst einen im Allgemeinen ringförmigen Körper und ist durch Schrumpfpassung mit der Pressscheibenbasis 240 verbunden. Die Bundstütze 242 weist eine vordere Fläche auf, die derart an den Bund 244 anstößt, dass der Bund 244 gegen die Bundstütze 242 festgesetzt wird. Auf diese Weise wird die umlaufende Rippe 280 des Bundes 244 innerhalb einer ringförmigen Rille 288 aufgenommen, die zwischen der Bundstütze 242 und der Pressscheibenbasis 240 definiert wird.
Der Druckkolben 246 weist eine konvexe vordere Fläche 290 auf, die dafür konfiguriert ist, an einen Knüppel anzustoßen. Der Druckkolben 246 weist ebenfalls eine konische Außenfläche 292 angrenzend an die vordere Fläche 290 auf. Die konische Außenfläche 292 ist im Verhältnis zu der Mittelachse 284 der Pressscheibe 230 derart geneigt, dass die konische Außenfläche 292 einen zweiten Winkel mit der Mittelachse definiert. Der Druckkolben weist ebenfalls eine ebene hintere Fläche 294 auf, die dafür konfiguriert ist, an die vordere Fläche 248 der Pressscheibenbasis 240 anzustoßen. Von der hinteren Fläche 294 aus erstreckt sich nach hinten ein Pfosten 296, der so geformt ist, dass er sich durch die Mittelbohrung 252 und in die mittige Aussparung 254 der Pressscheibenbasis 240 erstreckt. Ein Verbinder 298 ist an einem distalen Ende des Pfostens 296 innerhalb der mittigen Aussparung 254 befestigt um den beweglichen Druckkolben 246 mit der Pressscheibenbasis 240 zu verbinden und um eine Fläche bereitzustellen, an welche die Feder 268 anstößt. Wie in 12B gezeigt, ist der Druckkolben 246 derart geformt, dass die ebene hintere Fläche 294 und die ebene vordere Fläche 248 um eine Entfernung beabstandet sind, wenn der Druckkolben 246 nicht gegen die Pressscheibenbasis 240 niedergedrückt wird.
Der zweite Winkel, der durch die konische Außenfläche 292 und die Mittelachse 284 definiert wird, ist geringfügig größer als der erste Winkel, der durch die konische Innenfläche 282 und die Mittelachse 284 definiert wird, um so sicherzustellen, dass der Druckkolben 246 und der Bund 242 während der Verwendung nicht verklemmt werden. In der gezeigten Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen dem zweiten Winkel und dem ersten Winkel etwa 1,5 Grad. Wie zu verstehen sein wird, würden sich, falls der Neigungswinkel der konischen Außenfläche 292 derselbe wäre wie oder kleiner als der Neigungswinkel der konischen Innenfläche 282, diese Flächen verklemmen, wenn sich der Druckkolben nach hinten in den Bund 242 bewegt, so dass, wenn die Pressscheibe aus dem Behälter entfernt wird, die Feder 268 keine ausreichende Kraft hätte, um den Druckkolben 246 zu seiner anfänglichen Position zurückzuführen.
Ein vorderer Abschnitt eines Extrusionsstößels 228 wird in 20C gezeigt. Der Extrusionsstößel 228 umfasst einen mittigen Hohlraum 302, der sich von einer vorderen Fläche nach innen erstreckt und der dafür konfiguriert ist, passend den Zapfen 262 der Pressscheibe 230 in Eingriff zu nehmen. Der Extrusionsstößel 228 weist vier (4) voneinander beabstandete Nasen 304 auf, die in den Hohlraum 302 vorspringen und die dafür konfiguriert sind, an vordere Flächen der Nasen 266 des Zapfens 262 anzustoßen, wenn die Pressscheibe 230 und der Zapfen 262 in Position gedreht werden. Der mittige Hohlraum 302 weist eine teilweise konkave hintere Fläche 306 auf, die einen verhältnismäßig großen Radius aufweist, was Spannungskonzentrationspunkte innerhalb des Extrusionsstößels 228 beseitigt. Außerdem weist jede Nase 266 einen verjüngten hinteren Abschnitt 308 auf, der die Form der Nase 266 mit dem Zapfen 262 verbindet, was Spannungskonzentrationspunkte innerhalb der Nase 266 und des Zapfens 262 beseitigt.
Eines oder mehrere von der Pressscheibenbasis 240, der äußeren Bundstütze 242, dem verbundenen austauschbaren Bund 244, dem beweglichen Druckkolben 246 und dem Extrusionsstößel 228 sind aus demselben Werkzeugstahl wie derjenige des Druckkammerkörpers 152 der Druckkammer 130, der oben und unter Bezugnahme auf 3 bis 11E beschrieben wird, gefertigt. In dieser Ausführungsform sind alle von der Pressscheibenbasis 240, der äußeren Bundstütze 242, dem austauschbaren Bund 244 und dem beweglichen Druckkolben 246 aus dem Werkzeugstahl gefertigt.
Wie zu erkennen sein wird, steigern die hohe Zerreißbeanspruchung, die hohe Streckspannung und der hohe Elastizitätsmodul bei erhöhten Temperaturen des Werkzeugstahls vorteilhafterweise die Festigkeit der Pressscheibenbasis 240, der äußeren Bundstütze 242, des austauschbaren Bundes 244 und des beweglichen Druckkolbens 246 bei den erhöhten Temperaturen, die während normaler Druckgussoperationen erfahren werden. Diese Merkmale ermöglichen vorteilhafterweise, dass die Druckkammer 130 dauerhafter ist und eine längere Nutzungsdauer aufweist als herkömmliche Druckkammern.
Die folgenden Beispiele illustrieren Anwendungen der oben beschriebenen Ausführungsformen.
BEISPIEL 1
In diesem Beispiel wurde ein Druckkammerkörper aus einem Werkzeugstahl gefertigt, der die Zusammensetzung aufweist, die in Tabelle 1 gezeigt wird: TABELLE 1

