DE60007085T2

DE60007085T2 - Gussformen und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE60007085T2
Application number: DE60007085T
Authority: DE
Inventors: Paul George Stoke-on-Trent YIASEMIDES; Robert Carlo Stoke-on-Trent MASELKOWSKI
Original assignee: British Ceramic Research Ltd
Current assignee: British Ceramic Research Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: AU2681200A; ATE255996T1; DE60007085D1; DK1154886T3; EP1154886A1; GB9904205D0; JP2002537151A; PT1154886E; EP1154886B1; ES2208277T3; WO2000050209A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Giessformen sowie auf ein Verfahren zum Herstellen von Giessformen.
Bei einer Reihe von Nettoform-Herstellungsverfahren ist es von kritischer Wichtigkeit, Wärme so schnell wie möglich von und zu den Oberflächen einer Giessform, einer Matrize oder eines Kerns zu übertragen, die mit dem Material in Berührung sind, das zu einem Nettoform-Produkt geformt wird. Solche Verfahren enthalten Kunststoff-Spritzgiessen, Druckgiessen, Glasgiessen und Glasformen. Bei solchen Verfahren wird heisses Material im weichen oder flüssigen Zustand in eine Giessform gespritzt, welche die Gestalt des hergestellten Produktes bildet. Die Giessform kann zweiteilig oder mehrteilig und mit oder ohne Kerne sein.
Das Material wird auf eine Temperatur gekühlt, bei der es ohne Beschädigung der hergestellten Komponente handhabbar ist. Die Giessform wird dann geöffnet und die Komponente ausgestossen. Die Giessform wird dann geschlossen und ist für den nächsten Spritzzyklus bereit. Um die Zykluszeit zur Maximierung der Produktivität zu minimieren, ist es wichtig, das eingespritzte Material so schnell wie möglich zu kühlen. Das Kühlen muss räumlich gleichförmig erfolgen, um eine Verzerrung der Komponente nach dem Ausstossen zu vermeiden, da andernfalls ungleichmässige thermisch induzierte Spannungen in der Komponente auftreten könnten.
Unter dem Begriff "Giessform" wird in dieser Beschreibung verstanden, dass er eine Giessform, eine Matrize oder ein ähnliches Werkzeug bezeichnet, das in einem oder mehreren der obigen oder ähnlichen Verfahren verwendet werden kann.
Die EP 07116515A offenbart eine Giessform mit einem Grundkörper aus einem Material wie Kupfer mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit. Die Giessform hat auch eine Schicht aus einem Material wie Stahl mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit, jedoch mit einer hohen Hitzeschock-Beständigkeit und Abriebfestigkeit. Die Giessform wird hergestellt, indem man die Schicht auf den Grundkörper aufträgt und metallische Verbindungen dazwischen durch ein Hochdruck-Metalldiffusionsverfahren bei einer Temperatur zwischen 850 und 1200°C und einem Druck zwischen 250 und 2500 bar bildet.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Giessform bereitgestellt, wobei die Giessform aufweist: einen ersten Teil aus Stahl, wobei der erste Teil die Giessform-Oberfläche bildet; einen zweiten Teil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung; und einen dritten Teil aus Nickel, wobei der dritte Teil zwischen dem ersten und dem zweiten Teil eingebettet ist und in Form einer relativ dünnen Schicht vorliegt, wobei bei dem Verfahren der erste, der zweite und der dritte Teil zusammengebracht werden und einem heissen isostatischen Druck ausgesetzt werden, um metallische Verbindungen zwischen dem Nickel und dem Stahl bzw. dem Nickel und dem Kupfer zu bilden, wobei die Materialien des ersten, des zweiten und des dritten Teils während des heiss-isostatischen Pressens in einer ersten Form bleiben.
Vorzugsweise wird eine Verbund-Rohform auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten Teil erzeugt, woraufhin zumindest das Material des ersten Teils maschinell bearbeitet wird, um eine Giessform herzustellen, die bevorzugt im wesentlichen poliert wird.
Das Pressen kann in einem abgedichteten Behälter stattfinden, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400 bis 1350°C und bevorzugt bei einem Druck von 400 bis 3000 bar. Vorzugsweise wird der abgedichtete Behälter vor dem Pressen im wesentlichen von Fluiden befreit.
Der dritte Teil wird vorzugsweise auf den ersten oder den zweiten Teil durch galvanische Oberflächenbehandlung bzw. Elektroplattieren aufgetragen. Alternativ kann der dritte Teil als Folie bereitgestellt werden oder durch stromlose Abscheidung aufgetragen werden.
