AT6329U1

AT6329U1 - Ods heisspresswerkzeug

Info

Publication number: AT6329U1
Application number: AT0070702U
Authority: AT
Inventors: August Schwaiger
Original assignee: Plansee Ag
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2003-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Fe- oder Ni-ODS-Legierung mit >70 Gew.% als Werkstoff für Heißpresswerkzeuge, in denen Massenteile aus Hartstoff/Diamant-Bindermetall-Verbundwerkstoff gefertigt werden. Neben einer sehr niedrigen Kriechdehnung dieses Werkstoffes im Temperaturbereich 700o C bis 1000o C sind die vergleichsweise günstigen Werkzeugfertigungskosten für die Verwendung bestimmend.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines als solcher bekannten Werkstoffes für
Presswerkzeuge, in denen Formkörper aus Hartstoff/Bindermetall-Verbundwerkstoff auf pulvermetallurgischem Wege, von Pulvermischungen oder von vorgepressten
Grünlingen ausgehend, mittels Heisspressen gefertigt werden. Die Hartstoffphase besteht vornehmlich aus Diamantkörnern. Das Heisspressen erfolgt bei 700 C bis
1. 000 C.

Formkörper aus Verbundwerkstoffen, die aus Hartstoffteilchen, z. B. aus Karbiden oder Diamantkörnen, sowie aus einem Bindermetall bestehen, werden als Schneid- oder Verschleisssegmente, beispielsweise in Form von Sägezähnen oder Seilperlen in Schneidwerkzeugen eingesetzt, insbesondere auch in Werkzeugen für die
Gesteinsbearbeitung.

Die Schneidbereiche derartiger Segmente verschleissen im Gebrauch ; verschlissene
Segmente müssen im Werkzeug ausgewechselt werden. Die Verschleisssegmente sind daher ein in grosser Stückzahl gefertigtes Massenteil.

Die Fertigung von als Verschleisssegment genutzten Formkörpern aus Verbundwerkstoffen, die zumindest vorwiegend aus Hartstoff und Bindermetall bestehen, sieht die Anwendung pulvermetallurgischer Verfahren zwingend vor. Dazu werden, alternativ zu den klassischen Sinterverfahren, Pulvermischungen dieser

Werkstoffkomponenten oder bereits daraus vorgepresste Grünlinge durch Heisspressen in Presswerkzeugen, bestehend aus Pressstempel und Matrize, zu gebrauchsfertigen Formkörpern verarbeitet.
EMI2.1
verwendet wurden, so bedurfte es zur Leistungssteigerung derartiger Werkzeuge vor allem der Verwendung von Verschleisssegmenten geometrischer komplexere
Formen. Die Forderung nach Formen mit zunehmend filigraner ausgestalteten
Teilbereichen, mit Ausnehmungen, Spitzen und mit spitzwinklig aneinandergrenzenden Flächen, hält weiter an.

Die Fertigung von Verschleisssegmenten geometrisch komplexer Formen durch Heisspressen bedingt den Einsatz geometrisch entsprechend anspruchsvoller Presswerkzeuge. Die Bereitstellung von Presswerkzeugen komplexer Geometrien ist fertigungstechnisch aufwendiger als diejenige einfacher Formen und zu deren Herstellung bedarf es regelmässig der Verwendung qualitativ hochwertigerer Presswerkzeug-Werkstoffe.

Komplexe Geometrien von Verschleisssegmenten mit filigranen Bereichen lassen sich im Unterschied zu einfachen Formen mittels Heisspressen nur in Anwendung vergleichsweise höherer lokaler Pressdrucke in einzelnen, dem Fachmann als kritisch bekannten Volumenbereichen fertigen.

Die praktische Folge dieser Entwicklung zu Verschleisssegmente mit komplexeren Formen ist ein höherer Verschleiss und ein früherer Ausfall der Presswerkzeuge beim Heisspressen.

Bisher wurden für das Heisspressen von Formkörpern, bzw. Verschleisssegmenten für
Gesteinswerkzeuge aus Diamantkörnern mit Eisen, Kobalt und/oder Nickel als
Bindermetall üblicherweise Presswerkzeuge aus dem Werkstoff Graphit verwendet.

Beim Heisspressvorgang wird zur Vermeidung von unerwünschten
Zustandsänderungen im Diamanten die Temperatur auf 700 C bis 1. 000oC und der
Pressdrucke auf Werte kleiner 50 Mpa beschränkt. Graphit ist zwar relativ spröde, besitz aber hohe mechanische Druckfestigkeit, besonders auch bei hohen
Temperaturen. Graphit hat sich wegen seiner hohen Warmkriechfestigkeit, bzw. wegen seiner Hochtemperatur-Formbeständigkeit und wegen seines geringen
Dampfdruckes als Werkstoff für Heisspresswerkzeuge bewährt. Eine eventuelle chemische Eintragung, bzw. Eindiffusion von Graphit in den zu pressenden Verbundwerkstoff blieb ohne nachteilige Folgen.