Element Gewichts-%

C 0,38

Si 0,34

Mn 0,43

P 0,022

S < 0,005

Cr 5,03

Mo 4,18

Ni 0,09

Co 0,01

Cu 0,07

W 0,12

V 0,94
Der Rest der Zusammensetzung bestand hauptsächlich aus Fe (Eisen) und unvermeidlichen Verunreinigungen.
Die Zusammensetzung wurde durch optische Emissionsspektroskopie (OES) gemäß ASTM E352 - 93 (2006) gemessen.
BEISPIEL 2
In diesem Beispiel wurde eine lockförmige Probe der in Tabelle 1 gezeigten Stahlzusammensetzung hergestellt und wurde einer Wärmebehandlung unter Vakuum unterzogen, die i) eine härtende Wärmebehandlung, gefolgt von ii) einer anlassenden Wärmebehandlung, umfasste. In diesem Beispiel umfasste die härtende Wärmebehandlung eine Haltetemperatur von 850°C für 3,5 Stunden, gefolgt von einer Haltetemperatur von 1050°C für 2 Stunden. Die anlassende Wärmebehandlung umfasste eine Reihe von drei unterschiedlichen Haltetemperaturen, und zwar eine Haltetemperatur von 540°C für 5 Stunden, eine Haltetemperatur von 615°C für 3,5 Stunden und eine Haltetemperatur von 605°C für 4 Stunden, wobei die Probe vor dem Erhitzen auf jede Haltetemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. 13 zeigt eine schematische graphische Darstellung der Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlung ergab eine angelassene Probe.
Die angelassene Probe wurde einer Nitrier-Oberflächenbehandlung unterzogen. In diesem Beispiel umfasste die Nitrier-Oberflächenbehandlung das Halten der angelassenen Probe bei einer Nitriertemperatur von etwa 515°C bis etwa 550°C für 36 Stunden unter einer Nitrieratmosphäre. Die Nitrier-Oberflächenbehandlung ergab eine nitrierte Probe.
Proben der nitrierten Probe wurden für metallographische Bildgebung geschnitten und montiert. Die metallographischen Proben wurden gemäß ASTM E3 - 1 1 geschliffen und poliert und wurden danach mit einer 2%-igen Nital-Lösung gemäß ASTM E407 - 07e1 geätzt, um die Mikrostruktur zu enthüllen.
14 und 15A bis 15C sind jeweils optische mikroskopische Bilder der polierten metallographischen Proben vor beziehungsweise nach dem Ätzen. Die Eisennitridphase wurde entlang der Korngrenzen der geätzten Probe beobachtet.
Die Dicke der Nitrid-Oberflächenschicht wurde durch optische Mikroskopie bei 500-facher Vergrößerung gemessen. Die durchschnittliche gemessene Dicke der Nitrid-Oberflächenschicht betrug 10,1 µm (siehe 15B).
15C zeigt eine typische Mikrostruktur der inneren Masse der Probe (und zwar wenigstens 0,4 mm von der Nitrid-Oberflächenschicht). Wie zu sehen ist, besteht diese Mikrostruktur hauptsächlich aus angelassenem Martensit. Es wurden zehn (10) unterschiedliche Positionen der inneren Masse beobachtet, und es wurde kein Nachweis von zurückbehaltenem Austenit gefunden.
BEISPIEL 3

