CH630112A5 - Verfahren zum aufbringen eines schmiermittelfilms. - Google Patents

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CH630112A5 CH1305077A CH1305077A CH630112A5 CH 630112 A5 CH630112 A5 CH 630112A5 CH 1305077 A CH1305077 A CH 1305077A CH 1305077 A CH1305077 A CH 1305077A CH 630112 A5 CH630112 A5 CH 630112A5
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Rolf Luethi
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Schmiermittelfilms auf ein Hochtemperatur-Werkzeug. Die Erfindung betrifft ferner eine Anwendung des Verfahrens.
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. Bei Graphit besteht ausserdem die Tendenz, mit dem Material des Werkzeuges (insbesondere Molybdänlegierungen wie TZM) oder des Werkstückes in chemische Reaktion zu treten. Eine derartige Kohlenstoffaufnahme ist jedoch vom Standpunkt der Materialeigenschaften aus gesehen durchaus unerwünscht. Dabei isothermen Hochtemperatur-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 beim 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 Aufschlämmung 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. Watmough, «Development of isothermal forging of tita-nium 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 components», Bericht AD-780 044 herausgegeben vom NTIS, National Technical Information Service, US Department of Commerce, December 1973, S. 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 u.a. aus den vorgenannten Veröffentlichungen hervor (siehe oben: Bericht AD 780-044 der NTIS, S. 43,50,54,58; ferner DJ. Abson, F.J. Gurney, «Heated dies for forging and friction studies on a modified hydraulic forge press», Metals an Materials, December 1973, S. 539).
Darüber hinaus sind die bekannten Verfahren des Aufbringens des Schmiermittelfilms auf der interessierten Metall-oberfläche durch Eintauchen, Aufsprühen, Einbrennen etc. umständlich, aufwendig und zeitraubend. Die in Flüssigkeiten suspendierten aktiven Bestandteile herkömmlicher Schmiermittel müssen nass auf das Werkzeug aufgebracht werden. Dem flüssigen Medium muss Gelegenheit geboten werden, zu trocknen oder zu verdampfen. Wird andererseits das Schmiermittel, z.B. Bornitrid in fester Form durch konventionelles Sprühen eines Pulvers aufgebracht, so lässt seine Haftfestigkeit an der Metalloberfläche zu wünschen übrig. Ausserdem lassen sich mit dieser herkömmlichen Methode schwerlich dichte, zusammenhängende Überzüge herstellen.
Es besteht daher ein ausgesprochenes Bedürfnis nach neuen Methoden der Erzeugung von Schmiermittelfilmen auf metallischen Werkzeugen, welche dauernd hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Insbesondere besteht der Wunsch, neue Werkzeuge, deren Oberfläche durch die vorangegangene spanabhebende Bearbeitung (Drehen, Fräsen, Hobeln, Schleifen, Polieren, Erodieren, elektrochemisches Senken
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zur Erzeugung eines dauerhaften und fest haftenden Schmiermittelfilms auf der metallischen Oberfläche eines Hochtemperatur-Werkzeuges anzugeben, wobei gleichzeitig die Rauhigkeit der Werkzeugoberfläche vermindert, die Poren verschlossen und die dicht unter der Oberfläche liegende Randzone des Werkzeugs nachverdichtet, kaltverfestigt und in einen Zustand der Druckvorspannung übergeführt werden soll. Das Verfahren soll eine hohe Abriebfestigkeit, Gleitfähigkeit und optimale Viskosität des aufgetragenen Schmiermittelfilms bei Betriebstemperaturen gewährleisten und sich in bevorzugter Weise für neue, frisch bearbeitete, blanke Werkzeugsoberflächen eignen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Schmiermittel als Strahlkomponente in Pulverform mittels einer Sandstrahleinrichtung mit hoher Geschwindigkeit auf die Werkzeugoberfläche geschleudert und zu einem zusammenhängenden Überzug verdichtet wird und dass gleichzeitig die Werkzeugoberfläche durch die aufgeschleuderten Schmiermittelpartikel geglättet, verfestigt und unter Druckvorspannung gesetzt wird. Das Verfahren wird in besonders vorteilhafter Weise bei der Warmverformung durch Pressen, Strangpressen, Fliesspressen, Warmpressen, Warmziehen, Warm-Durchdrücken und Warmschmieden von Nickel-, Titan- und Eisenlegierungen mittels eines Werkzeuges aus einer Nickelbasislegierung, einer Molybdänlegierung (TZM) oder einem Warmarbeitsstahl angewendet.
