DE2032814C

DE2032814C - Werkzeug

Info

Publication number: DE2032814C
Application number: DE19702032814
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Wessel
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Filing date: 1970-06-29
Publication date: 1972-12-28

Description

²S Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, das pulvermetallurgisch durch Pressen und anschließendes Sintern hergestellt ist.

Auf vielen Gebieten der Technik besteht Bedarf an Formteilen mit möglichst hohen Festigkeiten bei hohen Temperaturen. Solche Gebiete sind z. B. die Raumfahrt, der Gasturbinenbau, die Warmformgebung von Schwermetallen. Für mechanisch beanspruchte Teile bei Temperaturen über 650° C wurden zahlreiche Gußlegierungen und schmiedbare Legierungen entwickelt, die als Basismetall meist Nickel oder Kobalt enthalten.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von Formteilen mit hoher Warmfestigkeit und hoher Warmhärte geht von Metallpulvern aus, denen häufig hochschmelzende Oxyde zugemischt werden. Die Pulver oder Mischungen werden zu porösen Formkörpern gepreßt und entweder bei hoher Temperatur möglichst dicht gesintert oder durch Heißpressen oder Strangpressen verformt und verdichtet. In jedem Fall wird eine möglichst hohe Dichte angestrebt. Die nichtmetallischen Teilchen und möglichst auch die Metallpulver sollen sehr fein sein, um eine feindisperse und weitgehende gleichmäßige Verteilung der Einschlüsse zu erzielen, die nach den bisherigen Erkenntnissen die besten Fesligkeitswerte ergibt.

Weiterhin ist bekannt, ein Skelett aus dünnen Metallfasern (vorzugsweise kleiner als 0,1 mm dick) zunächst durch eine Chromdiffusionsbehandlung zu inchromieren und später mit einem keramischen Schlicker,

d. h. mit einer wäßrigen Festkörpersuspension, zu tränken (deutsche Patentschrift 1 227 663). Das Verfahren ist wegen der Diffusions- und Trockenzeiten sehr aufwendig und erfordert relativ stark poröse Skelettkörper, um das tiefe Eindringen der Festkörper und die Entfernung des in der Keramikaufschlemmung enthaltenen Wassers zu ermöglichen. Eine höhere Verdichtung kann nur durch einen Sintervorgang des Keramikanteils erfolgen, wobei der metallische Anteil bereits flüssig ist.

Das erfindungsgemäß hergestellte Werkzeug unterscheidet sich wesentlich von den nach den bekannten Tränkverfahren erzeugten Formkörpern. So ist die Tränkung pröser Metallskelette mit einem flüssigen

Metall, ζ. B. Kupfer, bekannt Dabei entstehen jedoch zwei metallische Netzwerke. Auch das Tränken metal!· lischer Skelette mit Fett, öl sowie mit wäßrigen Lösungen wurde bereits vorgeschlagen. Die dabei entstehenden Formkörper sind mit den erfindungsgemäß hergestellten Werkzeugen in keiner Weise vergleichbar.

Eine eigene Entwicklung, z. B. zur Herstellung von Warmarbeitswerkzeugen, geht von Werkstoffen aus, die wesentlich billiger sind als die bekannten Legierungen auf der Basis Nickel und Kobalt, und führte zu dem Ergebais, daß beispielsweise poröse Strangpreßmatrizen mit hohen Stickstoffgchalten (> 1%) aus chromhaltigen Stahlpulvern bei Strangpressen von Stahlrohren höhere Standzeiten und bessere Rohroberflächen erzielten als die bisher be.sien schmelzmetallurgisch hergestellten und porenfreien Stahlmatrizen, die in diesen Strangpressen üblicherweise verwendet werden Weitere Versuche unter anderen Preßbedingungen zeigten jedoch, daß in vielen Fällen neben einer guten Warmfestigkeit bei Temperaturen über 650 C auch die Festigkeit im tieferen Temperaturbereich bis zur Raumtemperatur von wesentlichem Einfluß auf die Haltbarkeit der Matrize ist.

Dem ernndungsgemäßen Verfahren liegt die Aufgabenstellung zugrunde, Werkzeuge herzustellen, die eine hohe Härte — und damit meist auch einen hohen Verschleißwiderstand — bei Temperaturen sowohl über 650 C als auch unter 650" C besitzen. Diese Eigenschaften besitzen die bisher bekannten Werkstoffe nur unvollkommen. So haben Werkzeugstähle und die heute in steigendem Maße eingesetzten martensitaushärtenden Stähle im Temperaturbereich bis etwa 550° C eine hohe Härte, die jedoch bei höheren Temperaturen stark abfällt Oberhalb 550^cC werden fast ausschließlich die meist austenitischen Sonderlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis eingesetzt.

