CH629845A5 - High-temperature lubricant - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Schmiermittel für die Warmverformung metallischer Werkstoffe auf der Basis von Borverbindungen. The invention relates to a high-temperature lubricant for the hot forming of metallic materials based on boron compounds.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Schmiermittels. The invention further relates to the use of the lubricant.
Hochtemperatur-Schmiermittel werden bei der Warmverformung von Metallen und Legierungen mittels metallischer Werkzeuge ganz allgemein verwendet. Ihre Aufgabe besteht darin, unter den im Betrieb herrschenden Druck-und Temperaturverhältnissen ein Anfressen oder Verschweissen des Werkstückes mit dem Werkzeug zu verhindern. Vom Metallstrangpressen her sind beispielsweise graphithaltige Schmiermittel bekannt. Bei sehr hohen Temperaturen und länger andauernden Verformungsprozessen, wie beispielsweise beim isothermen Gesenkschmieden, versagen im allgemeinen derartige Schmiermittel, da völlig wasserfreier Graphit ungenügende Gleiteigenschaften hat. Dabei isothermen Hoch-temperatur-Formgebungsprozessen Werkstück und Werkzeug praktisch dieselbe Temperatur haben, nimmt die gegenseitige Fressneigung zu, und an das zu verwendende Schmiermittel werden daher weit strengere Anforderungen gestellt, als dies bei konventionellen Strangpressen, Warmziehen und Schmieden der Fall ist. Deshalb scheiden hier Schmiermittel auf der Basis von Ölen, Seifen, Graphit oder Molybdänsulfid aus. Es wurde schon versucht, mit Bornitrid, Mischungen von ersterem mit Borsäure und Graphit und mit glasartigen Stoffen Schmiermittelfilme auf der Werkzeugoberfläche oder derjenigen des zu verformenden Rohlings aufzubringen. Diese Stoffe wurden meist als Suspensionen oder Pasten in organischen Lösungsmitteln wie Alkohol oder Toluol oder als Aufschlämmungen in anderen Flüssigkeiten verwendet. Das Überziehen der metallenen Körper mit dem Schmiermittel erfolgt dabei durch Eintauchen, Bestreichen oder Aufsprühen, dem sich ein Trocknungsprozess bei Raumtemperatur oder ein Einbrennen bei erhöhter Temperatur anschliesst. Derartige Schmiermittel und Verfahren sind aus verschiedenen Veröffentlichungen bekannt (z.B. T. Wat-mough, «Development of isothermal forging of titanium centrifugai compressor impeller», AMMRC Report CTR 73-19, IIT Research Institute Chicago, May 1973,S. 16; US-Pat. 3 635 068; «Isothermal forging of précision metal powder com-ponents», Bericht AD-780 044 herausgegeben vom NTIS, National Technical Information Service, US Department of Commerce, Dezember 1973, S. 27,41,43). High temperature lubricants are generally used in the hot forming of metals and alloys using metallic tools. Its task is to prevent the workpiece from seizing or welding with the tool under the prevailing pressure and temperature conditions. Graphite-containing lubricants are known, for example, from metal extrusion. At very high temperatures and long-lasting deformation processes, such as isothermal drop forging, such lubricants generally fail because completely anhydrous graphite has insufficient sliding properties. The isothermal high-temperature shaping processes workpiece and tool have practically the same temperature, the mutual tendency to seizure increases, and the lubricant to be used is therefore subject to far more stringent requirements than is the case with conventional extrusion, hot drawing and forging. That is why lubricants based on oils, soaps, graphite or molybdenum sulfide are excluded. Attempts have already been made to apply lubricant films to the tool surface or to that of the blank to be deformed using boron nitride, mixtures of the former with boric acid and graphite and with glass-like substances. These substances were mostly used as suspensions or pastes in organic solvents such as alcohol or toluene or as slurries in other liquids. The metal bodies are coated with the lubricant by immersion, brushing or spraying, which is followed by a drying process at room temperature or by baking at an elevated temperature. Such lubricants and processes are known from various publications (for example T. Wat-mough, “Development of isothermal forging of titanium centrifugai compressor impeller”, AMMRC Report CTR 73-19, IIT Research Institute Chicago, May 1973, p. 16; US Pat. Pat. 3 635 068; "Isothermal forging of precision metal powder components", report AD-780 044 published by NTIS, National Technical Information Service, US Department of Commerce, December 1973, pp. 27, 41, 43).
