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Verfahren zur Herstellung von Gegenständen durch Giessen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Giessen von Werkzeugen aus Stählen, die gewöhnlichzur
Herstellung derartiger Werkzeuge verwendet werden, d. h. aus kohlenstoffreichen, hochlegierten Werk- zeugstählen, die gehärtet und angelassen werden können, und aus andern Stählen. Das Verfahren eignet sich zum Giessen der meisten Werkzeugarten, ist jedoch besonders nützlich beim Giessen von Einsatzwerk- zeugen, Rohlingenfür Werkzeuge, Fräsern und ähnliche Werkzeuge, die alle als unter den allgemeinen
Begriff" Werkzeuge" fallend angesehen werden.
Werkzeuge aus Werkzeugstahl werden gewöhnlich in der Weise hergestellt, dass sie aus stangen- oder stabförmigem Material geformt werden. Das ganze Verfahren besteht aus mehreren Stufen. Zunächst wird das Metall in einer Form gegossen, wobei ein Block erhalten wird. Der Block wird dann gewöhnlich warmverformt, entweder durch Schmieden oder durch Warmwalzen od. dgl., wobei der Knüppel oder der vorgewalzte Block vor der Verformung konditioniert wird. Nach dem Warmwalzen oder Schmieden können die erhaltenen Stangen beispielsweise geglüht, wärmebehandelt, gebeizt, spitzenlos geschliffen oder geschliffen und poliert oder ähnlichen Behandlungen unterworfen werden. Die Stangen, aus denen die Werkzeuge dann durch spangebende Verformung hergestellt werden, befinden sich im geglühten Zustand.
Durch Verdrehen, spitzenloses Schleifen oder Schleifen und Polieren werden die entkohlen Stellen teilweise oder vollständig entfernt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren gehen grosse Mengen Metall verloren und beträgt die normale Ausbeute von Stangenmaterial erster Güte, bezogen auf die Menge des in Blockform gegossenen Metalles, bei einem Stahl mit 120/0 Kobalt normalerweise nur etwa 40 - 450/0. Diese Verluste sind auf zahlreiche Ursachen zurückzuführen, beispielsweise auf das Schopfen des Blockes oder Knüppels zwecks Entfernung von Lunkern, damit die Verwendung von nur dichtem Metall gewährleistet ist, ferner auf Zunderungs-oder Oxydationsverluste infolge der Notwendigkeit der häufigen Zwischenerhitzung des Knüppels während seiner Verarbeitung zu einer Stange, wobei sich auf der Oberfläche Oxyde bilden, und Entkohlungsverluste,
wenn Kohlenstoff durch Oxydation von der Metalloberfläche entfernt wird und derart entkohlte Metallschichten beseitigt werden müssen.
Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt neigen nun infolge ihrer starken Wärmeschwindung während des Erstarrens besonders zur Lunkerbildung, insbesondere zur Sekundärlunkerbildung, so dass die Probleme der Zuführung und Schwierigkeiten, wie sie bei jedem Stahl auftreten, bei zunehmendem Gehalt an Kohlenstoff und Legierungselementen umso folgenschwerer werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Werkzeugstähle durch Umschmelzen von Stangenmaterial in Sand- oder Präzisionsguss zu verarbeiten. Derartige Gussstücke werden verwendet, wenn Teile von komplizierter Gestalt gebildet werden und die Kosten der spangebenden Verformung hoch sind oder wenn eine Stahlsorte verwendet wird, die nur schwer geschmiedet oder spangebend bearbeitet werden kann. Durch die Verwendung derartiger Gussstücke wird in vielen, aber nicht in allen Fällen die Nachbearbeitung herabgesetzt oder beseitigt. Die Methode ist jedoch nicht weit verbreitet und die gegossenen Werkzeuge, insbesondere wenn es sich um Schneidwerkzeuge handelt, werden im allgemeinen nur für Arbeiten verwendet, bei denen an die Werkzeuge keine besonders hohen Anforderungen gestellt werden.
Die Erfindung schafft nun ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen durch Giessen von schmelzflüssigem Metall in eine Form, in der es mit einer Zusammensetzung in Berührung kommt, deren
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Bestandteile bei der Temperatur des schmelzflüssigen Metalles exothermisch miteinander reagieren, und in der es bis zur Erstarrung abkühlen gelassen wird, das sich im wesentlichen dadurch kennzeichnet, dass zur Herstellung von Werkzeugen der flüssige Werkzeugstahl in eine Form vergossen wird, deren Innengestalt der endgültigenForm des Werkzeuges entspricht und deren Innenflächen zur Gänze mit einer exo- thermisch reagierenden Masse ausgekleidet sind und dass das Werkzeug nach der Entnahme aus der Giessform nur mehr in an sich bekannter Weise geglüht, gehärtet und/oder getempert und geschliffen wird.
