DD155701A3 - MANGAN ALUMINUM MULTIPORT BRONZE FOR UM AND TOOL TOOLS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Mn-Al-Mehrstoffbronze fuer Um- und Urformwerkzeuge, insbesondere fuer Zieh-, Biege- und Spritzgussformwerkzeuge der metall- und plastverarbeitenden Industrie. Das Ziel der Erfindung ist es, eine Mn-Al-Mehrstoffbronze fuer den genannten Verwendungszweck zu entwickeln, bei der das Sparstoffelement Zinn einzusparen, der Cu-Anteil wesentlich zu reduzieren und die schaedliche Wirkung von C-Anteil ueber den bekannten Wert von 0,03 zu beseitigen ist. Gleichzeitig ist eine qualitative Verbesserung der Legierung anzustreben. Diese Verbesserung soll die Zaehigkeit, das Verschleissverhalten, die Giessbarkeit und Bearbeitbarkeit verbessern und eine Waermebehandlung fuer nicht erforderlich machen. Die gefundene Legierung, die diese Bedingungen erfuellt, hat die chemische Zusammensetzung von Mn 9,0 - 11,0 %, Zn 5,5 - 10,0 %, Al 7,5 - 9,0 %, Fe 2,0 - 4,0 %, Ni 1,5 - 3,0 %, C 0,03 - 0,20 % und Rest Cu. Die mit dieser Legierung erreichbaren mechanischen Eigenschaften betragen Bruchfestigkeit 700 - 850 MPa, Haerte 200 - 300 HB, Bruchdehnung 10 - 3 %, Waermeleitfaehigkeit 0,2 cal/grd. sec. m.The invention relates to a Mn-Al-Mehrstoffbronze for reshaping and forming tools, especially for drawing, bending and injection molding of the metal and plastic processing industry. The object of the invention is to develop a Mn-Al-Mehrstoffbronze for the application mentioned, in which the saving element tin to save, to reduce the Cu content significantly and the harmful effect of C-share over the known value of 0.03 is to be eliminated. At the same time, a qualitative improvement of the alloy should be aimed for. This improvement is intended to improve the toughness, the wear behavior, the castability and machinability and make heat treatment unnecessary. The found alloy satisfying these conditions has the chemical composition of Mn 9.0 - 11.0%, Zn 5.5 - 10.0%, Al 7.5 - 9.0%, Fe 2.0 - 4 , 0%, Ni 1.5-3.0%, C 0.03-0.20% and balance Cu. The mechanical properties attainable with this alloy are breaking strength 700-850 MPa, hardness 200-300 HB, elongation at break 10-3%, thermal conductivity 0.2 cal / grd. sec. m.
Description
Titel:Title:
Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze für Um- und UrformwerkzeugeManganese-aluminum multi-material bronze for tools and molds
Anwendungsgebiet der Erfindung:Field of application of the invention:
Die Erfindung betrifft eine Magan-Aluminium-Mehrstoffbronze für Um- und Urformwerkzeuge, insbesondere für Zieh-, Biege- und Spritzgußformwerkzeuge·The invention relates to a Magan-aluminum multi-material bronze for Um- and Urformwerkzeuge, especially for drawing, bending and injection molds ·
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:Characteristic of the known technical solutions:
Beim Umformen von Blechen treten an den aktivwirkenden Elementen Roibungen auf, die zu einem hohen Verschleiß führen» Diese VerschleißeX1Seheinungen können durch Schmiermittel, Beschichten der Bleche, Einlegen von Folien und den Einsatz von NE-Legierungen für die aktiven Werkzeugelernente verringert werden· Beim Umformen von rostfreien Blechen ergaben sich zusätzliche Schwierigkeiten in der Form, daß sich an den aktivwirkenden Elementen der Umformwerkzeuge bei Verwendung bekannter Werkzeugstähle Kaltaufschweißungen ergeben. Diese KaItaufschweißungen führten zur Riefenbildung an den Umformteilen und damit zu einer ständigen Qualitätsverschleohterung derselben, die bis zum Ausschuß führen kann· Es wurde bereits vorgeschlagen, daß zur Beseitigung des Kaltauf-Schweißens Aluminium-Bronzen