Die bekannten Schmiermittel und Schmiermittelkombinationen sowie die entsprechenden Verfahren werden den an sie gestellten Bedingungen hinsichtlich Haftfestigkeit, Temperatur und Druckbeständigkeit, chemische Inaktivität gegenüber den zu schützenden und zu schmierenden Metalloberflächen sowie Schmierfähigkeit und optimale Viskosität nur in sehr mangelhafter Weise gerecht. Dies geht eindeutig The known lubricants and lubricant combinations as well as the corresponding processes only meet the conditions imposed on them with regard to adhesive strength, temperature and pressure resistance, chemical inactivity towards the metal surfaces to be protected and lubricated as well as lubricity and optimal viscosity in a very inadequate manner. This is clear
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3 3rd
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u.a. aus den vorgenannten Veröffentlichungen hervor (siehe oben: Bericht des NTIS, S. 43,50,54,58; ferner D. J. Abson, F. J. Gurney, «Heated dies for forging and friction studies on a modified hydraulic forge press», Metals and Materials, Dezember 1973, S. 539). Darüber hinaus sind die bekannten Verfahren des Aufbringens des Schmiermittelfilms auf der interessierten Metalloberfläche umständlich, aufwendig und zeitraubend und erlauben keine wirtschaftliche Fertigung der Schmiedestücke. Die in Flüssigkeiten suspendierten aktiven Bestandteile herkömmlicher Schmiermittel müssen nass auf das Werkstück bzw. Werkzeug aufgebracht werden, wobei letzteres sich meist auf Raumtemperatur oder jedenfalls auf einer beträchtlich unterhalb der Arbeitstemperatur liegenden Temperatur befindet. Dem flüssigen Medium muss Gelegenheit geboten werden, zu trocknen oder zu verdampfen. Wird andererseits das Schmiermittel, z.B. Bornitrid in fester Form durch Sprühen eines Pulvers aufgebracht, so lässt seine Haftfestigkeit an der Metalloberfläche zu wünschen übrig. Ausserdem lassen sich mit dieser Methode schwerlich dichte, zusammenhängende Überzüge herstellen. Glasartige Schmiermittel weisen insbesondere bei gekühlten Werkzeugen meistens eine zu hohe Viskosität auf, die das Auswerfen des Werkstücks aus dem Werkzeug (Gesenk, Matrize) am Ende des Verformungsprozesses erschweren. Einige Gläser zeigen zudem bei den hohen Arbeitstemperaturen Zersetzungserscheinungen, was ihre Schmierfähigkeit stark beeinträchtigt. Ein weiteres Problem besteht im zum Teil ungenügenden Ausfüllen kritischer Arbeitsflächen wie Ecken und Kanten mit kleinem Krümmungsradius, so dass dort die Gefahr des Anfressens zufolge mangelhafter Schmiermittel-benetzung besteht. i.a. from the aforementioned publications (see above: NTIS report, pp. 43, 50, 54, 58; also DJ Abson, FJ Gurney, "Heated dies for forging and friction studies on a modified hydraulic forge press", Metals and Materials, December 1973, p. 539). In addition, the known methods of applying the lubricant film on the interested metal surface are cumbersome, complex and time-consuming and do not allow for economical production of the forgings. The active constituents of conventional lubricants suspended in liquids must be applied wet to the workpiece or tool, the latter usually being at room temperature or in any case at a temperature which is considerably below the working temperature. The liquid medium must be given the opportunity to dry or evaporate. On the other hand, if the lubricant, e.g. Boron nitride is applied in solid form by spraying a powder, so its adhesive strength on the metal surface leaves something to be desired. In addition, this method makes it difficult to produce dense, coherent coatings. Glass-like lubricants usually have too high a viscosity, particularly in the case of cooled tools, which make it more difficult to eject the workpiece from the tool (die, die) at the end of the shaping process. Some glasses also show signs of decomposition at high working temperatures, which greatly affects their lubricity. Another problem is the inadequate filling of critical work surfaces such as corners and edges with a small radius of curvature, so that there is a risk of seizure due to poor lubricant wetting.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochtem-peratur-Schmiermittel anzugeben, welches gegenüber dem Werkzeug eine gute Benetzbarkeit und Haftfähigkeit besitzt, die Poren der Werkzeugoberfläche verschliesst und einen zusammenhängenden, bei den herrschenden Arbeitstemperaturen chemisch beständigen, unzersetzlichen Film bildet. Das Schmiermittel soll ferner unmittelbar auf die auf Arbeitstemperatur gebrachte Werkzeug- oder Werkstückoberfläche aufgebracht werden können, so dass eine kontinuierliche Arbeitsweise ermöglicht wird. Insbesondere soll sich das Schmiermittel für langandauernde Herstellungsverfahren der Warmverformung wie isothermes Schmieden eignen, wobei hohe Temperaturen und Drücke unter Vermeidung von Unterbrechung und Zwischenkühlung ohne Verlust der Schmierfähigkeit praktisch dauernd zu ertragen sind. Schliesslich soll das Schmiermittel weder mit dem Werkzeug noch mit dem Werkstück irgendwelche chemischen Reaktionen eingehen. The invention has for its object to provide a high-temperature lubricant which has good wettability and adhesion compared to the tool, closes the pores of the tool surface and forms a coherent, chemically stable at the prevailing working temperatures, irreplaceable film. The lubricant should also be able to be applied directly to the tool or workpiece surface brought to the working temperature, so that continuous operation is made possible. In particular, the lubricant is said to be suitable for long-term production processes for hot forming, such as isothermal forging, high temperatures and pressures being practically permanently tolerable, without interruption and intercooling, without loss of lubricity. After all, the lubricant should not undergo any chemical reactions with the tool or the workpiece.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass beim eingangs definierten Hochtemperatur-Schmiermittel die bei Normaltemperaturin Pulverform vorliegenden Komponenten des Schmiermittels neben Bornitrid noch mindestens eine weitere, Sauerstoff enthaltende Borverbindung enthalten, und dass das Schmiermittel ferner bei Betriebstemperatur eine glasartige viskose Konstitution aufweist. This is achieved according to the invention in that, in the high-temperature lubricant defined at the outset, the components of the lubricant which are in powder form at normal temperature contain at least one further oxygen-containing boron compound in addition to boron nitride, and in that the lubricant also has a glass-like viscous constitution at operating temperature.
