DE29807800U1 - Strangpreßwerkzeug - Google Patents

Description

HlEBSCH PEEGE ·*&zgr; &Egr;·&EEgr; $ &Ngr;$ $$«£1.1^..· *·\ patentanwäTte

EUROPEAN PATENT AND TRADEMARK ATTORNEYS

Antrag auf Eintragung eines Gebrauchsmusters

Unser Zeichen:

W200DE8 H/ke

(31) Prioritätsnummer I Priority Application Number:

1} 197 39 631.3 2} 198 05 746.6

(32) Prioritätstag / Priority Date:

1) 10.09.1997 2} 12.02.1998

(33) Prioritätslan d / Priority Country:

1} + 2) Deutschland

(54) Titel/Title:

Strangpreßwerkzeug,

(71) Anmelder/in / Applicant:

WEFA

Werkzeugfabrik Singen GmbH Gottlieb-Daimler-Str.

7«224 Singen Deutschland

(74) Vertreter / Agent:

Dipl.-Ing. Gerhard F. Hiebsch Dipl.-Ing. Dr. oec. Niels Behrmann Heinrich-Weber-Platz

78224 Singen

Mündliche Vereinbarungen bedürfen zu ihrer Wirksamkeit schriftlicher Bestätigung.

Parken im Hause (Einfahrt: Freiheitstraße)

B O D E N S E E P A T E N T ^&phgr;

W200DE8 - 1 -

Stranqpreßwerkzeuq

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strangpreßwerkzeug - insbesondere eine scheibenartige Preßmatrize mit zumindest einem Formgebungsdurchbruch zum Strangpressen von Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung -- aus einem Stahlwerkstoff mit Oberflächenbeschichtung.

Die Härte -- beispielsweise zum Herstellen von Aluminiumprofilen verwendeter -- herkömmlicher Preßwerkzeuge ist für den industriellen Einsatz oftmals :nicht ausreichend, um eine befriedigende Verschleißfestigkeit und damit wirtschaftlich sinnvolle Standzeiten zu erreichen. Aus diesem Grund werden solche Strangpreßwerkzeuge mit bekannten Härtungsverfahren gehärtet.

Aus Warmarbeitsstählen hergestellte Strangpreßwerkzeuge werden gängigerweise nach der spanenden Fertigung auf etwa 46 bis 50 HRC gehärtet und dann durch Schleifen, Senk- und Drahterodieren fertiggestellt; üblicherweise erfolgt dann eine Erprobung des Werkzeuges im Aluminiumpreßwerk und -falls notwendig -- eine Korrektur. Ist dann ein Strangpreßwerkzeug preßfertig, wird es in der vorbeschriebenen Weise durch Nitrieren auf eine Oberflächenhärte von etwa 1000 HV gebracht; die Praxis hat gezeigt, daß dieser Härtewert im praktischen Einsatz einen hinreichenden Verschleißschutz bietet.

Zu den bekannten Nitrierverfahren gehört das Salzbad-Nitrieren mit Hilfe von Zyanidsalzen. Edeses Verfahren bringt jedoch beträchtliche Umweltprobleme, so daß dessen industrielle Zukunft fraglich ist. Das Nitrieren mittels Gas besitzt den Nachteil, daß die entstehende Härtungsschicht relativ dick ist und dadurch nur eine begrenzte Zähigkeit besitzt. Schließlich gibt es die Möglichkeit des Plasma-Nitrierens, wobei dieses Verfahren sich jedoch ins-

besondere für Werkzeuge mit dünnen Schlitzen als Durchbrüchen nicht eignet.

Den bekannten Härtungsverfahren durch Nitrieren ist zudem der Nachteil gemeinsam, daß mit zunehmender Temperatur die Härtungsschicht abdiffundiert; bei einer Temperatur von etwa 500° C ist beispielsweise eine durch Salzbad-Nitrieren erreichte Schicht nach etwa fünfzehn Stunden nicht mehr vorhanden.

