CH681068A5

CH681068A5 -

Info

Publication number: CH681068A5
Application number: CH462089A
Authority: CH
Inventors: Beat Hofer
Original assignee: Htm Ag
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1993-01-15
Also published as: DE4040032A1

Description

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CH 681 068 A5

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Füllbüchsen für Druckgussmaschinen. Die Füllbüchsen werden mit einer Schutzschicht aus pulvermetallurgischem, W enthaltendem Material oder aus keramischem Material hergestellt. Die erfindungsgemäss hergestellten Füllbüchsen besitzen eine hohe Lebensdauer und werden durch das bei der Verwendung mit der Füllbüchse in Kontakt kommende, flüssige Metall kaum angegriffen.

Die heutigen Druckgiessmaschinen zur Herstellung formgenauer Aluminium- oder Zinkdruckgussteile besitzen zum Einfüllen des flüssigen Materials eine Füllkammer oder Füllbüchse. Ein in der Füllbüchse geführter Kolben drückt das durch die Füllöffnung eingefüllte flüssige Metall in den Formhohlraum. Darin erstarrt die Schmelze und der Kolben wird zurückgezogen und gibt die Einfüllöffnung frei für den nächsten Einfüllvorgang. Während dieses Prozesses wird die Füllbüchse mehrfach belastet:

a) eine Temperaturwechselbelastung durch das Einfüllen des flüssigen Materials und das anschliessende Wegdrücken des heissen Materials und wieder Freigabe der Füllöffnung an zirkulierende Luft;

b) Angriff der Füllbüchse unterhalb der Einfüllöffnung durch Einfüllen des flüssigen Materials. Der Giessstrahl trifft immer die gleichen Örtlichkeiten, heizt das Material auf und transportiert beim Weglaufen gelöste Teile der Füllbüchse mit in die Form;

c) Angriff der Füllbüchse während des Druckvorganges durch das sich bewegende flüssige Metall;

d) mechanische Druckbelastung der Füllbüchse, wenn der Kolben das flüssige Material durch die Ein: füllöffnung in den Formhohlraum drückt.

Üblicherweise besteht eine solche Füllbüchse aus den Werkstoffen 1.2344 oder 1.2343, die auf eine Härte von HRC = 40—46 gebracht werden. Leider führen aber Auswaschungen unter der Füllöffnung zu vorzeitiger Ausserbetriebnahme der Füllbüchsen und verursachen ausser den direkten Reparaturkosten für die Flickarbeiten (ausdrehen auf einen grösseren Durchmesser) zusätzliche Stillstandszeiten der Druckgussmaschinen, die einen hohen Stundensatz aufweisen.

Es wurde deshalb seit längerer Zeit versucht, die Standzeiten der Füllbüchsen durch eine Verbesserung der Verschleisseigenschaften an der Innenseite zu verlängern. Dies wurde in erster Linie durch ein zusätzliches Nitrieren des Stahls versucht, brachte aber nicht den durchschlagenden Erfolg. Weitere Experimente mit PVD- oder CVD-Schichten (<15 (im) brachten eher Verschlechterungen, da nach dem ersten Aufbrechen der Schicht der darunterliegende Stahl überhaupt nicht mehr geschützt war.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Füllbüchsen zur Verfügung zu stellen, die frei von den obengenannten Nachteilen sind. Gegenstand der Erfindung ist das in Anspruch 1 definierte Verfahren.

Erfindungsgemäss wurde dieses Problem nun gelöst, indem wiederum als tragendes Material Stahl gewählt wurde, wobei die Stahlqualität nur nach den Festigkeitsbedürfnissen festgelegt werden muss. Bei niedrigen spezifischen Flächendrücken reicht ein Stahl der Qualität St 52. Wird eine höhere Festigkeit verlangt, wird ein Vergütungsstahl der Qualitäten 1.2344 oder 1.2343 gewählt, der durch eine entsprechende Wärmebehandlung auf die gewünschte Festigkeit gebracht wird.

Erfindungsgemäss wird mittels heissisostatischem Pressen eine selbsttragende Verschleissschicht von vorzugsweise > 0,5 mm in einen Hohlkörper eingebracht. Normalerweise beträgt die Schichtdicke 2 mm. Dadurch wird dem Material in sich eine genügende Festigkeit verliehen und bei Beanspruchungen wird das Abplatzen der Schicht verhindert. Zusätzlich wird diese Schicht noch mittels des HlP-Verfah-rens mit dem Grundmaterial durch Bildung einer Diffusionsschicht verbunden. Dies verhindert wiederum Abplatzungen.