Das aus der Form entnommene Metall hat die für das Werkzeug gewünschte Gestalt und braucht vor der Verwendung nur gehärtet, angelassen und geschliffen zu werden. Das Verfahren hat sich in der Praxis als billig und rationell erwiesen, und die erhaltenen Werkzeuge sind dicht und haben keine Schwindungfehler.
Infolge der langen Erstarrungsperiode sind die Werkzeuge ferner vollständig homogen und in allen Richtungen einheitlich und weisen nicht die zentrale Seigerung und die örtlichen Karbidansammlungen auf, wie sie sonst beim Giessen von Stählen der genannten Art gewöhnlich auftreten.
Bei Durchführung der Erfindung kann die Form so ausgebildet sein, dass sie ganz aus einer exothermischen Masse besteht oder eine Schicht aus einem feuerfesten Stoff, z. B. aus Sand od. dgl. aufweist, die ganz mit der exothermischen Masse ausgekleidet ist. Man kann auch nur einen Teil der Form, z. B. einen oder mehrere, aber nicht alle ihre Wände, aus dem exothermischenMaterial herstellen oder mit ihm auskleiden, während. der übrige Teil der Form aus einem üblichen feuerfesten Formmaterial, wie Sand, hergestellt wird. Auskleidungen aus exothermischer Masse können in einem Mantelformverfahren hergestellt und mit losem, körnigem, exothermischem Material oder wärmeisolierendem Material hinterfüllt werden.
Vorzugsweise werden mehrere Formen zusammen mit einem gemeinsamen Eingusskanalsystem verwendet, so dass ein Stapelgiessverfahren angewendet werden kann. In diesem Fall kann jede Form aus exothermischem Material bestehen, das einstückig mit einer Aussenschicht aus Wärmeisoliermaterial verbunden ist, beispielsweise gemäss der brit. Patentschrift Nr. 805, 823, oder es kann, wie vorstehend beschrieben, eine mantelgeformte Masse verwendet werden.
Das exothermische Gemisch besteht vorzugsweise aus einer aluminothermischen Masse, d. h. einer Masse, welche feinverteiltes Aluminium und ein Oxydationsmittel dafür enthält. Damit die exothermische Masse ihre Wärme in geregelter Weise und nicht explosionsartig abgibt, soll sie vorzugsweise einen Fluoridanteil enthalten und soll der Anteil des Gxydationsmittels wesentlich geringer sein als stöchiometrisch zur Oxydation des ganzen vorhandenen Aluminiums erforderlich ist. (Man vgl. die brit.
Patentschrift Nr. 627, 687, nach der derartige Massen tür einen andern Zweck verwendet werden.)
Die exothermische Masse kann beispielsweise aus den folgenden Bestandteilen innerhalb der angegebenen Mengenbereiche bestehen :
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<tb>
<tb> Feinverteiltes <SEP> Aluminium, <SEP> z. <SEP> B. <SEP> in <SEP> Form <SEP> von
<tb> Pulver, <SEP> Säge-, <SEP> Drehspänen <SEP> od. <SEP> dgl., <SEP> 15-50%
<tb> Oxydationsmittel, <SEP> z. <SEP> B. <SEP> Alkalimetal1nirrat <SEP> oder <SEP>
<tb> -chlorat <SEP> und/oder <SEP> Eisenoxyd <SEP> oder <SEP> Mangandioxyd <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 2rP/o <SEP>
<tb> Fluorid, <SEP> z. <SEP> B.
<SEP> Natrium-oder <SEP> Kaliumfluorid,
<tb> Natriumaluminiumfluorid, <SEP> Kaliumaluminium- <SEP>
<tb> fluorid <SEP> oder <SEP> ein <SEP> Siliciumfluorid,
<tb> Borfluorid <SEP> oder <SEP> Titanfluorid <SEP> 0, <SEP> 1-'15% <SEP>
<tb> Bindemittel, <SEP> z. <SEP> B. <SEP> Bentonit <SEP> oder <SEP> Sulfitlauge <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 100/0 <SEP>
<tb> Füllstoff, <SEP> z. <SEP> B. <SEP> Sand, <SEP> Schamottebruch <SEP> od. <SEP> dgl., <SEP> Rest <SEP> auf <SEP> 1000/0.
<tb>
Zur Erzielung der bestmöglichen Oberflächenbeschaffenheit des gegossenen Werkzeuges wird die in dem Gemisch vorhandene Alkalimetallsalzmenge vorzugsweise auf einem Minimum gehalten, indem man beispielsweise Erdalkalimetallsalze verwendet, wenn Salze erforderlich sind. und verwendet man einen sehr feuerfesten Füllstoff, wie Silimanit oder Schamotte.