In diesem Beispiel wurde eine Härteprüfung an den metallographischen Proben von Beispiel 2 durchgeführt. Die Vickers-Härte wurde gemäß ASTM E384 - 11e1, unter Verwendung einer Prufkraft von 100 Pond (HV 0,1) und einer Prufkraft von 25 Pond (HV 0,025), gemessen. Die Vickers-Härtemessungen wurden gemäß ASTM E140 - 12b, Umwandlungstabelle 1, zu Rockwell-C-Härtewerten umgewandelt. Die Vickers-Härte wurde in Abständen von 30 µm über einen Bereich, der 0,03 mm von der Probenoberfläche beginnt (und daher die Nitrid-Oberflächenschicht ausschließt) und sich in die innere Masse erstreckt, gemessen, wie in Tabelle 2 zusammengefasst: TABELLE 2

Entfernung von der Probenoberfläche (mm)	Vickers- Härte	Rockwell-C-Härte
Entfernung von der Probenoberfläche (mm)	(HV 0,1)	(HRC)
0,03	840,9	65,2
0,06	926,1	67,6
0,09	980,8	68,6
0,12	906,8	67,1
0,15	792,1	63,7
0,18	738,1	61,6
0,21	612,4	55,9
0,24	582,0	54,2
0,27	521,8	50,5
0,3	500,4	49,1
0,33	473,0	47,1
0,36	468,2	46,7

16 ist eine graphische Darstellung des Härteprofils über den Bereich, der in Tabelle 2 zusammengefasst ist.
Vickers-Härte-Messungen innerhalb der inneren Masse sind in Tabelle 3 zusammengefasst: TABELLE 3

Position innerhalb der inneren Masse Vickers- Härte Rockwell-C-Härte

(HV 0,1) (HRC)

Nr. 1 482,7 47,9

Nr. 2 452,2 45,5

Nr. 3 468,2 46,7

Durchschnitt 467,7 46,7
Vickers-Härte-Messungen innerhalb der Nitrid-Oberflächenschicht sind in Tabelle 4 zusammengefasst: TABELLE 4

Position innerhalb der Nitrid-Oberflächenschicht Vickers- Härte Rockwell-C-Härte

(HV 0,025) (HRC)

Nr. 1 1131,8 70,6

Nr. 2 1309,5 72,8

Nr. 3 1080,5 70,0

Durchschnitt 1173,9 71,1
BEISPIEL 4
In diesem Beispiel wurden Zugversuchsmuster von zwei (2) unterschiedlichen Werkzeugstählen, und zwar von (i) Stahl der Güte H13 und (ii) der in Tabelle 1 gezeigte und der Wärmebehandlung von Beispiel 2 unterzogenen Werkzeugstahlzusammensetzung, hergestellt. Die Zugversuchsmuster wurden einem Zugversuch bei erhöhter Temperatur gemäß ASTM E21 - 09 unterzogen. Der Versuch wurde bei einer Temperatur von 430°C (806°F) durchgeführt und es wurden eine Durchwärmzeit von 30 Minuten und eine Prüfgeschwindigkeit von 0,005 in/in/min, 0,05 in/mm/in, verwendet.