Die Giessform kann vor und/oder nach der maschinellen Bearbeitung wärmebehandelt werden.
Der zweite Teil kann durch maschinelle Bearbeitung hergestellt werden.
Dort, wo der zweite Teil in Form eines oder mehrerer Einsätze vorliegt, die in einem oder mehreren Hohlräumen in dem ersten Teil angeordnet werden können, kann der zweite Teil gebildet werden, indem man den oder jeden Hohlraum in dem ersten Teil mit dem zweiten Material in Pulverform füllt, wobei das Pulver während des heiss-isostatischen Pressens den zweiten Teil bildet.
Alternativ kann der zweite Teil in dem oder in jedem Hohlraum in dem ersten Teil gegossen werden.
Wenn ein Verfahren gemäss dem einen oder dem anderen der obigen Absätze verwendet wird, werden die Wände des oder jedes Hohlraums anfänglich mit einer Schicht aus dem dritten Material überzogen, wobei der Überzug vorzugsweise eine Dicke von mehr als 25 μm hat.
Dort, wo der erste Teil in Form einer Schicht mit im wesentlichen konstanter Dicke vorliegt, wird die Unterseite (von der Giessform abgewandte Fläche) des ersten Teils aus einem Block des ersten Materials durch maschinelle Bearbeitung gefertigt. Der zweite Teil wird anschliessend bevorzugt an der Unterseite des ersten Teils angebracht.
Das zweite Material kann gebildet werden, indem man das zweite Material in Pulverform auf dem ersten Teil anordnet, wobei der dritte Teil schon darauf angeordnet ist und wobei das Pulver während des heiss-isostatischen Pressens den zweiten Teil bildet.
Sobald der zweite Teil gebildet worden ist und mit der Unterseite der Giessform-Fläche des ersten Teils verbunden worden ist, wird der erste Teil vorzugsweise durch maschinelle Bearbeitung gebildet.
Der erste Teil kann durch heiss-isostatisches Pressen von pulverförmigem Stahl gebildet werden. Das Pulver kann an einer Formvorrichtung angeordnet werden, wobei die Formvorrichtung durch rasche Prototypenherstellung (Rapid Prototyping) hergestellt wird. Der erste Teil kann als Schicht zwischen zwei Formvorrichtungen ausgebildet werden.
Die Formvorrichtung kann aus Stahl, Graphit oder Keramik bestehen. Diese Materialien können aus einem Festkörper maschinell hergestellt werden, aus Pulver gesintert werden oder gegossen werden.
Der erste Teil kann hergestellt werden, indem man einen Stahlblock bis zu einer Tiefe maschinell bearbeitet, welche der endgültigen Dicke des ersten Teils unterhalb dieser letztendlichen Giessform-Fläche entspricht. Der Basisteil bzw. zweite Teil wird so gebildet, dass er der Gestalt der maschinell bearbeiteten Oberfläche des Blocks aus dem ersten Material entspricht, wobei ein durchgehender Schlitz in die Oberfläche des zweiten Teils maschinell eingearbeitet wird und wobei der dritte Teil zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil bereitgestellt wird; und der dritte Teil anschliessend maschinell bearbeitet wird, um die Giessform-Fläche zu erzeugen.
Die Schlitze können mit Rohren ausgekleidet werden, wobei es sich vorzugsweise um Rohre handelt, die sich während des heiss-isostatischen Pressens ausdehnen, um die Schlitze auszufüllen. Alternativ können die Rohre mit einem Opferpulver, wie z. B. Graphit, gefüllt werden, das anschliessend entfernt wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Giessform bereitgestellt, welche aufweist: einen ersten Teil aus Stahl, wobei der erste Teil die Giessform-Oberfläche bildet; einen zweiten Teil aus Kupfer oder eine Kupferlegierung; und einen dritten Teil aus Nickel, wobei der dritte Teil zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eingebettet ist und in Form einer relativ dünnen Schicht vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform mittels eines Verfahrens hergestellt wird, bei dem der erste, der zweite und der dritte Teil zusammengebracht werden und einem heissen isostatischen Druck ausgesetzt werden, μm Metallverbindungen zwischen dem Nickel und dem Stahl bzw. dem Nickel und dem Kupfer zu bilden, wobei die Materialien des ersten Teils, des zweiten Teils und des dritten Teils während des heiss-isostatischen Pressens in einer festen Form verbleiben.
Das erste Material umfasst vorzugsweise Stahl, vorzugsweise einen Werkzeugstahl, einen Matrizenstahl oder einen Formstahl, und kann ein durchhärtbarer, ein vorgehärteter, ein einsatzhärtbarer, ein korrosionsbeständiger oder ein martensit aushärtender Stahl sein. Typische Beispiele wären H13 und AISI420.