Erfindungsgemäß werden Werkzeuge zum Verformen von Metallen bei höheren Temperaturen in Gestalt eines Preß- oder Walzdornes oder einer Strangpreßmatrize aus einem porösen, aus einer warmfesten Metallegierung erzeugten Skelettkörper mit einem durchgehenden Porennetzwerk gebildet, dessen Porenvolumen weniger als 50% beträgt und das mit einem nichtmetallischen anorganischen Werkstoff voll ausgefüllt ist, der bei Temperaturen unterhalb 650'C bei hoher Härte im wesentlichen unverformbar ist. Die im unteren Temperaturbereich vorwiegend von dem nichtmetallischen Anteil und die im oberen Temperaturbereich vorwiegend von dem metallischen An- ■ teil bestimmten Eigenschaften des Skelettkörpers — z. B. Härte, Festigkeit, Verschleißwiderstand —werden durch die stofflichen Zusammensetzungen, die Mengen und die Form der Verteilung der Anteile bestimmt.

Das Werkzeug zum Verformen von Metallen bei höheren Temperaturen in Gestalt eines Preß- oder Walzdornes oder einer Strangpreßmatrize kann aus einem porösen, aus einer warmfesten Metallegierung erzeugten Skelettkörper mit einem durchgehenden Porennetzwerk gebildet sein, dessen Porenvolumen weniger als 5O°/o beträgt und das mit einem nichtmetallischen organischen Werkstoff, der bei Temperaturen unterhalb 65O⁰C bei hoher Härte unverformbar ist, derart ausgefüllt ist, daß nur die Zonen des Werkzeuges, die mit dem zu bearbeitenden Werkstoff in Berührung kommen, in einer Tiefe von etwa 5 bis 10 mm getränkt sind, während der restliche Teil des Werkzeuges eine relative Dichte von 90% und darüber aufweist.

Das Porenvolumen beträgt vorzugsweise 20 bis 30%.

Beispielsweise kann die Metallegierung aus kleinen Teilchen beliebiger Form, z. B. Pulver, Granalien, Späne und Fasern, bestehen, wobei als Werkstoff eine warmfeste Stahllegierung gemäß folgender Tabelle benutzt wird:

Tabelle a

	Zusammensetzung	Beispiel ··
Kohlenstoff	max. 0,5 0,2 bis 2,0 0,3 bis 15 10 bis 25	0,05 1,4 0,6 13
Silizium	4 bis 20	13
Mangan	bis 10 bis 2	1,4 1
Chrom
Nickel
Wolfram
Vanadin

Eventuelle weitere, die Warmfestigkeit erhöhende Elemente, wie

Niob

Molybdän

Bor und Zirkonium
jeweils

Rest Eisen

bis
bis

0,03

Rest Eisen

Als Werkstoff kommt auch eine chromhaltige Stahllegierung in Betracht, die einen hohen Stickstoffgehalt aufweist, entsprechend der folgenden Tabelle b:

Tabelle b

	Zusammensetzung \	Beispiel " (I
Kohlenstoff Silizium	max. 0,5 0,2 bis 2,0 0,3 bis 15 10 bis 25 4 bis 20 bis 10 bis 2	• 0,02 . 0,7 1,3 25 13,5 3,3
Mangan	0,2 bis 3,0	1,62 Rest Eisen
Chrom
Nickel
Wolfram
Vanadin
Stickstoff...
Rest Eisen

Eine weitere Möglichkeit besteht, eine warmfeste Nickellegierung etwa gemäß der folgenden Tabelle c:

Tabelle c

Kohlenstoff. Silizium Mangan

Chrom

Molybdän Wolfram Kobalt

Zusammensetzung

<0,3 bis 2
bis 4,0

bis 22

bis 20
bis 8

bis 18

Beispiel

0,2

0,35

0,7

17

17,5 4,2

Fortsetzung

	jedoch	Zusammensetzung	4 5 20 40	Beispiel ».
Titan	bis bis bis
Aluminium Eisen ....
Rest Nickel mindestens	3 57

oder eine warmfeste Kobaltlegierung etwa gemäß der Tabelle d zu verwenden.

Tabelle d

Kohlenstoff

Silizium

Mangan

Chrom

Nickel

Wolfram

Molybdän

Niob

Eisen

gegebenenfalls Stickstoff

Rest Kobalt
mindestens jedoch ...