mit den Zusammensetzungen 8,5 bis 11,5 $ Al bis 7,0 # Fe bis 1,0 % Mn bis 2,5 $ SiWhen forming metal sheets Roibungen occur at the active-acting elements, which lead to high wear "This VerschleißeX 1 Seheinungen can be reduced by lubricants, coating the plates, inserting foils and using non-ferrous alloys for the active tool learning duck · during forming Stainless steel sheets gave rise to additional difficulties in the form of cold welding on the active elements of the forming tools using known tool steels. These cold welds led to scoring of the formed parts and thus to a constant quality slopping of the same, which can lead to scrap. It has already been suggested that to eliminate the cold-welding, aluminum bronzes having the compositions 8.5 to 11.5 $ Al to 7.0 # Fe to 1.0 % Mn to $ 2.5 Si
bis 6,5 % Ni Rest Cu oderup to 6.5 % Ni balance Cu or
8,0 # Al8.0 # Al
13,0 І> Mn13,0 І> Mn
2,0 % Pe2.0 % Pe
2,5 $ Ne$ 2.5 Ne
Rest CuRest of Cu
eingesetzt werden, die jedoch den Nachteil haben, daß sie sehr hart und spröde und dadurch mechanisch sohwer bearbeitbar sind» Des Kelteren ist bei dieser Legierung zur Gewährleistung ihrer Bearbeitbarkeit eine Wärmebehandlung erforderlich. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, daß mit dieser Legierung nur geringe Standmengen realisiert werden können·are used, but have the disadvantage that they are very hard and brittle and thus mechanically sohwerbar »The Kelteren is in this alloy to ensure its workability, a heat treatment required. Furthermore, it has a disadvantageous effect that only small amounts of stagnation can be realized with this alloy.
Um diese Nachteile zu beseitigen wurde auch schon vorgeschlagen, eine Kupfer-Nickel-Manganlegierung mitTo overcome these disadvantages has also been proposed, a copper-nickel-manganese alloy with
20 $> Ni und 20 $ Mn $ 20 > Ni and $ 20 Mn
bzw. 30 % Ni und 30 $ Mn einzusetzen.or 30 % Ni and 30 $ Mn.
Die Ne-Legierungen Cu-Ni-Mn 20/20 und Cu-Ni-Mn 30/30 sind relativ gut mechanisch bearbeitbar, müssen jedoch ebenfalls nachträglich vor dem Einsatz als aktives ¥erkzeugelement vergütet werden, wobei eine maßliche bzw« geometrische Veränderung dieser Teile nicht aus— bleibt.The Ne alloys Cu-Ni-Mn 20/20 and Cu-Ni-Mn 30/30 are relatively easy to process mechanically, but must also be subsequently coated before use as an active erk erkzeugelement, with a dimensional or geometric change of these parts not left out.
Mittels dieser Legierungen lassen sich qualitativ gute Umformteile herstellen, jedoch werden keine zufriedenstellenden Standmengen erreicht. Die Anfertigung der Aktivtoile bedarf eines hohen Zerspanungsprozesses, da das Grundmaterial nur als Knetwerkstoff in Form von Platten bzw. Halbzeugen zur Verfügung gestellt werden kann« Mit den bekannten Aluminiumbronzen mit einem Al-Gehalt über 9 І* lassen sich qualitativ gute Umformteile herstellen, jedoch befriedigen die möglichen Standmengen nicht, weiterhin können die aktiven Werkzeugelementѳ wegen ihrer hohen Festigkeit nur mittelsBy means of these alloys, good quality formed parts can be produced, but no satisfactory levels are achieved. The production of Aktivtoile requires a high machining process, since the base material can be made available only as a kneading material in the form of plates or semi-finished products. "With the known aluminum bronzes with an Al content above 9 І * can produce good quality molded parts, but satisfy the possible free-standing quantities, furthermore, the active Werkzeugelementѳ because of their high strength only by means of
ЗО Spezialmaschinen und ¥erkzeugen bearbeitet werden.Special machines and tools are to be processed.