Das zweite Material kann eine Kupferlegierung aufweisen, die eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 60 Wm^–1Grad^–1 und vorzugsweise von mehr als 100 Wm^–1Grad^–1 hat.
Der zweite Teil kann in Form eines oder mehrerer Einsätze vorliegen, die in einer oder mehreren Vertiefungen in dem ersten Teil angeordnet werden können.
Der erste Teil bildet vorzugsweise eine erforderliche minimale Materialdicke für die gesamte Giessform-Oberfläche, wobei diese Dicke 0,5 mm betragen kann.
Der dritte Teil kann in Form einer Beschichtung auf dem ersten oder dem zweiten Teil oder auf beiden vorliegen. Die Beschichtung ist vorzugsweise zwischen 2 und 200 μm dick, und wenn die Beschichtung durch Elektroplattieren bzw. galvanisches Abscheiden gebildet wird, ist sie vorzugsweise 5 bis 50 μm dick und im wesentlichen vorzugsweise 25 μm dick.
Es können Löcher vorgesehen sein, die sich durch mindestens den ersten Teil hindurch erstrecken, um zu ermöglichen, dass sich Auswerferstifte durch sie hindurch erstrecken zum Ausstossen von Gegenständen aus der Giessform, oder für Kernstifte oder Schieber.
Es können Durchtritte vorgesehen sein, die sich durch den ersten Teil und/oder den zweiten Teil hindurch erstrecken, um zu ermöglichen, dass sich die Fluide und/oder Heizelemente durch sie hindurch erstrecken. Vorzugsweise verläuft jeder Durchtritt nur durch Komponenten aus dem ersten Material oder aus dem zweiten Material, nicht jedoch aus beiden. Es kann ein Einsatz aus dem ersten Material in dem zweiten Teil vorgesehen sein, um einen Durchtritt von dem ersten Teil aufzunehmen, oder umgekehrt.
Die Giessform kann eine Anzahl zusammenwirkender Teile aufweisen, wobei jeder zusammenwirkende Teil ein erfindungsgemässer Teil ist.
Der erste Teil kann aus zwei Abschnitten bestehen, nämlich einem ersten Abschnitt, der die Giessform-Oberfläche bestimmt, und einem zweiten äusseren Abschnitt. Der zweite Abschnitt kann aus einem anderen Material oder einem Material anderer Beschaffenheit als der erste Abschnitt bestehen.
Es können Einsatzglieder in dem zweiten Teil vorgesehen sein. Die Einsatzglieder bestehen vorzugsweise aus Stahl. Der erste Teil kann in Form einer Schicht mit allgemein konstanter Dicke auf dem zweiten Glied vorliegen, wobei die Dicke 1 bis 8 mm dick sein kann.
Der Abschnitt des ersten Teils, der dem zweiten Teil zugewandt ist, und/oder der Abschnitt des zweiten Teils, der dem ersten Teil zugewandt ist, hat bzw. haben eine relativ grosse Oberfläche. Es können Formationen auf dem zugewandten oder den zugewandten Teilen vorgesehen sein, um die Oberfläche zu vergrössern, wobei diese Formationen Sägezähne, Rillen oder Rippen aufweisen können. Vorzugsweise sind entsprechende ineinander eingreifende Formationen auf dem ersten Teil und dem zweiten Teil vorgesehen.
Es können Kanäle in der oberen Fläche des zweiten Teils vorgesehen sein, wobei die Fläche mit dem dritten Teil in Eingriff ist und die Kanäle so ausgelegt sind, dass sie Kühlfluide und/oder Heizelemente in ihnen enthalten können.
Die Kanäle haben vorzugsweise eine Breite und eine Tiefe zwischen 2 und 10 mm.
Die Kanäle sind vorzugsweise mit Rohren ausgekleidet. Die Rohre können aus Nickel bestehen. Alternativ können die Rohre aus Kupfer oder rostfreiem Stahl bestehen, wobei sie an ihrer Aussenseite vorzugsweise mit einer Nickel-Beschichtung ausgestattet sind.
Es werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand eines nicht einschränkend aufzufassenden Beispiels und unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, wobei:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemässen Giessform ist; und
2 bis 12 ähnliche seitliche Querschnittsansichten anderer erfindungsgemässer Giessformen während der Bildung zeigt.