Erfindungsgemäss wird dieses Hochtemperatur-Schmier-mittel zur Herstellung von Überzügen auf den Oberflächen von metallischen Werkzeugen und/oder Werkstücken in der Weise verwendet, dass die bei Normaltemperatur in Pulverform vorliegenden Komponenten des Schmiermittels durch Spritzen oder Sprühen auf die auf mindestens 500°C erwärmte Oberfläche des Werkzeuges und/oder Werkstückes aufgebracht werden, wobei ein auf der Oberfläche fest haftender, zusammenhängender glasartiger, viskoser, eine flüssige Phase enthaltender Überzug erzeugt wird. According to the invention, this high-temperature lubricant is used to produce coatings on the surfaces of metallic tools and / or workpieces in such a way that the components of the lubricant, which are in powder form at normal temperature, are sprayed or sprayed onto the surface heated to at least 500 ° C. of the tool and / or workpiece are applied, producing a coherent glass-like, viscous coating which adheres firmly to the surface and contains a liquid phase.
Der für das erfindungsgemässe Schmiermittel und seine Verwendung massgebende Leitgedanke besteht darin, die guten Hochtemperatur-Schmiereigenschaften des Bornitrids mit der guten Haftfestigkeit und Benetzbarkeit von bei Betriebstemperatur glasartigen, viskosen borhaltigen Verbindungen derart zu kombinieren, dass auf direktem Wege, d.h. ohne zusätzliche Verfahrensschritte auf der interessierten Metalloberfläche eine zusammenhängende schmierfähige Schicht erzeugt wird. The guiding principle for the lubricant according to the invention and its use is to combine the good high-temperature lubricating properties of boron nitride with the good adhesive strength and wettability of viscous boron-containing compounds which are glassy at operating temperature in such a way that in a direct way, i.e. a coherent, lubricious layer is produced on the interested metal surface without additional process steps.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend zum Teil durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen. Further details of the invention result from the exemplary embodiments explained in more detail below in part by figures.
Dabei zeigt: It shows:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Obeflächenschicht eines Hochtemperaturwerkzeuges, 1 shows a cross section through the surface layer of a high-temperature tool,
Fig. 2 den schematischen Längsschnitt durch eine Schmiedepresse und das Aufbringen des Hochtemperatur-Schmier-mittelfilms, 2 shows the schematic longitudinal section through a forging press and the application of the high-temperature lubricant film,
Fig. 3 den Stand der Arbeitsmittel und des Werkstückes zu Beginn des Schmiedevorganges, 3 the state of the work equipment and the workpiece at the beginning of the forging process,
Fig. 4 den Stand der Arbeitsmittel und des Werkstückes am Ende des Schmiedevorganges und Fig. 4 shows the state of the work equipment and the workpiece at the end of the forging process and
Fig. 5 die Schlussphase des Arbeitsvorganges mit dem Austragen des fertigen Erzeugnisses. Fig. 5 shows the final phase of the operation with the discharge of the finished product.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch die Oberflächenschicht eines Hochtemperaturwerkzeuges, beispielsweise eines Schmiedegesenkes dargestellt. 1 bezeichnet den Werkstoff des Werkzeuges, der vorzugsweise eine Molybdänlegierung (TZM) oder eine Nickelbasis-Legierung ist. Die betreffende metallische Werkzeugoberfläche 2 weist die von der mechanischen Bearbeitung herrührenden Unebenheiten und Poren 3 auf. Die das Hochtemperatur-Schmiermittel enthaltende Oberflächenschicht ist im wesentlichen aus zwei Phasen zusammengesetzt. 4 stellt den zusammenhängenden, an der metallischen Werkzeugoberfläche 2 und in ihren Poren 3 fest haftenden glasartigen und bei Arbeitstemperatur viskosen Überzug dar. Dieser kann aus Boroxydglas (B2O3), Borsilikatglas oder Borax (Na2B407 ■ n H2O) bestehen. Diese viskose Phase kann auch in Form von Borsäure (H3BO3) auf die metallische Werkzeugoberfläche 2 aufgebracht werden, 1 shows a cross section through the surface layer of a high-temperature tool, for example a forging die. 1 designates the material of the tool, which is preferably a molybdenum alloy (TZM) or a nickel-based alloy. The metallic tool surface 2 in question has the unevenness and pores 3 resulting from the mechanical processing. The surface layer containing the high-temperature lubricant is essentially composed of two phases. 4 represents the coherent, glass-like coating which adheres firmly to the metallic tool surface 2 and in its pores 3 and is viscous at working temperature. This coating can consist of boron oxide glass (B2O3), borosilicate glass or borax (Na2B407 ■ n H2O). This viscous phase can also be applied to the metallic tool surface 2 in the form of boric acid (H3BO3),
wobei jedoch bei den vorhandenen Arbeitstemperaturen von mehreren 100°C im allgemeinen eine vollständige Dehydra-tation bis zum B2O3 eintritt. Im Falle von Borsilikatglas hat die viskose Phase vorzugsweise folgende Zusammensetzung: however, at the existing working temperatures of several 100 ° C there is generally a complete dehydration up to B2O3. In the case of borosilicate glass, the viscous phase preferably has the following composition:
8-60% SÌO2 2-14% Na20 max. 4%CaO 30-90% B2O3 max. 2% AI2O3. 8-60% SÌO2 2-14% Na20 max. 4% CaO 30-90% B2O3 max. 2% AI2O3.