Zusammensetzung

< 0,60

bis 1
0,5 bis 3
10 bis 22
bis 20
bis 15
bis 4
bis 4
bis 4

Beispiel

0,55

0,7

2,4
21
11,5
15

Rest

44

Die Herstellung des Skelettkörpers erfolgt in bekannter Weise. Die Metallteilchen werden meist in eine Form geschüttet und mehr oder weniger stark verdichtet. Im Anschluß an die Formgebung ist im allgemeinen eine Sinterung zweckmäßig, um die Mctalltcilchcn miteinander zu verbinden. Mit der Sinterung verbunden oder getrennt davon kann eine Behandlung der porösen Skeletlkörper durchgeführt werden, um die Warmfestigkeit zu erhöhen, z. B. Aufkohlung, Nitrierung, Kaltverformung. So ist es in vielen Fällen, wie noch an einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt wird, zweckmäßig, die Metalltcilchcn in weichem Zustand zu verdichten und später dem Skclettkörpcr eine höhere Härte zu geben. Die relative Dichte der Skelettkörper ist in einem großen Bereich variabel und reicht von etwa 4% (bei Verwendung von Spänen) bis etwa 90%. Sie beträgt vorzugsweise 60 bis 85%.

Die Füllung des Porennetzwerkes in dem metallischen Skelettkörper und damit die Erzeugung des zweiten Netzwerkes erfolgt durch Tränken oder Inliltriercn. Dies kann in Verbindung mit einem Glühvorgang, z. B. Sintern des Grundkörpers, oder in einem getrennten Vorgang erfolgen. Das zum überwiegenden Teil schmelzflüssige Tränkmittel besitzt entweder die endgültige Zusammensetzung oder ist ein Vorprodukt, das mit dem Grundkörper chemisch reagiert und so die Endzusammensclzung des zweiten nichtmetallischen, anorganischen Netzwerkes ergibt. Als Tränkmittel haben sich vor allem Silikate (Wasser-Jilas, Gläser, Email) bewährt. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Salze verwendbar, wie z. B. Chloride und Aluminate. Außerdem ist als Tränkmittel auch eine Schmelze eines Metalls oder einer Metallegierung, L· B. Aluminium, Magnesium, Al-Si, Al-Ti, anwendbar. Die Metalle werden vor der Verwendung des Formkörpers in den Poren des Skeleitkörpers in nichtmetallische Verbindungen umgewandelt, z. B. Karbide, Oxyde, Nitride. Die dazu benötigten Reaktionsstoffe, z.B. Kohlenstoff, Sauerstoff und/oder

ίο Stickstoff, müssen vorher entweder in den Metallteilchen des Skelettkörpers vorhanden sein, z. B. Kohlenstoff, Stickstoff, oder an ihnen, z. B. Sauerstoff als Oxydhaut und/oder als aus einer wäßrigen Lösung abgeschiedenes Salz bzw. daraus entstandenes Oxyd.

Diese Einbeziehung eineis Reaktionsstoffes an den Metallteilchen des Skeletts ist auch bei der Tränkung mit einem Silikat anwendbar, z. B. um die Benetzung zu verbessern, die Viskosität beim Tränken zu erniedrigen oder um den Erweichungspunkt nach dem Tränken zu erhöhen.

Die Veiwcndüngsicmpcratur des Werkzeuge^ soll im allgemeinen unter dem Schmelzpunkt des nichtmetallischen Netzwerkes liegen. Sie kann jedoch für eine beschränkte Zeit auch darüber liegen, wenn die Festigkeitseigenschaften des warmfesten metallischen Netzwerkes ausreichen. In diesem Fall bewirken die Schmelzwärme und die verbesserte Wärmeleitung einen guten Entzug und/oder Abfluß der Wärme von der wärmebeaufschlagten Oberfläche. Das nichtmelallische Netzwerk soll bei der späteren Verwendung weder mit den diesen: berührenden Stoffen stark reagieren noch aus den Poren des metallischen Skeletts entfernt werden.

Das folgende Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren erläutern.

Als Beispiel wird die Herstellung einer Matrize zum Strangpressen von Stahlblöcken zu Rohren beschrieben. Ein 24/14 Cr/Ni-StahTpulver oder grobe Sägespäne etwa gleicher Zusammensetzung wurden zu einem kreisringförmigen Formkörper mit einer relativen Dichte von etwa 70% verdichtet, gesintert und auf einen Stickstoffgehalt von über I % aufgestickt. Das Gefüge bestand nun fast völlig aus sogenanntem »unechtem Stickstoffperlit«, einer feinlamellaren Schichtung aus Chromnitrid (Cr₂N) und austenitischer Grundmasse. Es besitzt eine gute Warmfestigkeit. Dieser Skelettkörper wurde in einem Vakuumofen über dem Tränkmedium hängend mit diesem gleichzeitig auf 1000 bis 1050⁰C in Stickstoffatmosphäre (etwa 600 Torr) erhitzt. Als Tränkmedium wurde ein Silikat (Wasserglas) mit einer bei dieser Temperatur ausreichend niedrigen Viskosität verwendet. Anschließend erfolgte das Evakuieren des Ofens, das Eintauchen der Skelettkörper in die Schmelze und das Füllen des Ofens mit Stickstoff (etwa 700 Torr). Nach einer Tauchzeit von etwa 10 Minuten wurde die Matrize wieder aus der Schmelze herausgezogen. Das Abschalten der Ofenheizung erfolgte nach weiteren IO Minuten.