1 zeigt eine Giessform 10, die einen Block 12 aus Werkzeugstahl aufweist. Die obere Fläche 14 des Blocks 12 wurde maschinell bearbeitet, um einen erforderlichen Umriss (Kontur) zu erzeugen, um einen Giessform-Hohlraum mit anderen deratigen Giessformen zu bilden. Es sind drei Vertiefungen 16, 18, 20 an der unteren Fläche des Blocks 12 vorgesehen, die sich jeweils über denselben kurzen Abstand von ihrem Oberteil aus erstrekken. Entsprechend geformte jeweilige Einsätze 22, 24, 26 sind jeweils in den Vertiefungen 16, 18, 20 gleitend angeordnet. Die Einsätze 22, 24, 26 sind mit Nickel elektroplattiert bzw. galvanisiert, um auf ihnen eine Beschichtung mit einer Dicke von im wesentlichen 25 μm zu erzeugen.
Der Block 12 ist aus einem Werkzeugstahl H13 gebildet. Alternativen wären ein martensitaushärtender Stahl, P20, AISI420 oder andere Alternativen. Die Einsätze 22, 24, 26 sind aus Kupferlegierung C101 gebildet, könnten jedoch auch aus Kupfer oder Kupferchrom- oder Kupferzircon- oder Kupferchrom/Zircon-Legierungen ODS-Kupferlegierungen oder anderen hochleitfähigen Kupferlegierungen mit nickelhaltigen und berylliumhaltigen Legierungen bestehen.
Der Block 12 enthält auch zwei Durchgangslöcher 28 zur Aufnahme von Auswerferstiften, ein Loch 30 für gesonderte Kerne und einen schleifenartigen Kühlkanal 32. Um Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung unterschiedlicher Materialien und galvanische Korrosionseffekte zu vermeiden, ist es zweckmässig, dass Kühldurchtritte nicht durch die unterschiedlichen Materialien des Blocks 12 und der Einsätze 22, 24, 26 hindurchtreten. In Anbetracht dieser Tatsache ist ein unterer Teil 34 von diesem Einsatz 26, wie in der Zeichnung gezeigt, aus einem ähnlichen Stahl wie der Block 12 gebildet, und der Kanal 32 erstreckt sich durch ihn hindurch.
Die Giessform 40 von 2 ist ähnlich wie die Giessform 10 mit der Ausnahme, dass der Einsatz 26 nicht in zwei Teilen gebildet ist, weshalb das Verfahren und die Bildung hier gemeinsam beschrieben werden. Wie oben gezeigt, wird ein anfänglicher Block 12 genommen und maschinell bearbeitet, um die Vertiefungen 16, 18, 20 herzustellen. Die nickelbeschichteten Einsätze 22, 24, 26 werden in die Vertiefungen eingesetzt, und die Giessform 10 wird in einen Stahlkanister 42 gestellt und heiss-isostatisch gepresst. Dies bewirkt, dass der Nickel Metallverbindungen mit den Einsätzen 22, 24, 26 und insbesondere mit den umgebenden Oberflächen des Blocks 12 bildet, wodurch eine gute Verbindung zwischen den Einsätzen 22, 24, 26 und dem Block er zeugt wird. Nach dem Pressen wird die Oberfläche 14 maschinell bearbeitet und poliert.
Im Betrieb hat sich gezeigt, dass die Giessform 10 ein vorteilhaftes Verhalten zeigt, da die Einsätze 22, 24, 26 mit hoher thermischer Leitfähigkeit ein rasches Abkühlen der gegossenen Gegenstände ermöglichen. Die Nickel-Zwischenschicht ermöglicht eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen der Kupferlegierung und dem Stahl, und sie absorbiert Spannungen dazwischen sowohl während ihrer Bildung als auch bei ihrer Verwendung. Die Nikkelschicht bewirkt auch eine gute Wärmeübertragung dazwischen. Die Giessformen 10, 40 können in passender Weise für sämtliche der oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
3 zeigt eine Giessform 44, die im wesentlichen ähnlich wie die Giessformen 10, 40 ist, mit der Ausnahme, dass ein unterer Teil 46 des Blocks 12 aus einem Stahl geringerer Qualität besteht und somit weniger kostet.
Die Giessform 48 von 4 ist wiederum ähnlich mit der Ausnahme, dass eine Hauptbohrung 50 des Einsatzes 26 aus Stahl besteht, bei dem es sich um Werkzeugstahl und kohlenstoffarmen Stahl oder schwach legierten Stahl handeln kann. Dies verringert die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung und auch die Kosten, während dies eine bessere mechanische Festigkeit als ein vollständig aus Kupferlegierung bestehender Einsatz mit sich bringt.