Graphit bewährte sich weiters wegen dessen rascher Aufheizbarkeit auf Heisspresstemperatur, vor allem auch weil es gleichzeitig als Heizleitermaterial für eine elektrische Widerstandsheizung zur Aufheizung der Heisspressanordnung eingesetzt werden konnte.

Mit der Verwendung von Graphit als Presswerkzeug-Werkstoff zum Heisspressen geometrisch komplexer Verschleisssegmente kam es jedoch wegen der oben geschilderten, höheren mechanischen Werkstoffbeanspruchung zu frühzeitigen Werkzeugausfällen, beispielsweise in Form von Materialausbrüchen aus den Pressstempeln und von Rissbildung in der Matrizenwand.

Trotz hohen Werkzeugverschleisses und der Suche nach einem geeigneten Ersatzwerkstoff, wird bis heute Graphit für derartige Presswerkzeuge weiter verwendet.

Die für einen Ersatzwerkstoff primär geforderte Materialeigenschaft ist eine ausreichende Hochtemperaturfestigkeit bei 700 C bis 1. 000 C. Aus dieser Sicht

boten sich als Alternativwerkstoffe neben den hochschmeizenden Metallen, wie
Molybdän, und einzelnen Hartmetallsorten vor allem Hochtemperaturstähle und die
Gruppe der Superlegierungen auf Nickelbasis an.

Die hochschmelzenden Metalle und Hartmetallsorten scheiden indes allein schon aus Kostengründen aus. Doch auch die praktische Erprobung der beiden übrigen
Werkstoffgruppen ergab, dass auch diese als Ersatzwerkstoff für Graphit ungeeignet waren.

Gehärtete Hochtemperaturstähle wiesen zwar die aus Datenblättern pauschal bekannten Hochtemperaturfestigkeiten, bzw. Hochtemperaturkriechfestigkeiten auf.

Sie besassen dessen ungeachtet nicht entfernt die von Graphit her gewohnte geringe
Kriechdehnung bei hohen Temperaturen. Die Folge war ein nicht tolerierbares Mass an plastischer Dehnung der Matrizenform, die sich als Summe jedes einzelnen
Heisspressvorgangs darstellt. Die sich unter dem Stempeldruck plastisch ausweitende
Matrize lag schon nach unbefriedigend wenigen Heisspresszyklen ausserhalb der geforderten Masstoleranzen. Der Stempeldruck in Pressrichtung auf den zu verdichtenden Grünling aufgebracht, führte infolge von Massänderungen in der Matrize zu nicht tolerierbarem Fliessen innerhalb des zu bearbeitenden Verbundwerkstoffes.

Je stabiler die einzelne Sorte aus der Gruppe der gehärteten Hochtemperaturstähle gegenüber der unerwünschten Kriechdehnung war, umso spröder war das Material.

Spröde Sorten führten aber ihrerseits zu stark erhöhten, nicht vertretbaren Werkzeugfertigungskosten, wobei die Formgebung über spanabhebende Bearbeitung, einschliesslich Schleifbearbeitung erfolgte.

Zudem waren die diese Stahlsorten, die regelmässig nur in Quantitäten von vielen Tonnen gehandelt werden, in eher kleinen Mengen nicht zu angemessenen Lieferbedingungen beziehbar.

Die Verwendung von handelsüblichen Superlegierungen, beispielsweise der Sorte
IN 738 LC, zeigte gleichartige Nachteile wie die oben beschriebenen gehärteten
Stähle. Vor allem die hohen Bearbeitungskosten bei der Werkzeugformgebung mittels Spanen und Schleifen schliesst eine serienmässige Verwendung dieses
Werkstoffes für Heisspresswerkzeuge zum genannten Einsatzzweck aus.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher einen Werkstoff bereitzustellen, der die
Nachteile der vorbeschriebenen Werkstoffe für Presswerkzeuge (Stempel und
Matrizen) zum Heisspressen von in die Matrize gefüllten Pulvermischungen oder von vorgepressten Grünlingen aus Hartstoff/Bindermetall-Verbundwerkstoffen zu
Formkörpern in zumindest wesentlich geringerem Masse aufweist, der insbesondere weniger verschleisst und der damit eine wirtschaftliche Fertigung von Formkörpern, bzw. von Verschleisssegmenten der vorne beschriebenen Art gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Verwendung einer Eisen oder Nickel ODS-Legierung mit > 70 Gew. % Eisen- oder Nickelanteil als Werkstoff für Presswerkzeuge, in denen Formkörper aus Hartmetall/ Bindermetall-Verbundwerkstoff auf pulvermetallurgischem Wege, ausgehend von in das Presswerkzeug eingebrachten Pulvermischungen oder von vorgepressten Grünlingen, mittels Heisspressens gefertigt werden. Die Formkörper werden als Verschleisssegmente in Werkzeugen zur Gesteinsbearbeitung verwendet.