Auch wurde schon eine Kupfer-Gußlegierung der ZusammensetzungAlso has been a copper casting alloy of the composition
9.0 bis 13,0 $ Mn9.0 to 13.0 $ Mn
7.1 bis 12,0 $ Zn 1,0 bis 3»0 % Fe7.1 to 12.0 $ Zn 1.0 to 3 »0 % Fe
bis 4,0 # Nito 4.0 # Ni
4,5 bis 7,0 # Ai und mindestens 65,0 $ Cu vorgeschlagen»4.5 to 7.0 # Ai and at least 65.0 $ Cu proposed »
Diese Legierung läßt zwar eine normale Bearbeitung zu, aber aufgrund ihrer geringen Festigkeit und geringen Härte können mit ihr keine befriedigenden Standmengen erreicht werden. Diese Legierung eignet sich besonders für mechanisch und chemisch beanspruchte Teile, wie beispielsweise Schiffsschrauben, Schiffbauteile und Pumpenteile. Ein besonderes störendes Element zur Erreichung der notwendigen hohen Zähigkeit dieser Legierung ist der Kohlenstoff, der deshalb auf 0,03 % begrenzt wird.Although this alloy permits normal machining, it can not be achieved satisfactory levels due to its low strength and low hardness. This alloy is particularly suitable for mechanically and chemically stressed parts, such as, for example, propellers, ship components and pump parts. A particular disturbing element to achieve the necessary high toughness of this alloy is the carbon, which is therefore limited to 0.03 % .
Gegenüber von Biege- und Ziehwerkzeugen werden Spezialformwerkzeuge der Umformtechnik vorwiegend aus Al-Werkstoffen hergestellt. Dieser Werkstoff hat ungünstige Verschleißwerte, die nur relativ niedrige Standzeiten zulassen. Erhöhte ökonomische Kosten einschließlich zusätzlicher Fertigungskapazitäten für die Herstellung von Ersatzwerkzeugen müssen dafür einkalkuliert werden.Compared to bending and drawing tools, special forming tools for metal forming are mainly made from Al materials. This material has unfavorable wear values, which allow only relatively short service life. Increased economic costs including additional production capacities for the production of replacement tools have to be taken into account.
Für den genannten Anwendungsbereich ist auch die Aluminium-Mehrstoff bronze "Inoxyda"/Technische Rundschau Sulzer 3/1969/ bekannt. Diese Legierung besitzt eine hohe* Festigkeit und Härte, was mit nachstehender chemischen Zusammensetzung erreicht wird.For the mentioned area of application is also the aluminum multi-component bronze "Inoxyda" / Technical Review Sulzer 3/1969 / known. This alloy has high strength and hardness, which is achieved with the following chemical composition.
0,5 - 2,0 % Mn0.5 - 2.0 % Mn
- 5,0 % Fe- 5.0 % Fe
- 5,0 % Ш 9,0 - 15 % Al- 5.0 % Ш 9.0 - 15% Al
Rest Cu.Rest of Cu.
Durch den recht hohen Anteil der -Phase im Gefüge beträgt die Dehnung dieser Legierung für Werkzeuge nur ca. 2 %· Die Festigkeit ist groß, wie auch die Kavitationsbeständigkeit besser ist als bei rostfreien 18/8-CrHi-Stählen und den 13 $-Cr-Stählen. Auch zeigt sie ein gutes Gleit- und Verscbleißverhalten.Due to the relatively high proportion of the phase in the microstructure, the elongation of this alloy for tools is only about 2 %. The strength is great, as is the cavitation resistance better than with stainless 18/8 CrHi steels and the 13 $ Cr -steels. Also, it shows a good sliding and Verscbleißverhalten.
Als Nachteil ist jedoch festzustellen, daß der hohe Al-Gehalt insgesamt zu einer hohen Härte führt bzw. harte Stellen im Guß verursacht, der zu einem erhöhten Bearbeitungsaufwand (zusätzliches Weichglühen) führt. Außerdem sind die Gießeigenschaften bei dieser Legierung nicht günstig.A disadvantage, however, is that the high Al content leads to a high overall hardness or causes hard spots in the casting, which leads to an increased processing cost (additional soft annealing). In addition, the casting properties of this alloy are not favorable.
In den Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronzen hat sich immer wieder gezeigt, daß die Zähigkeit durch schädliche Beimengungen wie Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel unter technisch vertretbare Grenzen sinkt.In the manganese-aluminum multi-fuel bronzes has been shown time and again that the toughness decreases by harmful admixtures such as carbon, phosphorus and sulfur below technically reasonable limits.