Das Bezugszeichen 5 stellt die in der viskosen Phase eingelagerten Bornitrid-Partikel dar. Das Verhältnis des Bornitridanteils zum Anteil an viskoser Phase kann 5 bis 95 Gewichtsprozent zu 95 bis 5 Gewichtsprozent betragen. Eine bevorzugte Mischung besteht aus ungefähr gleichen Gewichtsanteilen beider Phasen, d.h. beispielsweise 50% BN und 50% B2O3. The reference numeral 5 represents the boron nitride particles embedded in the viscous phase. The ratio of the boron nitride content to the viscous phase content can be 5 to 95 percent by weight to 95 to 5 percent by weight. A preferred mixture consists of approximately equal parts by weight of both phases, i.e. for example 50% BN and 50% B2O3.
Den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist das isotherme Schmieden eines Gegenstandes (z.B. Verdichterrad) aus einer Titanlegierung (z.B. Ti-6 A1-4V) zugrundegelegt. Selbstverständlich können auch andere bei hoher Temperatur zu verformende Werkstoffe wie Nickel- und Kobaltlegierungen sowie Stähle nach dem gleichen Verfahren bevorzugt in einem Arbeitsgang in das Endprodukt übergeführt werden. Die Verwendung des Schmiermittels und die Anwendung des Verfahrens ist überdies nicht auf isothermes Schmieden begrenzt, sondern kann sich auf alle Fälle The following exemplary embodiments are based on the isothermal forging of an object (e.g. compressor wheel) made of a titanium alloy (e.g. Ti-6 A1-4V). Of course, other materials to be deformed at high temperature, such as nickel and cobalt alloys and steels, can also be converted into the end product in one operation, preferably using the same process. The use of the lubricant and the application of the process is also not limited to isothermal forging, but can in any case
5 5
10 10th
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erstrecken, wo bei erhöhter Temperatur Werkstoffe verformt werden sollen. Dies gilt sinngemäss auch für Pressen, Strangpressen, Fliesspressen, Warmpressen, Warmziehen und Warm-Durchdrücken, ferner für konventionelles Schmieden. extend where materials are to be deformed at elevated temperatures. This also applies to presses, extrusion, extrusion, hot pressing, hot drawing and hot pressing, as well as conventional forging.
Beispiel 1 example 1
In Fig. 2 ist der schematische Längsschnitt durch eine Schmiedepresse sowie das Aufbringen des Hochtemperatur-Schmiermittelfilms dargestellt. Die krafterzeugenden und kraftübertragenden Organe der Presse wie Presszylinder, Presstisch usw. sind in dieser Figur nicht gezeichnet. Die hier interessierenden Teile sind im wesentlichen das Gesenkunterteil 7, das Gesenkoberteil 8, der Auswerfer 9 und die Induktionsheizwicklung 14 zur Erwärmung des Werkzeuges und des Werkstückes. Die ganze Vorrichtung befindet sich in einem gasdichten Schutzgasgefäss 11, in welches während des Arbeitsablaufs ein Schutzgas 10 (z.B. Argon) eingeleitet wird. Das Gefäss 11, welches vorzugsweise zylindrische Form besitzt, ist mit einem seitlichen Flansch 12 mit Vakuumdurchführung versehen, in welcher sich eine Schmiermittel-Spritz-anlage 15 sowohl in Längsrichtung verschiebbar wie um die eigene Längsachse drehbar bewegen lässt (durch Pfeile angedeutet). Durch hohen Druck gelangt das Schmiermittelpulver 16 auf die Werkzeugoberfläche, wo es einen zusammenhängenden Hochtemperatur-Schmiermittelfilm 17 bildet. Der Werkstück-Rohling 'S kann mittels Zuführungszange 18 über das am Gefäss 11 seiilich angeflanschte Zuführungs- und Austragsrohr 13 quer zur Längsachse der Presse bewegt werden. 2 shows the schematic longitudinal section through a forging press and the application of the high-temperature lubricant film. The force-generating and force-transmitting elements of the press, such as the press cylinder, press table, etc., are not shown in this figure. The parts of interest here are essentially the lower die part 7, the upper die part 8, the ejector 9 and the induction heating winding 14 for heating the tool and the workpiece. The entire device is located in a gas-tight protective gas vessel 11, into which a protective gas 10 (e.g. argon) is introduced during the workflow. The vessel 11, which preferably has a cylindrical shape, is provided with a lateral flange 12 with a vacuum feedthrough, in which a lubricant spray system 15 can be moved both in the longitudinal direction and rotatable about its own longitudinal axis (indicated by arrows). Due to high pressure, the lubricant powder 16 reaches the tool surface, where it forms a coherent high-temperature lubricant film 17. The workpiece blank 'S can be moved transversely to the longitudinal axis of the press by means of feed tongs 18 via the feed and discharge tube 13 which is also flanged to the vessel 11.