Bei Verwendung von Massen der vorgenannten Art wird das exothermische Material vorzugsweise kurz vor dem Eingiessen des Metalles in die Form gezündet, damit sich die Masse beim Giessen des Metalles be- 'eits gründlich erhitzt hat und jede Gefahr einer Abschreckung des schmelzflüssigen Metalles (die zu vorzeitiger Erstarrung oder zu vorzeitigem Kristallwachstum führen könnte) vermieden wird.
In einer andern Ausführungsform ist die Form aus einer Masse A hergestellt oder mit ihr ausgekleidet,
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deren Bestandteile exothermisch reagieren und die nach dem Ausbrennen im wesentlichen ihre Gestalt beibehält, und der ein relativ viel kleinerer Anteil eines Materials B zugeordnet ist, das viel empfindlicher ist als die Masse A, aber bei seiner alleinigen Verwendung nicht die gewünschte Wirkung auf das gegossene Metallhabenwürde. Ein Material hat nicht die gewünschte Wirkung, wenn es im Betrieb zur Blasenoder Schlackenbildung führtoderzerfallt oder wenn es eine ungenügende Gesamtwarmemenge erzeugen würde.
Das Material B dient als Zündstoff für die Masse A. Die Masse A selbst kann daher eine relativ geringe Empfindlichkeit haben, weil die Zeit, die von der Berührung mit dem Metall bis zur Entzündung vergeht, durch die Empfindlichkeit des Materials B bestimmt wird. Die Masse A kann daher eine solche Zusammensetzung haben, dass sie bei alleiniger Verwendung bei der Giesstemperatur des Metalles nicht zündet, wobei jedoch das von dem Metall gezündete Material B die zum Zünden der Masse A erforderliche Wärme abgibt.
Das Material B kann aus Aluminium, Oxydationsmittel, Fluorid, Füllstoff und Bindemittel bestehen und kann dieselben Klassen von Bestandteilen aufweisen, wie die Masse A, hat jedoch eine erhöhte Empfindlichkeit, beispielsweise weil es einen grösseren Anteil des Oxydationsmittels, des Fluorids oder des sehr feinverteilten Aluminiums enthält. Diese erhöhten Anteile werden jedoch nur in dem Material B
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minium erzielt werden.
Das Material B braucht keine Zusammensetzung, sondern kann auch ein leicht oxydierbares Material, z. B. Magnesium oder Silicium sein, das bei Berührung mit dem schmelzflüssigen Metall unter Wärmeerzeugung oxydiert.
Das Material B kann auf der Masse A als eine Oberflächenschichte vorgeformtwerden, die von dem schmelzflüssigen Metall berührt wird, oder es kann zum Zeitpunkt der Verwendung in Form eines Pulvers zugeführt werden, das an der Verwendungsstelle verdichtet wird, oder in Form einer Aufschlämmung, mit der die Oberfläche der vorgeformten Masse A bestrichen wird, oder in Form eines getrennten, vorgeformten Körpers, der auf die vorgeformte Masse A aufgebracht wird.
Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemässe Verfahren auf die Herstellung von Fräsern, Einsatzwerkzeugen und andern Werkzeugen angewendet werden. Ein Einsatzwerkzeug, z. B. ein DrehLahn, ist ein halbfertiges Werkzeug, das aus einem relativ kleinen Stück aus schneidendem Material besteht, das derart in einen Werkzeughalter oder Werkzeugträger eingesetzt ist, dass es leicht entfernt und ausgetauscht werden kann. Einsatzwerkzeuge werden aus zahlreichen Schnellstählen aus warmgewalztem Stangenmaterial in Form von Rundprofilen, quadratischen und rechteckigen Profilen und V-Profilen nach Verfahren hergestellt, die eine einheitliche Grösse, eine glatte Oberfläche, eine einheitliche Härte und einheitliche Schneideigenschaften gewährleisten.
Alle Einsatzwerkzeuge werden in wärmebehandeltem Zustand geliefert und Einsatzwerkzeuge für Sonderzwecke werden geschliffen, damit entkohlte Stellen beseitigt werden und eine einheitliche Oberflächenhärte erzielt wird.
In einer weiterenAnwendungsform der Erfindung können die Einsatzwerkzeuge direkt an einem Werkzeugträger od. dgl., aus einem andern als Werkzeugstahl, z. B. aus Weichstahl angegossen werden. Dieses Verfahren ist beispielsweise bei der Herstellung von Spiralbohrern, Meisseln u. dgl. wertvoll.