Anstatt die Einsätze vorab zu formen könnte man Kupferlegierungs-Pulver in die Vertiefungen 16, 18, 20 bringen, die (unter Verwendung geeigneter Kanisteranordnungen) die Einsätze 22, 24, 26 während des heiss-isostatischen Pressens bilden können. Alternativ könnte die Kupferlegierung in die Vertiefungen 16, 18, 20 gegossen werden, um die Einsätze 22, 24, 26 zu bilden. In jedem dieser Fälle erfordern die Vertiefungen 16, 18, 20 eine anfängliche Auskleidung mit einer Schicht aus Nickel, die vorzugsweise dicker als 25 mm ist.
Anstatt Kupferlegierungs-Einsätze bereitzustellen, könnte eine Kupferlegierung unterhalb der gesamten Giessfläche 14 bereitgestellt werden. In 5 ist eine Giessform 53 mit einem massiven Block aus Kupferlegierung 54 unterhalb einer gleichförmig dicken Schicht 56 aus Stahl gezeigt. Die Giessform 52 wird gebildet, indem man den Stahlblock 12 und den Legierungsblock 54 entsprechend formt, so dass ihre Verbindung etwa 5 mm unterhalb der erforderlichen Giessfläche 14 beabstandet ist. Eine Schicht aus Nickel wird wiederum dazwischen angeordnet, und die beiden Blöcke 12, 54 werden durch heiss-isostatisches Pressen miteinander verbunden. Der Block 12 wird anschliessend maschinell bearbeitet und dann poliert, um die Giessoberfläche 14 zu erzeugen. Die Giessform 58 von 6 ist ähnlich mit der Ausnahme, dass ein unterer Teil 60 des Blocks 54 aus einem kostengünstigen Stahl gebildet ist, um die oben dargelegten Vorteile zu erzielen. Der Block 54 könnte in der Tat durch Giessen oder aus Pulver gebildet werden, wie oben dargelegt wurde.
7 zeigt eine Giessform 62, bei der Kühlkanäle in Form von Schlitzen 64 vorgesehen sind, die sich in einer oberen Fläche eines schwach legierten Stahlblocks 66 erstrecken. Die Schlitze 64 sind mit Rohren 68 ausgekleidet, die aus Nickel oder nickelbeschichtetem Kupfer bestehen und die sich während des heiss-isostatischen Pressens ausdehnen, um die Schlitze 64 im wesentlichen auszufüllen. Eine im wesentlichen gleichförmige Schicht 70 aus Stahl ist am Oberteil des Blocks 66 vorgesehen, um eine Giessoberfläche bzw. Giessfläche 14 zu erzeugen. Die Giessform 62 wird gebildet, indem man den Block 66 und einen Block 72 aus Werkzeugstahl formt, der anschliessend die Schicht 70 bildet, und diese mit einer Nickel-Zwischenschicht durch heiss- isostatisches Pressen miteinander verbindet. Der Grossteil des Blocks 72 wird dann durch maschinelle Bearbeietung entfernt, und die Schicht 70 bleibt übrig. Dies sorgt für Kühlkanäle unmittelbar unterhalb der Giessoberfläche, wodurch die Geschwindigkeit der Wärmebeseitigung beachtlich erhöht wird. Die Kanäle sind an die Form bzw. den Verlauf des Giess-Hohlraums angepasst und befinden sich bei einer gleichförmigen Tiefe von der Giessoberfläche, wodurch eine gleichmässige und gleichbleibende Kühlung erzeugt wird. Die verwendeten Rohre 68 sind vor dem Pressen biegsam und können daher mit einer grossen Reihe verschiedener Formen von Giessformen verwendet werden. Wenn Rohre einer Bauart verwendet werden, die während des Pressens kollabieren, so können diese mit einem Opferpulver, wie z. B. Graphitpulver, gefüllt werden, das anschliessend an der Luft oxidiert werden kann.
8 zeigt eine ähnliche Giessform 74 mit der Ausnahme, dass eine gleichmässig dicke Schicht aus Kupferlegierung 76 unterhalb der Schicht 70 der Giessform-Oberfläche und oberhalb des Blocks 66 vorgesehen ist. Die Schicht 76 kann durch irgendeines der oben beschriebenen Verfahren gebildet werden und wird mit dem Block 66 und der Schicht 70 durch eine Nickel-Zwischenschicht während des heiss-isostatischen Pressens metallurgisch verbunden.
Anstatt die Stahlteile der Giessformen maschinell zu bearbeiten, können diese auch durch heiss-isostatisches Pressen von Stahlpulver gebildet werden. 9 zeigt eine derartige Anordnung mit einer Metall-Formvorrichtung 78, die mit einer Diffusionsbarriere beschichtet ist, um eine Giessform 80 aus pulverisiertem Stahl zu bilden, der an ihr angeordnet wird und mittels eines massiven Basisglieds 82 eingeklemmt wird, das aus einer Kupferlegierung, Stahl oder anderweitigen Materialien be stehen kann, wobei eine Nickelschicht am Oberteil des Basisglieds 82 vorgesehen ist.