Das Verfahren eignet sich vorzugsweise für neue, ungebrauchte Werkzeuge mit frischer, spanabhebend bearbeiteter, jedoch noch nicht weiter behandelten Oberfläche. Darunter fallen vor allem Schmiedegesenke zum isothermen Schmieden von Legierungen erhöhter Warmfestigkeit.
Weitere Eizelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem nachstehenden Ausführungsbeispiel.
Ein für isothermes Schmieden von Titanlegierungen (z.B. Ti 6 Al 4V) vorgesehenes, neu bearbeitetes Gesenk aus einer Molybdänlegierung des Typs TZM (z.B. 0,5% Ti, 0,08% Zr, 0,02% C, Rest Mo) wurde in eine Kugelstrahlanlage eingebracht. Die normalerweise mit Quarz bzw. Stahlsand betriebene Anlage wurde jedoch mit Bornitridpulver der Partikelgrösse 0,6 (j. bis 1,5 )i beschickt und die Gesenkoberfläche einem BN-Strahl unter einem Gasdruck von 4 bis 5 atü ausgesetzt. Dadurch wurde ein dreifacher Effekt erzielt: Erstens wurde die durch die Bearbeitung (Drehen, Fräsen, Hobeln, Schleifen, Polieren, Erodieren, elektrochemisches Senken etc.) eine gewisse Rauhigkeit aufweisende Metalloberfläche des Werkzeugs geglättet. Zweitens bewirkte der Stoss der mit hoher Geschwindigkeit auf die Metalloberfläche auftreffenden BN-Partikel eine Verdichtung und Kaltverfestigung
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der ersteren, wobei zusätzlich eine für das mechanische Betriebsverhalten günstig wirkende Druckvorspannung eingebracht wurde. Drittens drangen die BN-Partikel teilweise in die Metalloberfläche ein und bildeten so eine gut haftende, zusammenhängende, dünne Bornitridschicht, welche ausgezeichnete Hochtemperatur-Schmiereigenschaften besitzt. Nach dieser Behandlung wies das Gesenk eine BN-Schicht von durchschnittlich 0,5 jj. bis 1 ja. Dicke auf. Statt mit reinem Bornitrid (BN) zu strahlen, kann auch eine Mischung von Bornitrid mit Boroxyd (B2O3) bzw. Borsäure (H3BO3) verwendet werden. Desgleichen lässt sich das Verfahren auch unter Zusatz von bei Betriebstemperatur einen glasartigen Überzug bildenden Substanzen wie z.B. Borsilikatglas oder Borax, zum Bornitrid durchführen. Das Mischungsverhältnis kann je nach Anwendungsfall 5 bis 95 Gewichtsprozente der vorgenannten zweiten Komponente, Rest Bornitrid,
betragen. Das Borsilikatglas hat in bevorzugter Weise folgende Zusammensetzung:
8-10 Gew.-% SÌO2 2-14 Gew.-% Na20 max. 4 Gew.-% CaO 30-90 Gew.-% B2O3 max. 2 Gew.-% AI2O3
Des weiteren kann man auch mit einer Mischung von BN, BN + B2 O3 etc. strahlen, welche einen variablen Prozentsatz von kugelförmigen Glas- oder Stahlpartikeln enthält. Dabei kann der Gehalt an letzteren zwischen 1 und 99 Gew.-% der Gesamtmischung betragen, welche je nach zu verformendem Werkstoff Durchmesser von etwa 0,2 bis 1 u haben können. Für das isotherme Schmieden von Titanlegierungen (z.B. Ti6 Al 4V) eignet sich ein Zusatz von Glaspartikeln von 0,3 ^
oder von Stahlpartikeln von 0,4 bis 0,6 [i. Durchmesser.