Pur Umformwerkzeuge ist eine hohe Festigkeit neben einer gewissen Zähigkeit zur· Erreichung hoher Standmengen notwendig. Das relativ teuere Sparstoffelement Zinn erhöht bis 1 % Zugabe die Festigkeit der Legierung dieser Gattung, ohne die Dehnung wesentlich zu senken. Aber der hohe Preis und das geringe Aufkommen verbietet den umfassenden Einsatz dieses Elementes. .Pure forming tools require high strength in addition to a certain degree of toughness to achieve high levels. The relatively expensive tin saving element increases the strength of the alloy of this type up to 1% addition without significantly reducing the elongation. But the high price and the low volume prohibits the extensive use of this element. ,
Ziel der Erfindung:Object of the invention:
Es ist das Ziel der Erfindung, die angeführten Mängel und Nachteile der bekannten Legierungen durch den Einsatz eines geeigneteren Werkstoffes auszuschalten, d. h. vor allem ist die Zähigkeit, die Gießeigenschaft und die Bearbeitbarkeit wie z. B. erhöhte Zerspanbarkeit ohne zusätzliches Weichglühen der Werkzeuge zu verbessern. Ebenso soll ein nachträgliches Vergüten der fertigbearbeiteten Werkzeuge vermieden werden, um damit maßliche bzw. geometrische Veränderungen auszuschließen. Des weiteren ist die Legierung so zu gestalten, daß höhere Standmengen realisierbar sind, ohne daß eine Einschränkung hinsichtlich der Qualität des Umform- bzw. Spritzgutes eintritt. Zu diesem Zweck ist gleichermaßen das Verschleißverhalten durch hohe Festigkeit, Härte und relativ hohe Zähigkeit der Legierung zu verbessern.It is the object of the invention to eliminate the stated deficiencies and disadvantages of the known alloys by the use of a more suitable material, d. H. Above all, the toughness, the pouring property and the machinability such. B. increased machinability without additional annealing the tools to improve. Likewise, a subsequent tempering of the finished tools should be avoided in order to exclude dimensional or geometric changes. Furthermore, the alloy is to be designed so that higher stalls can be realized without any restriction with regard to the quality of the forming or injection molding material occurs. For this purpose, the wear behavior due to high strength, hardness and relatively high toughness of the alloy is equally to improve.
Wesen der Erfindung:Essence of the invention:
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legierung für Fertigungsmittel der Um- und Urformtechnik, insbesondere für Zieh-Biege- und Spritzgußformwerkzeuge auf der Basis einer Mangan-.5 Aluminium-Mehrstoffbronze zu entwickeln, die vorzugsweise folgende !Nachteile ausschließt:The object of the invention is to develop an alloy for manufacturing means of the forming and forming technique, in particular for drawing-bending and injection molding tools based on a manganese-.5 aluminum multi-component bronze, which preferably excludes the following disadvantages!
- hoher Zerspanungsaufwand durch Herausarbeitung der Formteile aus Halbzeugen- High Zerspanungsaufwand by working out the moldings from semi-finished products
- schwierige Bearbeitbarkeit bei Verwendung von Al-Legierungen mit einem Anteil von mehr als 9 % Al bzw, hohem Ni- und Ma-Anteil- difficult machinability when using Al alloys with a share of more than 9 % Al or, high Ni and Ma content
- geringe Standmenge durch zu geringe Härte und Festigkeit bei Al-Anteilen unter 7 % - low stall volume due to insufficient hardness and strength at Al contents below 7 %
- Kaltaufschweißungen auf den Aktivelementen während des Fertigungsprozesses- Cold welding on the active elements during the manufacturing process
- Riefenbildung auf dem Umformgut- Scoring on the Umformgut
- notwendige Wärmebehandlung der Aktivelemente- necessary heat treatment of the active elements
- zu geringe Dehnungswerte (= 2 %) - too low elongation values (= 2 %)
- schlechte Schmelz- und Gießeigenschaften - zu großer Anteil der -Phase im Gefüge - poor melting and casting properties - too much of the phase in the structure
- zu großer Cu-Anteil in der Zusammensetzung. Insbesondere sollen damit erreicht werdenToo much Cu in the composition. In particular, should be achieved with it
- günstigere Gießbarkeit- cheaper castability
- gute Gleiteigenschaften - hohe Verschleißfestigkeit- good sliding properties - high wear resistance
- gute Wärmeleitfähigkeit- good thermal conductivity
- große Standmenge.- large stall.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Legierung eine Zusammensetzung von 9,0 - 11,0 % MnAccording to the invention the object is achieved in that the alloy has a composition of 9.0 - 11.0 % Mn
5,5 - 10,0 % Zn5.5 - 10.0 % Zn
2,0 - 4,0 % Fe2.0-4.0 % Fe
1,5 - 3,0 % Ni 7,5 '- 9,0 % Al 0,03 - 0,20 % C1.5 - 3.0 % Ni 7.5 '- 9.0 % Al 0.03 - 0.20 % C
Rest Cu aufweist.Rest Cu has.