10 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der jedoch eine dünnere, im wesentlichen gleichmässig dicke Schicht 84 aus Werkzeugstahl gebildet wird. In diesem Fall hat das untere Basisglied 86 eine obere Konturoberfläche, um der Unterseite der Formvorrichtung 78 zu entsprechen. Ein Befüllungsloch 88 erstreckt sich durch das Basisglied 86, um das Anordnen pulverförmigen Materials zwischen der Formvorrichtung 78 und dem Glied 86 zu ermöglichen.
11 zeigt Kombinationen der obigen Anordnungen mit einer Giessform 90 mit einem Basisglied 92, das Schlitze 94 mit darin angeordneten Rohren 96 hat, um für eine Fluidkühlung zu sorgen, und mit einer Schicht 98 aus Werkzeugstahl darauf, um eine Giessfläche bzw. Giessoberfläche 14 zu bilden. Die Giessform 100 von 12 ist ähnlich wie die Giessform 90 mit der Ausnahme, dass unterhalb der Schicht 98 eine Schicht 102 aus Kupferlegierung vorgesehen ist und sich die Schlitze 94 durch die Schicht 102 erstrecken. Die Schicht 102 ist ungefähr 5 mm dick und kann auf dem Stahlrahmenglied 104 galvanisch abgeschieden werden. Alternativ kann die Schicht 102 durch maschinelle Bearbeitung oder Giessen gebildet werden. Es sind wiederum Nickel-Zwischenschichten vorgesehen, um eine gute Verbindung während des heiss-isostatischen Pressens zu gewährleisten.
Es wurden somit eine Anzahl von Giessformen und Verfahren zum Herstellen von Giessformen beschrieben, die gegenüber Anordnungen des Stands der Technik beachtliche Vorteile bieten. Verschiedene Abwandlungen können durchgeführt werden, ohne dass man den Schutzbereich der Erfindung verlässt. So kann es z. B. vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Werkzeugstahl oder dergleichen und der Kupferlegierung oder dergleichen eine grössere Oberfläche vorliegt. Dies kann erreicht werden, indem man zusammenwirkende Formationen, wie z. B. Rillen, Rippen, Sägezähne oder andere Formationen bereitstellt, um eine gute Wärmeübertragung zu erzeugen. Es könnten auch andere als die oben beschriebenen Formationen oder Merkmale vorgesehen werden.
Es könnten Heizelemente in zusätzlichen Kanälen vorgesehen werden. Man muss beachten, dass jegliche Kombination der obigen Merkmale erstellt werden kann, wenn es die Bedingungen diktieren. Dort, wo eine Formvorrichtung verwendet wird, könnte anstelle von Stahl oder einem anderen Metall Graphit oder eine giessbare Keramik verwendet werden. Im letzteren Fall ist dies besonders vorteilhaft, da die Formvorrichtung ohne weiteres gebildet werden kann und Materialien von ihr leicht entfernt werden können.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Giessform, wobei die Giessform (10, 40, 44, 46, 48, 52, 58, 62, 74, 80, 90, 100) aufweist: einen ersten Teil (12) aus Stahl, wobei der erste Teil (12) die Giessform-Oberfläche (14) bildet; einen zweiten Teil (22, 24, 26) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung; und einen dritten Teil aus Nickel, wobei der dritte Teil zwischen dem ersten und dem zweiten Teil eingebettet ist und in Form einer relativ dünnen Schicht vorliegt, wobei dem Verfahren der erste, der zweite und der dritte Teil zusammengebracht werden und einem heissen isostatischen Druck ausgesetzt werden, um metallische Verbindungen zwischem dem Nickel und dem Stahl bzw. dem Nickel und dem Kupfer zu bilden, wobei die Materialien des ersten, des zweiten und des dritten Teils während des heissen isostatischen Pressens in einer festen Form bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbund-Rohform auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten Teil erzeugt wird, woraufhin zumindest das Material des ersten Teils maschinell bearbeitet wird, um eine Giessform (40) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform (40) im wesentlichen poliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das heisse isostatische Pressen in einem abgedichteten Behälter stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem abgedichteten Behälter im wesentlichen Fluide vor dem Pressen entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das heisse isostatische Pressen bei einer Temperatur von 400 bis 1.350°C stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das heisse isostatische Pressen bei einer einem Druck von 400 bis 3.000 bar stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil auf den ersten Teil (12) oder den zweiten Teil (22, 24, 26) durch galvanische Oberflächenbehandlung bzw. Elektroplattieren aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil als Folie bereitgestellt wird oder durch stromlose Abscheidung aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und jedem davon abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform vor