Durch die Zumischung von Glas- oder Stahlpartikeln zum Strahl wird das Bornitridpulver (bzw. die Mischung BN + B2O3, BN + H3BO3 etc.) noch besser in die Werkzeugoberfläche eingehämmert und letztere unter höhere Druckvorspannung gesetzt.
Mit der oben beschriebenen Methode können Überzüge besonders hoher Haftfestigkeit erzeugt werden, wobei sich zudem die Viskosität bei Betriebstemperatur in weiten Grenzen durch das Verhältnis Bornitrid zu glasartigem Zusatz variieren und für jeden gegebenen Anwendungsfall optimal einstellen lässt.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren zum Aufbringen eines Schmiermittelfilms auf Hochtemperatur-Werkzeugen wurde eine Methode angegeben, welche gleichzeitig die Oberflächengüte zu erhöhen und eine fest haftende Schmiermittelschicht zu erzeugen gestattet. Die insbesondere für Schmiedegesenke bevorzugte Methode eignet sich vor allem für frisch bearbeitete neue Werkzeuge, welche zum ersten Mal in Gebrauch gehen.
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Claims (11)

630112 PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Aufbringen eines Schmiermittelfilms auf ein Hochtemperatur-Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel als Strahlkomponente in Pulverform mittels einer Sandstrahleinrichtung mit hoher Geschwindigkeit auf die Werkzeugoberfläche geschleudert und zu einem zusammenhängenden Überzug verdichtet wird und dass gleichzeitig die Werkzeugoberfläche durch die aufgeschleu-derten Schmiermittelpartikel geglättet, verfestigt und unter Druckvorspannung gesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel Bornitridpulver verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel eine Mischung von 95 Gew.-% bis 5 Gew.-% Bornitrid- und 5 Gew.-% bis 95 Gew.-% Borsäurepulver verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel eine Mischung von 95 Gew.-% bis 5 Gew.-% Bornitrid- und 5 Gew.-% bis 95 Gew.-% Borsilikatglas-Pulver verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Borsilikatglas die Zusammensetzung
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel eine Mischung von 95 Gew.-%bis 5 Gew.-% Bornitrid- und 5 Gew.-% bis 95 Gew.-% Boraxpulver verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmiermittel zusätzlich kugelförmige Glas- und/oder Stahlpartikel von 0,2 bis 1 |i Durchmesser beigemischt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaspartikel einen Durchmesser von 0,3 ja. und die Stahlpartikel einen solchen von 0,4 bis 0,6 |i aufweisen und dass der Anteil der Glas- und/oder Stahlpartikel an der gesamten Pulvermischung 1 bis 99 Gew.-% beträgt.
8-60 Gew.-% SÌO2 2-14 Gew.-% Na20 max. 4 Gew.-% CaO 30-90 Gew.-% B2O3 max. 2 Gew.-% AI2O3
hat.
9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei der Warmverformung von Nickel-, Titan- oder Eisenlegierungen.
10. Anwendung nach Anspruch 9 beim Warm-Strang-pressen, Warm-Fliesspressen, Warmpressen, Warmziehen, Warm-Durchdrücken und Warmschmieden.
11. Anwendung nach Anspruch 9 beim isothermen Schmieden eines Werkstückes in einem einfach oder mehrfach geteilten Gesenk aus einer Nickelbasislegierung, einer Molybdänlegierung oder einem Warmarbeitsstahl.
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