Die Schichtzusammensetzung bildet aber die entscheidende Frage für die Lebensdauer der Füllbüchse. Gute mechanische Haftung, genügend grosse Schichtstärke sind eine Voraussetzung.

Eine Materialwahl, die garantiert, dass die Schicht nicht durch das flüssige Material angegriffen wird, ist erfindungsgemäss durch folgende Überlegungen ausgelöst worden:

Wolfram + Mo besitzen einen hohen Schmelzpunkt und werden durch flüssiges Aluminium und Zink kaum angegriffen. Das Einbringen von Wolfram oder Mo in eine Stahlbüchse erweist sich aber als sehr schwierig und aufwendig. Eine Lösung bietet die Pulvermetallurgie durch heissisostatisches Pressen. Aber auch da bietet der hohe Schmelzpunkt von W + Mo Probleme, denn um eine hohe Dichte bei geringer Porosität zu erreichen, sind Sintertemperaturen zu wählen, die über dem Schmelzpunkt des Stahls liegen. Aus diesem Grunde wurde dem Material Co beigegeben, um die Sinteraktivität zu erhöhen und die Sintertemperatur in den Bereich unterhalb des Schmelzpunktes von Stahl zu setzen. Die Zugabe von C erhöht die Härte der Verschleissschicht durch Bildung von Karbiden.

Da eine Sinterung nicht ausreicht, um eine genügend hohe Dichte der Schutzschicht und einen Verbund mit dem Grundmaterial zu erreichen, wurde das heissisostatische Pressverfahren gewählt, das während des Sinterns zusätzlich auf das zu sinternde Material einen hohen Druck ausübt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäss hergestellte Füllbüchse;

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Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung eines Festkerns und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung eines Hohlkerns.

In dem in Fig. 1 dargestellten Werkzeug besitzt die Füllbüchse 1 die Schutzschicht 2 aus Wolfram-haltigen Sinterwerkstoff oder aus keramischem Material. Der Kolben 3 drückt das durch die Füllöffnung 4 in den Hohlraum 5 der Füllbüchse eingefüllte flüssige Metall durch die Werkzeugeinfüllöffnung 6 in den Formhohlraum 7. Nach der Erstarrung der Schmelze in diesem Formhohlraum wird der Kolben 3 zurückgezogen und die Einfüllöffnung 4 wird für den nächsten Einfüllvorgang freigegeben.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Herstellung einer Füllbüchse mit einer inneren Schutzschicht aus Sintermetall. Hier werden feste Kerne 9, 10 auf der Innenseite und bei der Einfüllöffnung verwendet. Zwischen dem Grundkörper 12 und dem inneren Festkern 9 befindet sich der Zwischenraum 11, welcher zur Aufnahme der Schutzschicht dient. Dieser Raum ist mit dem pulverförmigen Ausgangsmaterial für die Sinterung aufgefüllt. Bei gefülltem Zustand wird der Zwischenraum mit dem pulverförmigen Material durch die Deckel 13 und 14 verschlossen.

Fig. 3 zeigt ebenfalls einen Schnitt durch eine Anordnung zur Herstellung einer Füllbüchse mit einer verstärkten Innenschicht. Im Gegensatz zu der Anordnung gemäss Fig. 2 wird hier ein Hohlkern 15 verwendet, welcher zur Bildung des Hohlraums 17 zwischen dem Grundkörper 16 und der Wand des Hohlkerns dient. Durch die Ausgestaltung am unteren Ende des Hohlkörpers ist lediglich ein oberer Deckel 18 erforderlich. Durch die Anwendung von Druck wird das Pulvermaterial durch die Wand 15 des Hohlkernes zusammengedrückt.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden spezielle Ausführungsbeispiele erläutert:

Beispiel 1

Ein Stahl der Qualität St 52 wurde innen um das aufzutragende Mass der gewünschten Schichtstärke ausgedreht und mit einem Hohlrohr oder Festkern gemäss Fig. 2 gekapselt. Der Hohlraum wurde mit einem Gemisch von

W = 98% + Komgrösse <100 (am Co = 2% + Komgrösse < 20 {im gefüllt und der Deckel oben angeschweisst.

Dieser derartig gefertigte Körper wurde in eine heissisostatische Presse eingebracht und während 3 h einem Druck von > 1000 MPa bei einer Temperatur von 1340°C ausgesetzt. Dies war ausreichend, um einen Verbund zwischen den beiden Materialien zu erhalten und eine dichte Schutzschicht zu bilden. Die nachfolgende Bearbeitung brachte den Körper in die gewünschte Füllbüchsenform. Der Einsatz in einer Druckgussmaschine erbrachte eine Standzeit von ca. 60 000 Schuss, was einer Standzeitverbesserung von 4 x entspricht.