Fe- oder Ni-ODS-Legierungen sind oxiddispersionsverfestigte (ODS = oxide dispersion strenghtened) Werkstoffe. Sie werden als hochfeste Werkstoffe bei Temperaturen zwischen etwa 1. 100 C und 1. 300 C eingesetzt, also bei

Temperaturen, bei denen Stähle mangels entsprechender Hochtemperaturfestigkeit nicht mehr verwendbar sind. Diese Legierungen müssen durch zeitintensives mechanisches Legieren hergestellt werden und sind entsprechend teurer als Stähle, für den Fachmann ein Grund, diesen Sonderwerkstoff nur dort einzusetzen, wo hohe mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen die Verwendung von Stahl unmöglich macht.

Unter den bekannten Fe-, bzw. Ni-ODS-Legierungen haben sich besonders solche der Zusammensetzung 15-25 Gew. % Cr, 2 - 10 Gew. % AI,
0, 2 - 2 Gew. % Y203, 0 - 5 Gew. % sonstige Metalle, Rest Fe sowie der
Zusammensetzung 10-30 Gew. % Cr, 0, 2 - 2 Gew. % Y 203, 0 - 5 Gew. % sonstige
Metalle, Rest Ni bewährt. Aus diesen Gruppen haben die Legierungen (alle Angaben in Gew. %) : 20 % Cr, 0, 3 % Al, 0, 5 % Ti, 3 % Fe, 0, 6 % Y203, Rest Nickel, sowie
19 % Cr, 5, 5 % Al, 0, 5 % Ti, 0, 5 % Y203, Rest Eisen weite praktische Anwendung gefunden.

Es war nun für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die genannten ODS-Legierungen als Ersatzwerkstoff für Graphit auf Grund der Summe der für Heisspressmatrizen geforderten Eigenschaften für die erfindungsgemässe Verwendung Vorteile bringt, welche Stähle oder klassische Ni-Superlegierungen nicht in ausreichendem Masse erbracht haben. Dabei galt es zunächst einmal den Vorbehalt zu überwinden, für eine Verwendung bei Temperaturen zwischen 7000C und kleiner 1. 000 C nicht auf Stahl oder eine Ni-Superlegierung zurückzugreifen, sondern den als Werkstoff teureren und bisher regelmässig nur bei Temperaturanforderungen von 1. 100 C bis 1. 300 C in Betracht gezogene ODS-Werkstoff zu erproben.

Ein beim Einsatz von ODS-Legierungen bisher nicht erkannter und genutzter Vorteil liegt in deren äusserst geringer Kriechdehnung bei Temperaturen zwischen 700 C und 1. 000"C, welche den Werten von Graphit gleichkommt und sie für
Heisspresswerkzeuge gemäss Erfindung besonders geeignet macht.

Ein zweiter wichtiger Vorteil der erfindungsgemässen ODS-Legierungen liegt in deren guter mechanischer Bearbeitbarkeit, bzw. Zerspanbarkeit, dies im Unterschied zu den alternativ erprobten Stählen und Ni-Superlegierungen. Es lassen sich somit auch komplexe Geometrien von Pressformen wirtschaftlich fertigen, was die im Vergleich zu Stählen hohen Werkstoffkosten bei der Aufstellung der Werkzeug-Gesamtkosten weit überkompensieren.

Die Formenvielfalt von Heisspresswerkzeugen geht heute weit über diejenige zur
Fertigung von Quader- oder Zylindersegmenten hinaus..

Eine gebräuchliche Geometrie für erfindungsgemässe Formkörper ist die eines Zylinderbolzens mit unterteilten, nagelartigen Kopfausgestaltungen, einer sogenannten Seilperle für Gesteins-Bandsägen. Andere, in ihrer Grundform plattenförmige Formteile weisen eine dachartige, spitze Schneide, wieder andere eine stark konvex gekrümmte Begrenzungsfläche als Schneide auf, was die Ausgestaltung von Presswerkzeugen mit spitzwinkligen Ausnehmungen erfordert.

Solche Flächenbegrenzungen in Werkzeugen neigen aber unter Druckbelastung bevorzugt zum Entstehen von Kerben und Rissen und bedürfen zu deren Vermeidung der Verwendung mechanisch hochwertiger Presswerkzeugwerkstoffe.