Im vorliegenden Beispiel wurden das Gesenkunterteil 7 und das Gesenkoberteil 8 mittels der Induktionsheizwicklung 14 auf eine Temperatur von mindestens 800°C aufgeheizt. Hierauf wurde die Schmiermittel-Spritzanlage 15 zwischen die Gesenkhälften (7,8) eingefahren und das aus 50 Gewichtsprozent Bornitrid (BN) und 50% Borsäure (H3BO3) bestehende Schmiermittelpulver 16 durch Zerstäuben gleich-massig auf den metallischen Werkzeugoberflächen 2 (Fig. 1) aufgetragen, so dass sich ein zusammenhängender fest haftender, viskoser Schmiermittelfilm 17 bildete. Als druckerzeugendes, die Zerstäubung bewirkendes Medium wurde das Schutzgas 10, in diesem Falle Argon, verwendet. Dadurch ist eine sich stets erneuernde, die Oxydation des Werkzeuges und des Werkstückes verhindernde Atmosphäre von Schutzgas 10 gewährleistet. Nachdem das Aufbringen des Schmiermittels beendet war, wurde über das Zuführungsund Austragsrohr 13 mittels der Zuführungszange 18 ein Werkstück-Rohling 6 aus einer Titanlegierung (Ti-6 A1-4V) in das Gefäss 11 eingebracht. Der Werkstück-Rohling 6 kann dabei Raumtemperatur haben oder auf eine unterhalb der Schmiedetemperatur iiegende Temperatur vorgewärmt sein. Ob die Vorwärmung des Werkstück-Rohlings 6 durchgeführt wird oder nicht, ist für den Prozessablauf ohne Bedeutung und ist lediglich eine Frage der Wirtschaftlichkeit. In the present example, the lower die part 7 and the upper die part 8 were heated to a temperature of at least 800 ° C. by means of the induction heating winding 14. The lubricant spraying system 15 was then run in between the die halves (7, 8) and the lubricant powder 16 consisting of 50 percent by weight boron nitride (BN) and 50% boric acid (H3BO3) was atomized uniformly on the metallic tool surfaces 2 (FIG. 1) applied so that a coherent, firmly adhering, viscous lubricant film 17 was formed. The protective gas 10, in this case argon, was used as the pressure-generating, atomizing medium. This ensures a constantly renewing atmosphere of protective gas 10 which prevents the oxidation of the tool and the workpiece. After the application of the lubricant was finished, a workpiece blank 6 made of a titanium alloy (Ti-6 A1-4V) was introduced into the vessel 11 via the feed and discharge pipe 13 by means of the feed tongs 18. The workpiece blank 6 can be at room temperature or preheated to a temperature below the forging temperature. Whether the preheating of the workpiece blank 6 is carried out or not is irrelevant to the process and is merely a question of economy.
Fig. 3 zeigt den Stand der Arbeitsmittel und des Werkstückes zu Beginn des Schmiedevorganges. Der Werkstück-Rohling 6 befindet sich zwischen den sich genäherten Gesenkhälften (7,8), während sich die Schmiermittel-Spritzanlage 15 und die Zuführungszange 18 ausserhalb des Profils des Schmiedegesenks befinden. Letztere sind in dieser Figur der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet. Fig. 3 shows the state of the work equipment and the workpiece at the beginning of the forging process. The workpiece blank 6 is located between the approximate die halves (7, 8), while the lubricant spraying system 15 and the feed tongs 18 are located outside the profile of the forging die. The latter are not shown in this figure for the sake of clarity.
In diesem Beispiel wurde der Werkstück-Rohling 6 zwischen Gesenkunterteil 7 und Gesenkoberteil 8 zentriert und Werkstück sowie Gesenkhälften auf eine Temperatur von 900 bis 950°C gebracht. Danach wurde der isotherme Schmiedevorgang unter Konstanthaltung der Temperatur durchgeführt. In this example, the workpiece blank 6 was centered between the lower die part 7 and the upper die part 8 and the workpiece and die halves were brought to a temperature of 900 to 950 ° C. The isothermal forging process was then carried out while keeping the temperature constant.