17A und 17B sind graphische Darstellungen der Zugspannung in Abhängigkeit von der Dehnung, gemessen bei der erhöhten Temperatur für die Proben aus Stahl der Güte H13, und 18A und 18B sind graphische Darstellungen der Zugspannung in Abhängigkeit von der Dehnung, gemessen bei der erhöhten Temperatur für die Proben, die aus der in Tabelle 1 gezeigten Werkzeugstahlzusammensetzung gefertigt und der Wärmebehandlung von Beispiel 2 unterzogen wurden. Ein Teil der Zugversuchsdaten bei erhöhter Temperatur ist in Tabelle 5 zusammengefasst. TABELLE 5

Probe	UTS	0,2% YS	Elastizitätsmodul
	(ksi)	(ksi)	(Msi)
Stahl der Güte H13 (Muster Nr. 1)	184,6	156,8	25,8
Werkzeugstahl (Muster Nr. 1)	196,3	165,5	28,5
Werkzeugstahl (Muster Nr. 2)	196,0	164,3	29,8
Stahl der Güte H13 (Muster Nr. 2)	181,2	153,1	26,7

Wie zu sehen ist, weist der Werkzeugstahl eine höhere Zerreißbeanspruchung (ultimate tensile stress - UTS), eine höhere Streckspannung (yield stress - YS) und einen höheren Elastizitätsmodul bei der erhöhten Temperatur, verglichen mit Stahl der Güte H13, auf.
BEISPIEL 5
In diesem Beispiel wurden Proben der in Tabelle 1 gezeigten Werkzeugstahlzusammensetzung Anlassversuchen bei verschiedenen Temperaturen unterzogen. Jede Probe wurde zuerst durch Unterziehen derselben einer härtenden Wärmebehandlung gehärtet, die eine Haltetemperatur von 850°C für 3,5 Stunden, gefolgt von einer zweiten Haltetemperatur (im Folgenden hierin als „Härtungstemperatur“ bezeichnet) für 2 Stunden, umfasste, was eine gehärtete Probe ergab. In diesem Beispiel betrugen die Härtungstemperaturen 1050, 1070, 1090 und 1110°C. Jede gehärtete Probe wurde danach einer anlassenden Wärmebehandlung unterzogen, die eine Reihe von zwei (2) identischen Haltetemperaturen (im Folgenden hierin als „Anlasstemperaturen“ bezeichnet) für jeweils 2 Stunden umfasste, wobei die Probe vor dem Erhitzen auf jede Anlasstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. In diesem Beispiel betrugen die Anlasstemperaturen 400, 500, 550, 575, 600, 625 und 650°C.
Die Vickers-Härte wurde für jede angelassene Probe (sowie für nicht angelassene Proben) gemäß ASTM E384 - 11e1 gemessen und die Vickers-Härtemessungen wurden gemäß ASTM E140 - 12b, Umwandlungstabelle 1, zu Rockwell-C-Härtewerten umgewandelt.
19 ist eine graphische Darstellung der Rockwell-C-Härte in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur für die unterschiedlichen verwendeten Härtungstemperaturen. Wie zu sehen ist, wurden die höchsten Härtewerte für diesen Werkzeugstahl unter Verwendung einer Anlasstemperatur von 550°C erhalten.
BEISPIEL 6
In diesem Beispiel wurden Proben von zwei (2) unterschiedlichen Stählen, und zwar (i) Stahl der Güte DIN 1.2367 und (ii) eine Werkzeugstahlzusammensetzung, ähnlich der in Tabelle 1 gezeigten, Erstarrungsversuchen unterzogen, um die Metallkarbidkonzentration zu bestimmen. Die Zusammensetzungen der Stähle werden in Tabelle 6 gezeigt:

Element Stahl der Güte DIN 1,2367 (Gewichts-%) Werkzeugstahl (Gewichts-%)

C 0,37 0,37

Si 0,40 0,40

Mn 0,40 0,40

Cr 5,00 5,00

Mo 3,00 3,85

V 0,60 0,90
Wie zu sehen ist, weist der Werkzeugstahl höhere Mo- und V-Konzentrationen auf als der Stahl der Güte DIN 1,2367. Außerdem, und wie zu sehen ist, weist der Werkzeugstahl C-, Si-, Mn-, Cr-, Mo- und V-Konzentrationen auf, die denjenigen der in Tabelle 1 gezeigten Werkzeugstahlzusammensetzung entsprechen.
20A und 20B sind jeweils graphische Darstellungen von Erstarrungskurven für den Stahl der Güte DIN 1.2367 beziehungsweise für den Werkzeugstahl. Nach der Scheil-Gulliver-Analyse der Erstarrungskurvendaten ergibt die Probe des Stahls der Güte DIN 1,2367 0,39 Mol-% an M₆C-Karbiden und 0,21 Mol-% an M₂C-Karbiden, während die Werkzeugstahlprobe 0,51 Mol-% an M₆C-Karbiden und 0,43 Mol-% an M₂C-Karbiden ergibt. Wie zu erkennen sein wird, sind die höheren Metallkarbidkonzentrationen in der Werkzeugstahlprobe auf die höheren Konzentrationen von Mo und V zurückzuführen. Da gesteigerte Metallkarbidkonzentrationen zu gesteigerter Verschleißfestigkeit führen, weist der Werkzeugstahl vorteilhafterweise eine höhere Verschleißfestigkeit als herkömmliche Werkzeugstähle, wie beispielsweise der Stahl der Güte DIN 1,2367.
Obwohl oben Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden sind, werden die Personen vom Fach erkennen, dass Variationen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen derselben abzuweichen, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5195572 [0007]
US 5322111 [0008]
US 6479013 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Linden, Jr. et al. eine zweiteilige [0007]
Sera et al. das Gießen von Nichteisenmetalle [0009]