Da derartige Körper nicht leicht zu bearbeiten und relativ teuer sind, wurde versucht, auf Eisenbasis eine neue Legierung zu entwickeln, die Kompromisse an die Verschleissfestigkeit zulässt, aber einfacher herzustellen und zu bearbeiten ist.

Gewählt wurden wiederum die Grundelemente W + Mo, die mit flüssigem Aluminium und Zink schlecht reagieren. Um eine direkte Herstellungsart zu ermöglichen, wurden diese Elemente mit reinem Eisen legiert. Chrom, Kohlenstoff und Vanadium wurden beigegeben, um die Verschleissfestigkeit wie auch die reine Festigkeit des Materials zu verbessern.

Beispiel 2

Ein Stahl der Qualität 1.2344 wurde innen um das aufzutragende Mass der gewünschten Schichtstärke ausgedreht und mit einem Hohlrohr oder Festkern gemäss Fig. 2 + 3 gekapselt. Der Hohlraum wurde mit einer verdüsten Pulverlegierung mit der Analyse

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w =

40

Gew.-%

Mo =

8

Gew.-%

Cr =

12

Gew.-%

V

4

Gew.-%

C

0,8

Gew.-%

Co =

1

Gew.-%

Fe =

Rest

gefüllt und der Deckel oben verschweisst und heissisostatisch verpresst.

Ein derartig hergestellter Rohling wurde zu einer Füllbüchse bearbeitet, wärmebehandelt und wiederum bei einer Druckgiessmaschine eingesetzt. Die erreichten Standzeiten lagen bei 40 000 Schuss, was einer Verdoppelung der gewöhnlichen Standzeit entspricht.

Metallische Schutzschichten können langzeitig dem Angriff des flüssigen Metalls nicht standhalten. Der Einsatz von höher schmelzenden Metalien bringt zwar eine bedeutende Verbesserung, ist aber noch nicht die optimalste Lösung. Es wurde darum überlegt, ob nicht eine keramische Masse noch besseren Schutz bietet. Die Benetzbarkeit von Keramik gegenüber Stahl ist klein und bei gewissen Typen ausgesprochen gering. Als Nachteil der Keramik sind die schlechte mechanische Bearbeitbarkeit und die niedrige Zugfestigkeit zu erwähnen. Mittels eines durch heissisostatisches Pressen hergestellten Verbundkörpers ist aber auch für diese Probleme eine Lösung anzubieten.

Beispiel 3

Ein Körper aus St 52 nach Skizze 2, Variante Festkern, wurde hergestellt und der Hohlraum mit einem Pulver der Qualität Si AION, Komgrösse <10 um, gefüllt. Mit den beiden Deckeln wurde dieser Körper gasdicht verschweisst und bei 1300°C während 3 h mit 1000 MPa heissisostatisch gepresst. Nach dem HIP'en wurde der Festkern aus Stahl ausgebohrt und die Innenform durch Honen auf den gewünschten Durchmesser gebracht. Ein relativ billiger Bearbeitungsaufwand an der harten Keramik wurde durch den der Endkontur nahen Stahlinnenkern möglich. Die Fertigbearbeitung erfolgte am Stahl problemlos, da auch die Einfüllöffnung durch das Einbringen eines Festkerns endkonturnahe gebracht werden konnte.

Durch die Kombination einer festen Stahlschicht aussen und der Keramikbeschichtung innen gelang es, im Praxisversuch die Standzeit um ein Mehrfaches der gewöhnlichen zu verbessern.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Füllbüchse für Druckgussmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die dem flüssigen Metallstrom ausgesetzte Innenseite eines Stahlhohlzylinders mittels heissisosta-tischem Pressen mit einer pulvermetallurgischen, W enthaltenden oder keramischen Schutzschicht mit einer Dicke von mindestens 0,2 mm ausgekleidet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pulvermetallurgische Schutzschicht mit der nachstehenden Zusammensetzung in Gew.-% aufgetragen wird:

W

80-99,5

Co =

0,5-5

Mo =

0,01-20

C

= <2,5

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pulvermetallurgische Schutzschicht mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% aufgetragen wird:

W

30-60

Co

= 0,5-5

Mo =

0,2-20

Cr =

10-20

V

2-10

C

<2,5

Fe =

Rest

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Keramikschutzschicht aus Si AION, AIN, AION oder AI2TÌO5 aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine Schichtdicke von etwa 2 mm aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Metallpulver eine Komgrösse von < 1000 jj.m aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Druck von mindestens 10 MPa, vorzugsweise bei 100 MPa, gearbeitet wird.

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