und/oder nach der maschinellen Bearbeitung wärmebehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil durch maschinelle Bearbeitung hergestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dort, wo der zweite Teil in Form eines oder mehrerer Einsätze (22, 24, 26) vorliegt, die in einem oder mehreren Hohlräumen (16, 18, 20) in dem ersten Teil (12) angeordnet werden können, der zweite Teil gebil det wird, indem man den oder jeden Hohlraum (16, 18, 20) in dem ersten Teil (12) mit dem zweiten Material in Pulverform füllt, wobei das Pulver während des heissen isostatischen Pressens den zweiten Teil (22, 24, 26) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dort, wo der zweite Teil (22, 24, 26) in Form einer oder mehrerer Folien bzw. Lagen vorliegt, die in einer oder mehreren Hohlräumen in dem ersten Teil angeordnet werden können, der zweite Teil (22, 24, 26) in dem oder jedem Hohlraum (16, 18, 20) in dem ersten Teil (12) gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des oder jedes Hohlraums (16, 18, 20) anfänglich mit einer Schicht aus dem dritten Material überzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug eine Dicke von mehr als 25 μm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dort, wo der erste Teil (12) in Form einer Schicht mit im wesentlichen konstanter Dicke vorliegt, die Unterseite (von der Giessform abgewandte Fläche) des ersten Teils (12) aus einem Stahlblock durch maschinelle Bearbeitung gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (54) im wesentlichen an der Unterseite des ersten Teils (12) angebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material gebildet wird, indem man das zweite Material in Pulverform auf dem ersten Teil (12) anordnet, wobei der dritte Teil schon darauf angeordnet ist und wobei das Pulver während des heissen isostatischen Pressens den zweiten Teil (54) bildet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald der zweite Teil (54) gebildet worden ist und mit der Unterseite der Giessform-Fläche des ersten Teils (12) verbunden worden ist, der erste Teil (12) durch maschinelle Bearbeitung gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (12) durch heisses isostatisches Pressen von pulverförmigem Stahl gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver an einer Formvorrichtung (78) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Formvorrichtung (78) durch rasche Prototypenherstellung (rapid prototyping) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (84) als Schicht (84) zwischen zwei Formvorrichtungen (78, 82) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil hergestellt wird, indem man einen Stahlblock bis zu einer Tiefe maschinell bearbeitet, welche der endgültigen Dicke des ersten Teils (70, 98) unterhalb dieser letztendlichen Giessform-Fläche entspricht; der zweite Teil (66, 92) so gebildet wird, dass er der Gestalt der maschinell bearbeiteten Oberfläche des Stahlblocks entspricht, wobei ein durchgehender Schlitz in die Oberfläche des zweiten Teils (66, 92) maschinell eingearbeitet wird und wobei der dritte Teil zwischen dem ersten Teil (70, 98) und dem zweiten Teil (66, 92) bereitgestellt wird; und der dritte Teil (70, 98) anschliessend maschinell bearbeitet wird, um die Giessform-Fläche (14) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (64, 94) mit Rohren (68, 96) ausgekleidet sind.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze mit Rohren (68, 96) ausgekleidet sind, die sich während des heissen isostatischen Pressens ausdehnen, um die Schlitze (64, 94) auszufüllen.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (68, 96) mit einem Opferpulver, wie z. B. Graphit, gefüllt werden, das anschliessend entfernt wird.
Giessform (10, 40, 44, 46, 48, 52, 58, 62, 74, 80, 90, 100), welche aufweist: einen ersten Teil (12) aus Stahl, wobei der erste Teil (12) die Giessform-Oberfläche (14) bildet; einen zweiten Teil (22, 24, 26) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung; und einen dritten Teil aus Nickel, wobei der dritte Teil zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eingebettet ist und in Form einer relativ dünnen Schicht vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform (10, 40, 44, 46, 48, 52, 58, 62, 74, 80, 90, 100) mittels eines Verfahrens hergestellt wird, bei dem der erste, der zweite und der dritte Teil zusammengebracht werden und einem heissen isostatischen Druck ausgesetzt werden, um Metallverbindungen zwischen dem Nickel und dem Stahl bzw. dem Nickel und dem Kupfer zu bilden, wobei die Materialien des ersten Teils, des zweiten Teils und des dritten Teils während des heissen isostatischen Pressens in einer festen Form verbleiben.