Ist dann im Preßbetrieb die Nitrierschicht durch Diffusion verschwunden, muß der Preßvorgang unterbrochen werden; das Werkzeug wird freigebeizt, gereinigt und neu nitriert. Bei häufigem Nachnitrieren nahe der Anlaßtemperatur des verwendeten Stahles sinkt außerdem dessen Härte und Grundfestigkeit kontinuierlich ab, was zu vorzeitigem Ausfall führt. So liegt etwa bei dünnwandigen Werkzeugen die erreichbare Standzeit nur zwischen etwa 3 0 und 100 Pressungen, bevor ein erneutes -- kostenträchtiges -- Nachnitrieren notwendig wird.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Strangpreßwerkzeug zu schaffen, mit dem nicht nur ein wirksamer und dauerhafter Verschleißschutz -- und mithin eine deutlich verlängerte Standzeit -erreicht wird, sondern auch eine gute Eignung insbesondere für dünnwandige Werkzeuge. Die Herstellung soll auf einfache Weise und ohne Belastung der Umwelt durchgeführt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Schutzanspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß ist die Beschichtung des Strangpreßwerkzeuges aus einem Beschichtungswerkstoff gefertigt, der aus der Titankarbid, Titannitrid, Titanborid Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Kombinationen von

W200DE8 - 3 -

diesen enthaltenden Gruppe ausgewählt ist; dieser Beschichtungswerkstoff ist durch ein CVD-Gasabscheidungsverfahren auf die Oberfläche des Strangpreßwerkzeuges aufgebracht worden, dessen Grundwerkstoff vor allem ein verzugsarmer Warmarbeitsstahl ist.

Das thermisch aktivierte CVD-Verfahren -- Chemical Vapour Deposition -- ist an sich für das Herstellen von Einkristallen, das Imprägnieren von Fasergerüsten mit Kohlenstoff oder Keramiken sowie allgemein für das Abscheiden von dünnen Schichten -- sei es durch Aufwachsen oder durch Diffundieren von Boriden, Karbiden, Nitriden, Oxiden --bekannt .

Das Streßpreßwerkzeug wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt:

spanendes Formen des Strangpreßwerkzeuges aus einem Stahlwerkstoff in die gewünschte Gestaltung;
Härten und Fertigbearbeiten des Strangpreßwerkzeuges;
Beschichten des geformten Stahlwerkstoffes an vorbestimmten Stellen mit wenigstens einem oben genannten Beschichtungswerkstoff mittels des sog. CVD-Verfahrens; Härten des beschichteten Stahlwerkstoffes.

Diese Vorgehensweise führt zu einer Verschleißschicht für das Strangpreßwerkzeug, die ohne weitere Nachbehandlungen die Standzeit des Werkzeugs selbst überdauert. Diese überraschende Eigenschaft entsteht dank der durch das CVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtung, die bei Temperaturen von bevorzugt mehr als 1000° C aufgebracht wird; die herkömmlichen Härtungsverfahren bleiber, grundsätzlich unterhalb Temperaturen von etwa 500 bis 600° C, also der Anlaßgrenze des verwendeten Stahlwerkstoffes.

Zwar erfordert das CVD-Beschichten das Härten des fertigen Werkzeuges nach dem Beschichtungsvorgang; jedoch durch genaue Kontrolle der Fließvorgänge in den Werkzeugen und die

W200DE8 - 4 -

erfindungsgemäße Auswahl besonders verzugsarmer Warmarbeitsstähle zur Realisierung der Erfindung wird in überraschender und nicht vorhersehbarer Weise diese Technologie beherrschbar und bringt herausragende Härte- sowie Verschleißfestigkeitseigenschaften .

Für die Beschichtung eignen sich -- wie bereits erwähnt -in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung insbesondere Titankarbid, Titannitrid, Titanborid, Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid sowie Silziumnitrid; je nach Werkstoff lassen sich Mikrohärten zwischen HV = etwa 2 000 und HV = etwa 4 000 erreichen. Besonders Titankarbid oder Aluminiumoxid weisen -- mittels des CVD-Verfahrens aufgebracht -- herausragende Zähigkeitseigenschaften auf, während beispielsweise Chromkarbid in besonderem Maße widerstandsfähig gegen abrasiven Verschleiß und wenig anfällig für Risse oder Poren ist. Insbesondere auch Titankarbid zeichnet sich zudem durch vorteilhafte Reibungseigenschaften aus.