Bezogen auf die vorgeschlagene Legierungszusammensetzung ist festzustellen, daß der Kohlenstoff sich in das kristalline Gitter der Legierung als Einlagerungsmilchkristall einlagert und damit die Gitterverspannung erhöht, ohne jedoch durch seine absolute Begrenzung die Zähigkeit erheblich zu verringern. Er fördert die martensitis ehe Gefügeausbildung und führt zur Steigerung der Bruch- und Verschleißfestigkeit, Der erhöhte C-Gehalt bewirkt außerdem, daß weniger reines und damit billigeres Ausgangsmaterial eingesetzt werden kann,Based on the proposed alloy composition, it can be seen that the carbon intercalates into the crystalline lattice of the alloy as intercalation milk crystal and thus increases the lattice strain, but without significantly reducing the toughness by its absolute limitation. It promotes martensitic structure formation and leads to an increase in resistance to breakage and wear. The increased C content also means that less pure and therefore cheaper starting material can be used,
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung an mehreren Ausführungsvarianten nochmals verdeutlicht werden. Legierungs- VariantenIn the following, the solution according to the invention will be clarified once more in several variants. Alloy variants
elemente I II IIIElements I II III
vorzugsweise vorzugsweise vorzugsweise für Spritz- für Biege- für Tiefziehgußwerkzeuge Werkzeuge werkzeugepreferably preferably preferably for injection molding for bending dies for deep-drawing casting tools
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Durch die Verwendung der vorgeschlagenen Mangan-Aluminium-Mehrstoff bronze für Zieh-, Biege- und Spritzgußformwerkzeuge der Um- und Urformtechnik ergeben sich folgende Vorteile:The use of the proposed manganese-aluminum multi-component bronze for drawing, bending and injection molding tools of Um- and Urformtechnik resulting in the following advantages:
- Herstellung von Werkzeugrohlingen im Gießverfahren gegenüber dem zerspanungsaufwendigen Herausarbeiten der Formteile aus Halbzeugen- Production of tool blanks in the casting process compared to the machining-consuming working out of the moldings from semi-finished products
- Bearbeitung der Rohlinge mit normalen Werkzeugen und Maschinen ist möglich- Processing of the blanks with normal tools and machines is possible
- Wegfall der bisher notwendigen Vergütung der Aktivteile, Vermeidung maßlicher bzw, geometrischer Veränderungen durch eine nachträgliche Vergütung der Aktivteile- Elimination of the previously necessary compensation of the active parts, avoiding dimensional or geometric changes by a subsequent compensation of the active parts
- mögliche Uacharbeitung der Aktivteile zur Beseitigung geringer Verschleißerscheinungen- Possible Uacharbeitung the active parts to eliminate minor signs of wear
- verlustarme Metallrückgewinnung durch sortenreines Wiedereinschmelzen nicht mehr gebrauchter Aktivteile und der bei der Bearbeitung anfallenden Späne- Low-loss metal recovery through unmixed re-melting of no longer used active parts and the resulting chips during processing
- -geringer Kupfer-Anteil in der Zusammensetzung- small amount of copper in the composition
- Einsatz von verunreinigtem und damit billigerem Einsatzmaterial- Use of contaminated and thus cheaper feedstock
- bessere Schmelz- und Gießeigenschaften des Materials- better melting and pouring properties of the material
- geringere -Phasen-Anteile im Gefüge.- Lower-phase components in the structure.
- hohe Zähigkeit (Bruchdehnung des Werkstoffes und damit größere Verschleißfestigkeit und höhere Standmengen- high toughness (elongation at fracture of the material and thus greater wear resistance and higher tool life
- gute Gleiteigenschaften - gute Wärmeleitfähigkeit·- good sliding properties - good thermal conductivity ·
Die probeweise Benutzung der vorgeschlagenen Legierung hat gezeigt, daß bei der Verarbeitung von rostfreien Stahlformteilen für Waschmaschinen Standinengen von über 300000 Stück erzielt werden können.The experimental use of the proposed alloy has shown that the processing of stainless steel moldings for washing machines can achieve more than 300,000 pieces.
Claims (1)
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