Als Alternativ-Verfahrensschritt kann der Werkstück-Rohling 6 vor der Einführung in die Schmiedepresse ebenfalls mit einem Schmiermittel überzogen werden. Hierzu kann die gleiche oben erwähnte Mischung von 50 Gewichtsprozent Bornitrid und 50% Gewichtsprozent Borsäure dienen, welche auf den zuvor vorgewärmten Werkstück-Rohling 6 durch Spritzen oder Sprühen aufgebracht wird. Man kann aber auch eine Bornitridschicht bei Raumtemperatur auf den Werkstück-Rohling 6 aufbringen. Das Aufbringen des Hochtemperatur-Schmiermittels sowohl auf das Werkzeug wie auf den Rohling hat besonders bei der Formgebung komplizierter Werkstücke mit tiefen Nuten, schmalen Rippen und einspringenden Ecken Vorteile, da hierdurch ein Anfressen beim nachfolgenden Fliessvorgang unter der Presse am sichersten vermieden wird. As an alternative method step, the workpiece blank 6 can also be coated with a lubricant before being introduced into the forging press. The same mixture of 50 percent by weight boron nitride and 50 percent by weight boric acid mentioned above can be used for this purpose, which is applied to the previously preheated workpiece blank 6 by spraying or spraying. However, a boron nitride layer can also be applied to the workpiece blank 6 at room temperature. Applying the high-temperature lubricant to both the tool and the blank has advantages, particularly when shaping complicated workpieces with deep grooves, narrow ribs and recessed corners, since this is the safest way to avoid seizing during the subsequent flow process under the press.
In Fig. 4 ist der Stand der Arbeitsmittel und des Werkstückes am Ende des Schmiedevorganges dargestellt. Durch die Aufwärtsbewegung des Presstisches sind die beiden Gesenkhälften (7,8) zum gegenseitigen Aufliegen gekommen und der ehemalige Werkstück-Rohling füllt den Hohlraum zwischen Gesenkunterteil 7 und Gesenkoberteil 8 vollständig aus. Das geschmiedete Werkstück 20 hat seine endgültige Form erreicht. 4 shows the state of the work equipment and the workpiece at the end of the forging process. Due to the upward movement of the press table, the two die halves (7, 8) have come to rest against each other and the former workpiece blank completely fills the cavity between the lower die part 7 and the upper die part 8. The forged workpiece 20 has reached its final shape.
Fig. 5 zeigt die Schlussphase des Arbeitsvorganges mit dem Austragen des fertigen Erzeugnisses. Der im Gesenkoberteil 8 beweglich angeordnete Auswerfer 9 befindet sich in der unteren Endstellung und das geschmiedete Werkstück 20 liegtauf der Austragvorrichtung 19. Fig. 5 shows the final phase of the operation with the discharge of the finished product. The ejector 9 movably arranged in the upper die part 8 is in the lower end position and the forged workpiece 20 lies on the discharge device 19.
Im vorliegenden Beispiel wurde zunächst das auf dem nicht gezeichneten Presstisch ruhende Gesenkunterteil 7 vertikal abgesenkt, so dass die Austragvorrichtung 19 durch das Zuführungs- und Austragsrohr 13 zwischen die getrennten Gesenkhälften geschoben werden konnte. Hierauf wurde der Auswerfer 9 betätigt und das geschmiedete Werkstück 20 nach unten ausgestossen, so dass es auf die Austragvorrichtung 19 zu liegen kam. Anschliessend wurde das Werkstück 20 mittels letzterer über das Zuführungs- und Austragsrohr 13 und eine nicht weiter bezeichnete Schutzgasschleuse der Presse entnommen und ins Freie befördert. Auf diese Art und Weise bleibt die Schutzgasatmosphäre um die Gesenkhälften (7,8) herum erhalten. Nach Beendigung dieser Schlussphase des Arbeitsprozesses kann ein neuer Zyklus beginnen (siehe Fig. 2). In the present example, the lower die part 7 resting on the press table (not shown) was first lowered vertically, so that the discharge device 19 could be pushed through the feed and discharge tube 13 between the separate die halves. The ejector 9 was then actuated and the forged workpiece 20 was ejected downward, so that it came to rest on the discharge device 19. Subsequently, the workpiece 20 was removed from the press by means of the latter via the feed and discharge tube 13 and a protective gas lock (not further specified) and conveyed outside. In this way, the protective gas atmosphere around the die halves (7,8) is preserved. After this final phase of the work process has ended, a new cycle can begin (see FIG. 2).