Die direkte Abscheidung der genanntem Feststoffe aus der Gasphase bringt dem vorliegenden Anwendungsgebiet der Strangpreßmatrizen zahlreiche Vorteile, die neben Verschleißfestigkeit -- also lange Standzeit -- Härte und Zähigkeit bieten:

W200DE8 - 5 - -_#. .

• genaue und gleichmäßige Beschichtung, selbst von Werkzeugen mit komplizierter Form; durch das CVD-Prozessen inhärente Streuvermögen ist es insbesondere möglich, mit hoher Genauigkeit eine gleichmäßige Beschichtung aufzubringen;

• günstiges Verhältnis von Fehlerquoten und Werkzeugqualität; durch das gut beherrschbare CVD-Verfahren besteht beim erfindungsgemäßen Herstellen und Beschichten der Strangpreßmatrize beträchtliche Prozeßsicherheit und gute Reproduzierbarkeit, so daß mit geringstem Ausschuß qualitativ äußerst hochwertige Werkzeuge herstellbar sind;

• hohe Schichthaftung; dank des metallurgischen Charakters der Verbindung wird durch das CVD-Verfahren eine sehr gute Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung erreicht.

Für die erfindungsgemäßen Strangpreßmatrizen werden zähe, hochwarmfeste Stähle verwendet, die etwa mit Cr,Mo oder mit Wolfram legiert sind, und die beispielsweise durch ESU (Elektroschlacke-Umschmelzen) für hohe Zähigkeit erschmolzen sind.

Die vorerwähnten Beschichtungsmaterialien, beliebige Kombinationen von diesen, auch mehrschichtig, oder aber alternative, geeignete Werkstoffe, werden dann mittels eines CVD-Prozesses bei Temperaturen zwischen etwa 700 und etwa 1050° C für eine Dauer zwischen 5 und 6 Stunden abgeschieden.

Das so erzeugte Werkzeug wird nach diesem Beschichtungsvorgang erneut gehärtet.

W200DE8 - 6 -

Bevorzugt ist auch die verwendete Stahllegierung so gewählt, daß durch den mit dem CVD-Beschichtungsprozeß verbundenen Temperaturanstieg kein wesentlicher Verzug auftritt. Als zur Erfindung gehörig ist zudem anzusehen, daß ein allfälliger Verzug bereits bei der Konstruktion des Werkzeuges aufgrund des erwarteten Fließverhaltens des Werkstoffes einbezogen wird.

Entsprechendes gilt für das konkrete Strangpressen -- etwa von Aluminiumprofilen -- mit Hilfe eines derartigen, erfindungsgemäß hergestellten Werkzeuges. Hier ist es als von der Erfindung mitumfaßt anzusehen, daß auch das Fließverhalten des Aluminiums berücksichtigt wird und als solches in Gestaltung und Härtung der Strangpreßmatrize eingeht. Dabei ist es besonders bevorzugt, eine Berücksichtigung dieses Fließverhaltens im Wege einer voraufgehenden Simulationsrechnung vorzunehmen.

Im Ergebnis wird dann nicht nur eine beträchtlich erhöhte Standzeit erreicht; auch eine Wartung der Werkzeuge, wie eingangs geschrieben, ist praktisch nicht mehr notwendig. Darüber hinaus wird vorteilhaft durch die mittels des erfindungsgemäßen CVD-Verfahrens aufgebrachten Beschichtungswerkstoff e eine geringere Reibung erreicht, wodurch die Verarbeitungs- bzw. Preßgeschwindigkeit der Strangpreßmatrize wird und eine bessere Profilqua.lität möglich wird.

W200DE8 - 7 -

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; deren einzige Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung 10 zum Strangpressen von Profilen.

Eine Anlage zum Verarbeiten eines· Preßbolzens 12 aus Leichtmetall -- insbesondere aus einer Aluminiumlegierung - weist an einer ansonsten nicht dargestellten Presse einen Preßstempel 14 mit Preßscheibe 16 auf, der in Preßrichtung &khgr; in den Preßkanal 18 eines Rezipienten oder Aufnehmers 20 eingeschoben ist.