Claims

Werkzeugstahlzusammensetzung für einen Bestandteil einer Druckgussvorrichtung oder einer Extrusionspresse, wobei die Werkzeugstahlzusammensetzung, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,35 % bis etwa 0,40 % Kohlenstoff (C), von etwa 0,32 % bis etwa 0,50 % Silizium (Si), von etwa 4,50 % bis etwa 5,50 % Chrom (Cr), von etwa 3,75 % bis etwa 4,75 % Molybdän (Mo), von etwa 0,80 % bis etwa 1,00 % Vanadium (V) und Eisen (Fe).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,36 % bis etwa 0,39 % Kohlenstoff (C).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 2, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,37 % bis etwa 0,39 % Kohlenstoff (C).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 3, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, etwa 0,38 % Kohlenstoff (C) umfasst.
Werkzeugstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,32 % bis etwa 0,45 % Silizium (Si).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 5, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,32 % bis etwa 0,40 % Silizium (Si).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 6, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, etwa 0,34 % Silizium (Si) umfasst.
Werkzeugstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 4,90 % bis etwa 5,10 % Chrom (Cr).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 8, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 4,95 % bis etwa 5,05 % Chrom (Cr).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 9, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, etwa 5,03 % Chrom (Cr) umfasst:
Werkzeugstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 3,80 % bis etwa 4,50 % Molybdän (Mo).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 11, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 3,85 % bis etwa 4,25 % Molybdän (Mo).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 12, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, etwa 4,18 % Molybdän (Mo) umfasst:
Werkzeugstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,85 % bis etwa 0,98 % Vanadium (V).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 14, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, Folgendes umfasst: von etwa 0,90 % bis etwa 0,96 % Vanadium (V).
Werkzeugstahlzusammensetzung nach Anspruch 15, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, etwa 0,94 % Vanadium (V) umfasst:
Werkzeugstahlzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Zusammensetzung ferner, in Gewichtsprozent, eines oder mehreres von Folgendem umfasst: von etwa 0,40 % bis etwa 0,50 % Mangan (Mn), von 0 % bis etwa 0,05 % Phosphor (P), von etwa 0,06 % bis etwa 0,12 % Nickel (Ni), von etwa 0,005 % bis etwa 0,015 % Kobalt (Co), von etwa 0,05 % bis etwa 0,10 % Kupfer (Cu) und von etwa 0,09 % bis etwa 0,14 % Wolfram (W).
Verfahren zum Bereiten eines Werkzeugstahls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Unterziehen eines Stahls, der die Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist, einer Wärmebehandlung, wobei die Wärmebehandlung Folgendes umfasst: eine härtende Wärmebehandlung, die das Erhitzen des Werkzeugstahls auf eine oder mehrere Temperaturen von etwa 850°C bis etwa 1125°C für eine Gesamtdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 25 Stunden umfasst, eine anlassende Wärmebehandlung, die das Erhitzen des gehärteten Werkzeugstahls auf eine oder mehrere Temperaturen von etwa 375°C bis etwa 675°C für eine Gesamtdauer von etwa 1 Stunde bis etwa 25 Stunden umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die härtende Wärmebehandlung Folgendes umfasst: Erhitzen des Stahls auf eine erste Temperatur von etwa 800°C bis etwa 900°C und Halten des Stahls bei der ersten Temperatur für wenigstens 30 Minuten und Erhitzen des Stahls auf eine zweite Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1150°C und Halten des Stahls bei der zweiten Temperatur für wenigstens 30 Minuten.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die anlassende Wärmebehandlung Folgendes umfasst: Unterziehen des Stahls wenigstens einem Anlasszyklus, Folgendes umfassend: Erhitzen des Stahls auf eine erste Temperatur von etwa 400°C bis etwa 600°C und Halten des Stahls bei der Temperatur für wenigstens 60 Minuten.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der wenigstens eine Anlasszyklus mehrere Anlasszyklen umfasst.
Druckkammer für eine Druckgussvorrichtung, wobei die Druckkammer eine Kolbenbohrung aufweist, wobei die Druckkammer Folgendes umfasst: einen länglichen Körper, der eine axiale Bohrung aufweist, und eine Kammerauskleidung, die auf einer Oberfläche der axialen Bohrung geformt ist, wobei die Kammerauskleidung eine Oberfläche der Kolbenbohrung definiert, wobei wenigstens eines von dem Körper und der Kammerauskleidung aus einem Werkzeugstahl gefertigt ist, der die Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.
Druckkammer nach Anspruch 22, die ferner Folgendes umfasst: einen Kammereinsatz, der in der axialen Bohrung angrenzend an die Kammerauskleidung aufgenommen wird, wobei der Kammereinsatz eine zusätzliche Oberfläche der Kolbenbohrung definiert.
Druckkammer nach Anspruch 23, wobei der Kammereinsatz aus dem Werkzeugstahl gefertigt ist.
Pressscheibe für eine Metall-Extrusionspresse, wobei die Pressscheibe Folgendes umfasst: eine im Allgemeinen zylindrische Basis, die eine vordere Fläche und einen sich nach außen erstreckenden umlaufenden Flansch aufweist, einen ausdehnbaren Bund, der mit der Basis verbunden ist, wobei der Bund eine sich nach innen erstreckende umlaufende Rippe aufweist, die an den umlaufenden Flansch anstößt, eine Bundstütze, die mit der Basis verbunden ist und an den Bund anstößt, und einen beweglichen Druckkolben, der mit der Basis verbunden ist und durch den Bund aufgenommen wird, wobei der Druckkolben eine hintere Fläche aufweist, die dafür konfiguriert ist, an die vordere Fläche der Basis anzustoßen, wobei wenigstens eines von der Basis, dem Bund, der Bundstütze und dem Druckkolben aus einem Werkzeugstahl gefertigt ist, der die Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 aufweist.