Beispiel 2 Example 2
Ein aus einer Titanlegierung bestehender Werkstück-Rohling 6 wurde in der nach Beispiel 1 angegebenen Weise isotherm geschmiedet. Hierbei bestand das Hochtemperatur-Schmiermittelpulver 16 jedoch aus einer Mischung von 70 Gewichtsprozent Bornitrid (BN) und 30 Gewichtsprozent Borsäure (H3 BO3). Durch den höheren Bornitridgehalt wird die Adhäsion der Schmiermittelschicht verringert, was bei gewissen Werkstückformen, bei welchen das Ausstossen des fertigen Werkstückes aus dem Gesenk Schwierigkeiten bereitet, von Vorteil ist. A workpiece blank 6 consisting of a titanium alloy was forged isothermally in the manner specified in Example 1. Here, however, the high-temperature lubricant powder 16 consisted of a mixture of 70 percent by weight boron nitride (BN) and 30 percent by weight boric acid (H3 BO3). The higher boron nitride content reduces the adhesion of the lubricant layer, which is an advantage for certain workpiece shapes in which the finished workpiece is difficult to eject from the die.
Beispiel 3 Example 3
Die auf mindestens 800°C vorgewärmten Gesenkhälften (7,8) wurden zunächst mit reinem Borsäurepulver (H3BO3) besprüht, wobei sieh ein dünner gleichmässiger Überzug aus zähflüssigem Boroxydglas (B2O3) bildete, welcher alle Unebenheiten und Poren der metallischen Werkzeugoberflächen 2 (Fig. 1) ausfüllte und an letzteren gut haftete. Dann wurde auf die mit diesem B203-Überzug versehenen Gesenkhälften zusätzlich Bornitridpulver (BN) aufgesprüht, wobei die BN-Partikel durch den flüssigen B203-Film benetzt und festgehalten wurden. Diese Methode eignet sich besonders für komplizierte Gesenkformen mit schmalen, tiefen Nuten und einspringenden Kanten und Ecken sowie für mehrfach unterteilte Gesenke und in allen Fällen, wo Gesenkwerkstoff The die halves (7,8), preheated to at least 800 ° C, were first sprayed with pure boric acid powder (H3BO3) ) filled out and adhered well to the latter. Then additional boron nitride powder (BN) was sprayed onto the die halves provided with this B203 coating, the BN particles being wetted and held in place by the liquid B203 film. This method is particularly suitable for complicated die shapes with narrow, deep grooves and protruding edges and corners, as well as for multi-section dies and in all cases where die material is used
4 4th
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
und -Oberfläche eine mangelharte Benetzbarkeit erwarten lassen. surface and surface expect poor wettability.
Beispiel 4 Example 4
Auf den Oberflächen der vorgewärmten Gesenkhälften (7, 8) wurde zunächst in analoger Weise wie unter Beispiel 3 ein Überzug aus Borsilikatglas erzeugt, auf welchen anschliessend das Bornitridpulver aufgesprüht wurde. Das Borsilikat hatte dabei folgende Zusammensetzung: A coating of borosilicate glass was first produced on the surfaces of the preheated die halves (7, 8) in an analogous manner to that in Example 3, and the boron nitride powder was then sprayed onto it. The borosilicate had the following composition:
20% SÌO2 2% Na:0 77% B2O3 1 % AI2O3 20% SÌO2 2% Na: 0 77% B2O3 1% AI2O3
Selbstverständlich kann auch ein Borsilikatglas anderer Zusammensetzung gewählt werden, wobei letztere den Arbeitsbedingungen wie Druck, Temperatur, Verformungsgeschwindigkeit und Art des zu verformenden Werkstoffes angepasst werden können. Bevorzugte Zusammensetzungen der Borsilikatgläser zur Erzeugung der viskosen Phase des Hochtemperatur-Schmiermittelfilms sind die boroxyd-reichen Mischungen, die sich im folgenden Bereich bewegen: Of course, a borosilicate glass of a different composition can also be selected, the latter being able to be adapted to the working conditions such as pressure, temperature, rate of deformation and type of material to be deformed. Preferred compositions of the borosilicate glasses for producing the viscous phase of the high-temperature lubricant film are the boron-rich mixtures, which are in the following range:
20-40% SiOz 70-80% B2O3 max. 4% Na20 max. 2% AI2O3 20-40% SiOz 70-80% B2O3 max. 4% Na20 max. 2% AI2O3
Es ist eine Zusammensetzung anzustreben, welche im interessierten Temperaturbereich von 700 bis 1000°C eine dynamische Zähigkeit von ca. 104 Poisen hat. The aim should be a composition that has a dynamic toughness of approx. 104 poises in the temperature range of 700 to 1000 ° C.