Giessform nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein Werkzeugstahl, ein Matrizenstahl oder ein Formstahl ist.
Giessform nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl ein durchhärtbarer, ein vorgehärteter, ein einsatzhärtbarer, ein korrosionsbeständiger oder ein martensitaushärtender Stahl ist.
Giessform nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material H13 oder AISI420 aufweist.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil aus einem Material besteht, welches eine Kupferlegierung aufweist, eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 60 Wm^–1grad^–1 aufweist.
Giessform nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leitfähigkeit grösser als 100 Wm^–1grad^–1 ist.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil in Form eines oder mehrerer Einsätze (22, 24, 26) vorliegt, die in einer oder mehreren Vertiefungen (16, 18, 20) in dem ersten Teil (12) angeordnet werden können.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (12) eine erforderliche minimale Materialdicke für die gesamte Giessform-Oberfläche (14) bildet.
Giessform nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche minimale Dicke 0,5 mm ist.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teil in Form einer Beschichtung auf dem ersten oder dem zweiten Teil oder auf beiden vorliegt.
Giessform nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zwischen 2 und 200 μm dick ist.
Giessform nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Elektroplattieren bzw. galvanisches Abscheiden gebildet wird und 5 bis 50 μm dick ist.
Giessform nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im wesentlichen 25 μm dick ist.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass Löcher (28) vorgesehen sind, die sich durch mindestens den ersten Teil hindurch erstrecken, um zu ermöglichen, dass sich Auswerferstifte durch sie hindurch erstrecken zum Ausstossen von Gegenständen aus der Giessform (10), oder für Kernstifte oder Schieber.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass Durchtritte (32) vorgesehen sind, die sich durch den ersten Teil (12) und/oder den zweiten Teil (22, 24, 26) hindurch erstrecken, um zu ermöglichen, dass sich die Fluide und/oder Heizelemente durch sie hindurch erstrecken.
Giessform nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Durchtritt (32) nur durch Komponenten aus Stahl oder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, nicht jedoch durch beide hindurchtritt.
Giessform nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einsatz (34) aus dem Material des ersten Teils in dem zweiten Teil (26) vorgesehen ist, um einen Durchtritt (32) von dem ersten Teil (12) aufzunehmen, oder umgekehrt.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessform eine Anzahl zusammenwirkender Teile aufweist, wobei jeder zusammenwirkende Teil ein erfindungsgemässer Teil ist.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (12) aus zwei Abschnitten besteht, nämlich einem ersten Abschnitt (12), der die Giessform-Oberfläche (14) bestimmt, und einem zweiten äusseren Abschnitt (46).
Giessform nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (46) aus einem anderen Material oder einem Material anderer Beschaffenheit als der erste Abschnitt (12) besteht.
Giessform nach einem der Ansprüche 45 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass Einsatzgleider (50) in dem zweiten Teil (26) vorgesehen sind.
Giessform nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzglieder (50) aus Stahl bestehen.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (12) in Form einer Schicht (46) mit allgemein konstanter Dicke auf einem zweiten Glied (54) vorliegt.
Giessform nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (46) 1 bis 8 mm dick ist.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des ersten Teils (12), der dem zweiten Teil zugewandt ist, und/oder der Abschnitt des zweiten Teils, der dem ersten Teil (12) zugewandt ist, eine relativ grosse Oberfläche hat bzw. haben.
Giessform nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass Formationen auf dem zugewandten Teil oder den zugewandten Teilen vorgesehen sind, um die Oberfläche zu vergrössern.
Giessform nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Formationen Sägezähne, Rillen oder Rippen aufweisen.
Giessform nach Anspruch 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende ineinander eingreifende Formationen auf dem ersten Teil und dem zweiten Teil vorgesehen sind.
Giessform nach einem der Ansprüche 28 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (64, 94) in der oberen Fläche des zweiten Teils (66, 92) vorgesehen sind, wobei die Fläche mit dem dritten Teil in Eingriff ist und die Kanäle (64, 94) so ausgelegt sind, dass sie Kühlfluide und/oder Heizelemente in ihnen enthalten können.
Giessform nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (64, 94) eine Breite und eine Tiefe zwischen 2 und 10 mm haben.
Giessform nach Anspruch 56 oder 57, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (64, 94) mit Rohren (68, 96) ausgekleidet sind.
Giessform nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (68, 96) aus Nickel bestehen.
Giessform nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (68, 96) aus Kupfer oder rostfreiem Stahl bestehen.
Giessform nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (68, 96) an ihren Aussenseite mit einer Nikkel-Beschichtung ausgestattet sind.