Um eine wirtschaftliche Massenfertigung entsprechender Formteile zu ermöglichen, werden vielfach Presswerkzeuge mit nur einer Matrize zur Formung mehrerer, nebeneinander angeordneter Teile, aber mit getrennten Pressstempeln für jedes

einzelne Teil ausgestaltet. Dabei werden besonders hohe Anforderungen an die
Geometriestabilität des Werkzeuges auch noch nach vielen Heisspresszyklen gestellt.

Die erfindungsgemässen Legierungen wurden diesem Anspruch in aussergewöhnlichen Masse gerecht. Der Werkzeugverschleiss durch Ausweitung der
Matrize über das enge Toleranzmass hinaus war dem für Graphitwerkzeuge vergleichbar gering. Dafür ist nicht nur die an sich bekannte Hochtemperatur
Kriechfestigkeit als solche verantwortlich, sondern die bei ODS-Legierungen bisher nicht beachtete, nur sehr geringe Kriechdehnung des Werkstoffs im
Temperaturbereich 700 C bis 1. 000'C. Im Unterschied zu vergleichbaren Werkzeugen aus Graphit gab es bei der Verwendung der Legierung gemäss
Erfindung in nur unbedeutendem Umfang Ausbrüche aus dem Werkzeug oder Risse, wie sie üblicherweise durch Zug- oder Scherbelastung des Werkzeugs während eine
Heisspressvorgangs ausgelöst werden.

Die erfindungsgemässen ODS-Legierungen weisen eine mässige Hochtemperatur Oxidations-, bzw. Korrosionsbeständigkeit auf. Die Verwendung als Heisspresswerkzeug erfolgt daher bevorzugt unter Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum.

ODS-Legierungen werden zum Aufbau ihrer maximal erreichbaren mechanisch umgeformt, z. B. durch Walzen. Dadurch erhalten sie eine Walztextur mit unterschiedlicher mechanischer Festigkeit in und senkrecht zur Walzrichtung. Die Verwendung des ODS-Werkstoffs in Presswerkzeugen erfolgt daher bevorzugt mit seiner Textur senkrecht zur Stempelbewegung beim Heisspressen.

Der Verwendung des erfindungsgemässen Werkstoffs lässt sich im Presswerkzeug mit Graphit kombinieren, soweit es die geometrischen Formanforderungen zulassen.

Beispielsweise lässt sich eine Vielfach-Pressmatrize zur Fertigung einer Mehrzahl

von Formteilen aus Graphit fertigen, während die einzelnen Pressstempel für jedes separat zu pressende Teil aus einem ODS-Werkstoff gefertigt werden.

Es hat sich je nach den zu erfüllenden Randbedingungen bewährt, zum Heisspressen von Formteilen aus Pulvern entweder die losen Pulvermischungen unmittelbar in das Heisspresswerkzeug einzufüllen, oder aber alternativ die Pulvermischung in einem eigenen Presswerkzeug zum Grünling kalt vorzupressen und den ausreichend vorverdichteten Grünling anschliessend in das Heisspresswerkzeug einzubringen.

Claims

Ansprüche 1. Verwendung einer Fe-oder Ni-ODS-Legierung mit > 70 Gew. % Fe-oder Ni-Anteil als Werkstoff für Presswerkzeuge, in denen Formkörper aus Hartstoff/Bindermetall-Verbundwerkstoff auf pulvermetallurgischem Wege, ausgehend von in das Presswerkzeug eingebrachten Pulvermischungen oder von vorgepressten Grünlingen, mittels Heisspressen gefertigt werden.
2. Verwendung einer Fe-ODS-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 15-25 Gew. % Cr, 2 - 10 Gew. % AI, 0, 2 - 2 Gew. % Y2D3, 0 - 5 Gew. % sonstige Metalle, Rest Fe aufweist.
3. Verwendung einer Ni-ODS-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 10-30 Gew. % Cr, 0, 2 - 2 Gew. % Y2D3, 0-5 Gew. % sonstige Metalle, Rest Ni aufweist.
4. Verwendung einer Fe-oder Ni-ODS-Legierung nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heisspressen bei 700 C bis 900 C unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre erfolgt.
5. Verwendung einer Fe-oder Ni-ODS-Legierung nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff im Heisspresswerkzeug eine Textur näherungsweise senkrecht zur Stempelbewegung aufweist. <Desc/Clms Page number 11>
6. Verwendung einer Fe-oder Ni-ODS-Legierung nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu pressende Formteil aus einem Diamantkörner-Metallbinder-Verbundwerkstoff besteht.
7. Verwendung einer Fe-oder Ni-ODS-Legierung nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das daraus gefertigte Presswerkzeug ein Pressstempel ist.
8. Verwendung einer Fe-oder Ni-ODS-Legierung nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Presswerkzeug eine Mehrzahl von Pressstempeln aus der ODS-Legierung und eine einteilige Matrize aus Graphit aufweist.