Das Verfahren ist nicht auf die vorgenannten Beispiele beschränkt. Insbesondere kann sowohl auf das Werkzeug wie auf das Werkstück der Schmiermittelüberzug stufenweise aufgebracht werden, indem in allen Fällen zuerst ein flüssiger, viskoser Film aus einer das Bor in oxydischer Form enthaltenden Substanz gebildet wird, in welchen nachträglich Bornitrid-Partikel eingelagert werden. Dieser Vorgang kann auch wiederholt werden, so dass abwechselnd Bornitrid bzw. Boroxyd, Silikat etc. enthaltende Schichten entstehen. The method is not limited to the examples mentioned above. In particular, the lubricant coating can be applied in stages to both the tool and the workpiece, in all cases by first forming a liquid, viscous film from a substance containing the boron in oxidic form, in which boron nitride particles are subsequently incorporated. This process can also be repeated, so that layers containing boron nitride or boron oxide, silicate etc. are alternately formed.
Das Hochtemperatur-Schmiermittel lässt sich ganz allgemein in vorteilhafter Weise bei der Herstellung eines Films mit guten Gleit-, Schmier- und elektrischen Isoliereigenschaften auf der metallischen Oberfläche eines Werkzeuges oder Werkstückes verwenden. Dies gilt insbesondere für all die Fälle, wo absolute Wasserfreiheit bei hohen Arbeitstem629845 The high-temperature lubricant can generally be used advantageously in the production of a film with good sliding, lubricating and electrical insulating properties on the metallic surface of a tool or workpiece. This is especially true for all those cases where absolute water freedom with high working temperatures629845
peraturen zwecks Vermeidung von unerwünschten chemischen Reaktionen mit metallischen Werkstoffen gefordert wird. temperatures to avoid undesirable chemical reactions with metallic materials.
Durch die erfindungsgemässen Hochtemperatur-Schmiermittel und die entsprechenden Verfahren wurden Materialien und Methoden angegeben, welche den mechanisch-thermischen Anforderungen bei der Warmverformung metallischer Werkstoffe auch bei sehr hohen Arbeitstemperaturen und lang dauernden Formgebungsprozessen in hohem Masse gerecht werden. Dies gilt besonders für Verformungsvorgänge unter konstanter Temperatur im superplastischen Bereich des Werkstoffes, wie beispielsweise beim isothermen Schmieden. Das Schmiermittel zeichnet sich dank Vorhandensein einer flüssigen Phase durch gute Benetzbarkeit und Haftfähigkeit an der metallischen Oberfläche aus und kann ohne Zwischenkühlung von Werkzeug oder Werkstück kontinuierlich in den Arbeitsprozess integriert werden. Dies erlaubt eine unterbruchlose wirtschaftliche Fertigung auch bei Arbeitstemperaturen im Bereich von 900 bis 1200°C, wodurch insbesondere die Warmverformung von Titan-, Nickel- und Eisenlegierungen in günstiger, kostensparender Weise beeinflusst wird. The high-temperature lubricants according to the invention and the corresponding processes have given materials and methods which meet the mechanical-thermal requirements in the hot forming of metallic materials to a high degree even at very high working temperatures and long-lasting shaping processes. This applies particularly to deformation processes at constant temperature in the superplastic area of the material, such as isothermal forging. Thanks to the presence of a liquid phase, the lubricant is characterized by good wettability and adherence to the metallic surface and can be continuously integrated into the work process without intermediate cooling of the tool or workpiece. This allows uninterrupted economical production even at working temperatures in the range of 900 to 1200 ° C, which in particular affects the hot forming of titanium, nickel and iron alloys in a favorable, cost-saving manner.
Bezeichnungsliste der Figuren 1-5 List of designations of Figures 1-5
1 = 1 =
Werkstoff des Werkzeuges (TZM, Ni-Basislegierung) Tool material (TZM, Ni-based alloy)
2 = 2 =
Metallische Werkzeugoberfläche Metallic tool surface
3 = 3 =
Poren in der Werkzeugoberfläche Pores in the tool surface
4 = 4 =
Glasartiger, viskoser Überzug (B203-Gas, Glassy, viscous coating (B203 gas,
Borsilikatglas) Borosilicate glass)
5 = 5 =
Eingelagerte Bornitrid-Partikel Embedded boron nitride particles
6 = 6 =
Werkstück-Rohling Blank workpiece
7 = 7 =
Gesenkunterteil Lower part of the die
8 = 8 =
Gesenkoberteil Die top
9 = 9 =
Auswerfer Ejector
10 = 10 =
Schutzgas Shielding gas
11 = 11 =
Schutzgasgefäss Inert gas container
12 = 12 =
Flansch flange
13 = 13 =
Zuführungs- und Austragsrohr Feed and discharge pipe
14 = 14 =
Induktionsheizwicklung Induction heating winding
15 = 15 =
Schmiermittel-Spritzanlage Lubricant spraying system
16 = 16 =
Schmiermittelpulver Lubricant powder
17 = 17 =
Hochtemperatur-Schmiermittelfilm High temperature lubricant film
18 = 18 =
Zuführungszange Feeding tongs
19 = 19 =
Austragvorrichtung Discharge device
20 = 20 =
Geschmiedetes Werkstück Forged workpiece
5 5
5 5
10 10th
15 15
20 20th
25 25th
30 30th
35 35
40 40
45 45
B B
2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings
Claims (14)
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---|---|---|---|
PL | Patent ceased |