An der stempelfernen Mündung 15 des Preßkanals 14 findet sich in einem Werkzeughalter 22 ein Kammerwerkzeug 24 mit Werkzeugkragen 26 sowie einer in Preßrichtung &khgr; anschließenden -- etwa scheibenartigen -- Matrize 28. Letztee enthält einen zentrischen Formdurchbruch 30, der in Längsachse M der Vorrichtung 10 angeordnet ist und das freie Formende eines Dornes 32 aufnimmt.

An die freie Matrizenstirn 29 schließt in Preßrichtung &khgr; ein von einem Umfangsring 34 umgebener Zwischenring 36 an, zwischen dem und einem Querhaupt 40 eine Druckplatte 3 8 vorgesehen ist. Das in jenem Formdurchbruch 3 0 entstandene in der Zeichnung vernachlässigte -- Strangpreßprofil wird durch zentrische Durchbrüche 35,37,39 in dem Zwischenring 36 der Druckplatte 38 und dem Querhaupt 40 abgezogen.

Das Werkzeug 24,28,32 ist aus einem verzugsarmen Warmarbeitsstahl geformt sowie mit einer -- nach dessen spanabhebender Bearbeitung -- mit einer in der Zeichnung nicht erkennbaren Verschleißschicht versehen; dies erfolgt durch das an sich bekannte (Chemical Vapour Deposition) CVD-Verfahren bei über 1000⁰C. Das Werkzeug 24,28,32 wird zum Beschichten auf etwa 1000⁰C erwärmt und dann mit Titan-, Vanadium- oder Chromcarbid, mit Aluminiumoxid, Titan- oder Siliziumnitrid beschichtet.

W200DE8

Als CVD-Reaktionen werden chemische Reaktionen bezeichnet, bei denen die Ausgangsprodukte als Gase oder Dämpfe vorliegen, das Hauptprodukt als Festkörper ausgeschieden wird und die Nebenprodukte gasförmig sind. Beispielhaft sei hier die Bruttoreaktionsgleichung für Titannitrid nach dem Hochtemperatur-CVD-Verfahren dargestellt, worin
(g) = gasförmig sowie (s) = fest:

H₂

TiCl₄ (g) + 1/2N₂ (g) + 2 H₂ (g) -> TiN(s) + 4HCl (g)

850-1000⁰C.

Dabei wird das reduzierende Trägergas (H₂) im Überschuß zugegeben .

Anschließend erfolgt ein Härten des Grundwerkstoffes, nämlich das Abschrecken des Werkzeugstahles und dessen Anlassen, um hohe Härte zu erzielen.

Claims (9)

W200DE8 - 9 - .·::::: SCHUTZANSPRUCHE

1. Strangpreßwerkzeug, insbesondere scheibenartige Preßmatrize mit zumindest einem Formgebungsdurchbruch zum Strangpressen von Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aus einem Stahlwerkstoff mit einer Oberflächenbeschichtung,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Beschichtung des Strangpreßwerkzeuges (24,28,32) aus Beschichtungswerkstoff gefertigt ist, der aus der Karbide, Nitride, Oxide und Kombinationen von diesen Stoffen enthaltenden Gruppe ausgewählt ist, wobei der Beschichtungswerkstoff durch ein CVD-Abscheideverfahren auf das Strangpreßwerkzeug aufgebracht ist .

2. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß sein Grundwerkstoff ein verzugsarmer Warmarbeitsstahl ist.

3. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungswerkstoff aus der Titankarbid, Titannitrid oder Titanborid und Kombinationen davon enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungswerkstoff aus der Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Kombinationen davon enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

W200DE8 - &iacgr;&ogr; - .·:::::. : :·..*

5. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Beschichtungswerkstoff aus oder mit Titan-, Vanadium- und/oder Chromkarbid.

6. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Beschichtungswerkstoff aus oder mit Titan- und/oder Siliziumnitrid.

7. Stranpreßwerkzeug nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Aluminiumoxid als Beschichtungswerkstoff.

8. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 4, gekennzeichnt durch Titanborid als Beschichtungswerkstoff.

9. Strangpreßwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Strangpreßwerkzeug aus einem Stahlwerkstoff nach dem Beschichten des geformten Stahlwerkstoffes an vorbestimmten Stellen mit wenigstens einem karbidischen, nitridischen und/oder oxidischen Beschichtungswerkstoff mittels eines CVD-Verfahrens gehärtet ist.