Für bestimmte Anwendungen erwies es sich als zweckmäßig, nur die mit dem Strangpreßwerkstoff und dem Schmiermittel in Berührung kommende Zone der Matrize in einer Tiefe von etwa 5 bis 10 mm zu tränken. Dies wurde dadurch erreicht, daß der übrige Teil der Matrize vor dem Tränken warm auf eine relative Dichte von über 90%, vorzugsweise auf 95% und mehr, verdichtet wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Werkzeug, das pulvermetallurgisch durch Pressen und anschließendes Sintern hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug zum Verformen von Metallen bei höheren Temperaturen, in Gestalt eines Preß- oder WaIzdornes oder einer Strangpreßmatrize, aus einem porösen, aus einer warmfesten Metallegierung erzeugten Skelettkörper mit einem durchgehenden Porennetzwerk gebildet ist, dessen Porenvolumen weniger als 50% beträgt und das mit einem nichtmetallischen Werkstoff voll ausgefüllt ist, der bei Temperaturen unterhalb 650° C bei hoher Härte u η verformbar ist.

"2. Werkzeug, das pulvermetallurgisch durch Pressen und anschließendes Sintern hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug zum Verformen von Metallen hei höheren Temperaturen in Gestalt eines Preß- oder Walzdornes oder einer Strangpreßmalrize aus einem porösen, aus einer warmfesten Metallegierung erzeugten Skelettkörper mit einem durchgehenden Porennetzwerk gebildet ist, dessen Porenvolumen weniger als 50"/o beträgt, und daß mit einem nichtmetallischen organischen Werkstoff, der bei Temperaturen unterhalb 650' C bei hoher Härte unverformbar ist, derart ausgefüllt ist, daß nur die Zonen des Werkzeuges, die mit dem zu bearbeitenden Werkstoff in Berührung kommen, in einer Tiefe von etwa 5 bis 10 mm getränkt sind, während der restliche Teil des Werkzeuges eine relative Dichte von 90% und darüber aufweist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Porenvolumen 20 bis 30% beträgt.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 mit der Maßgabe, daß die Metallegierung aus max. 0,5% C, 0,2 bis 2,0%> Si, 0,3 bis 15% Mn, 10 bis 25% Cr, 4 bis 20% Ni, bis 10% W, bis 2% V, eventuell bis 2% Nb, bis 3% Mo, 0,03% B₁ 0,03% Zr, Rest Fe, besteht.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 mit der Maßgabe, daß die Metallegierung aus max. 0,5% C, 0,2 bis 2,0% Si, 0,3 bis 15% Mn, 10 bis 25% Cr, 4 bis 20% Ni, bis 10% W bis 2% V, 0,2 bis 3,0% N, Rest Fe, besteht.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 mit der Maßgabe, daß die Metallegierung aus weniger als 0,3% C, bis 2% Si, bis 4,0% Mn, bis 22% Cr, bis 20% Mo, bis 8% W, bis 18%, Co, bis 4% Ti, bis 5% Al, bis 20% Fe, Rest Ni, mindestens jedoch 40%, besteht.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 mit der Maßgabe, daß die Metallegierung aus weniger als 0,60% C, bis 1 % Si, 0,5 bis 3 % Mn, 10 bis 22% Cr, 10 bis 20% Ni, bis 15% W, bis 4% Mo, bis 4% Nb, bis 4% Fe, gegebenenfalls N₁ Rest Co₁ mindestens jedoch 22%, besteht.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Porennetzwerk des metallischen Skelettkörpers durch Tränken mit einer Silikat- oder Salzschmelze ausgefüllt ist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Porennetzwerk des metallischen Skelettkörpers durch Tränken mit einem Metall oder einer Legierung mit hoher

Affinität zu einem oder mehreren der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff ausgefüllt ist und das Metall oder die Legierung durch eine Glühbehandlung in entsprechende Karbide, Oxyde oder Nitride übergeführt ist.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Porennetzwerk des metallischen Skelettkörpers durch Tränken mit einem oder mehreren der Metalle oder Legierungen Aluminium, Magnesium, Aluminium-Silizium oder Alu ■ minium-Titan ausgefüllt und durch Glühbehandlung in Karbide, Oxyde oder Nitride übergeführt ist.

11. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Karbide, Oxyde oder Nitride durch Reaktion mit Bestandteilen und/oder Überzügen auf dem Netzwerk des warmfesten Skelettkörpers gebildet sind.