Die Erfindung ermöglicht die direkte Herstellung vonEinsatzwerkzeugen, die dann nur noch gehärtet, angelassen und geschliffen zu werden brauchen.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet auch das Giessen von Fräsern im wesentlichen in ihrer Fer- tiggestalt, d. h., mit den Zähnen. In diesem Fall ist es manchmal zweckmässig, auf den Innenwandun- gen der Form eine keramische Auskleidung vorzusehen, um die Oberflächengüte zu verbessern.
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din (18 : 4 : 1). Ein teurerer und besserer Stahl enthält 100/0 Kobalt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann ein Werkzeug aus Stahl mit 100lu Kobalt ungefähr mit der Hälfte der Kosten hergestellt werden, die bei der Herstellung eines Werkzeuges aus demselben Stahl nach den üblichen Warmverformungsverfahren entstehen, wobei die spezifische Spanleistung des erfindungsgemäss erhaltenen Werkzeuges etwa 4/5 der spezifischen Spanleistung der üblichen Werkzeuge beträgt, so dass das Verfahren etwa 4/5 der normalen spezifischen Spanleistung bei etwa halben Kosten ergibt.
Ferner kann nach dem erfindungsgemässen Verfahren ein Werkzeug aus dem teuren Stahl mit 107o Kobalt mit geringeren Kosten hergestellt werden, als sie nach den üblichen Verfahren bei der Herstellung eines Werkzeuges aus dem billigeren 18 : 4 : 1-Stahl entstehen. Da das Werkzeug aus dem Stahl mit 10% Kobalt etwa die doppelte spezifische Spanleistung hat, wird die spezifische Spanleistung bei herab-
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gesetzten Kosten etwa verdoppelt.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass es die Herstellung von Werkzeugen aus Stählen gestattet, die wegen der bei ihrer spanlosenverformung auftretenden Schwierigkeiten, z. B. wegen der Riss- und Spaltbildung beim Walzen oder Schmieden, im allgemeinen nicht zur Herstellung von Werkzeugen verwendet werden, weil sie wegen dieser Nachteile nicht spanlos zu einem Werkzeug verformt werden können. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet jedoch die direkte Herstellung des Werkzeuges aus derartigen Stählen mit relativ niedrigen Kosten.
Beispielsweise kann nach dem erfindungsgemässenverfahren aus einem Stahl mit einem Gehalt von 1, 5% Kohlenstoff, 24-25% Wolfram, 5% Chrom, 2, 50/0 Vanadin, 17-20% Kobalt ein gut brauchbares Werkzeug hergestellt werden. Dieser an sich für Werkzeuge brauchbare Stahl kann jedoch nach den üblichen Verfahren nicht zu einem Werkzeug verarbeitet werden, weil er selbst nach Wärmebehandlung nicht mit den üblichen Einrichtungen geschmiedet bzw. spanlos verformt werden kann. Selbst wenn eine spanlose Verformung dieses Stahls oder ähnlicher Stähle möglich wäre, könnte dies infolge der bei der spanlosen Verformung auftretenden Schwierigkeiten nur unter äusserst hohen Kosten erfolgen.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele für exothermische Massen angegeben, wie sie erfindungsgemäss in Formen zum Giessen von Werkzeugstahl (18% Wolfram, 4% Chrom und 10/0 Vanadin) verwendet werden können.
1. Für Formen, die durch Einstampfen und anschliessendes Trocknen der Masse hergestellt werden :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 25%
<tb> Fluorid <SEP> 4%
<tb> Nitrat <SEP> 8%
<tb> Mangandioxyd <SEP> und/oder <SEP> Eisenoxyd <SEP> 10%
<tb> Bindeton <SEP> 7%
<tb> Sulfitlauge <SEP> 3%
<tb> Feuerfester <SEP> Füllstoff <SEP> 43%
<tb> 100%
<tb>
2.
Für nach dem Schalenformverfahren hergestellte Formen :
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<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 20%
<tb> Fluorid <SEP> 41o
<tb> Nitrat <SEP> 601o
<tb> Eisenwalzsinter <SEP> 6%
<tb> Warmhärtendes <SEP> Harz <SEP> 7%
<tb> Feuerfester <SEP> Füllstoff <SEP> 57%
<tb> 1 <SEP> 000/0 <SEP>
<tb>
Die erfindungsgemäss hergestellten gegossenen Werkzeuge werden normalerweise vor der Verwendung wärmebehandelt und geschliffen, d. h., sie können in an sich bekannter Weise geglüht, gehärtet und doppelt angelassen werden. Das bisher angewendete teure Schmiedeverfahren wird durch die Erfindung vollkommen überflüssig gemacht.
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