DE102006032593B4

DE102006032593B4 - Verfahren zur Herstellung von innere Kühlkanäle aufweisenden Werkzeugen

Info

Publication number: DE102006032593B4
Application number: DE200610032593
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr.-Ing. Escher; Werner Prof.Dr.-Ing. Theisen; Sebastian Dr.-Ing. Weber
Original assignee: DOERRENBERG EDELSTAHL GmbH; Dorrenberg Edelstahl GmbH
Current assignee: DOERRENBERG EDELSTAHL GmbH; Dorrenberg Edelstahl GmbH
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2026-07-15
Also published as: DE102006032593A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines für das Warmumformen von Werkstücken geeigneten, endformnahen Werkzeuges mit innen liegenden Kühlkanälen durch Sintern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
a) Einfüllen eines vorlegierten, gasverdösten Stahlpulvers in eine Negativform des Werkzeuges, wobei die Pulverkörner eine Größe von d₅₀ < 200 μm sowie einen Sauerstoffgehalt von < 0,006% aufweisen;
b) vollständige Verdichtung des Pulvers durch den Sinterprozess unter Beteiligung einer durch das Anschmelzen des Stahlpulvers entstehenden flüssigen Phase, wobei die Verfahrensführung hinsichtlich Temperatur, Zeitdauer und Umgebungsatmosphäre derart gewählt ist, dass während des Sinterprozesses kein vollständiges Aufschmelzen der Stahlmatrix eintritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines für das Warmumformen von Werkstücken geeigneten, endformnahen Werkzeuges mit innen liegenden Kühlkanälen durch Sintern. Derartige Werkstücke können eine beliebige Form und Größe aufweisen und aus einem beliebigen Material bestehen.
Soweit derartige Werkzeuge beispielsweise für die Ausformung von Werkstücken in Form von Blechen als Kraftfahrzeugteilen eingesetzt werden haben stetig steigende Anforderungen an die Crashresistenz von Automobilen zur Entwicklung hochfester Automobilbleche (R_p0,2 > 800 MPa) geführt, die heute als Seitenaufprallträger, A- und B-Säulen, Dachverstärkungen, Stoßstangen etc. im Kfz verbaut werden. Die hohe Festigkeit dieser Bleche schließt die übliche Kaltumformung aus, so dass neue Formgebungsverfahren entwickelt worden sind. Hier ist ein unter dem Begriff „Presshärten” bekanntes Warmumformverfahren in der praktischen Umsetzung, bei dem das umzuformende Blech nach Vorwärmung im Durchlaufofen im austenitischen Zustand (900–950°C) in ein Presswerkzeug eingelegt wird. Im Kontakt mit dem gekühlten Werkzeug wird das Blech abgeschreckt und erhält so durch Martensit-/Bainitbildung die gewünschte Festigkeit. Praxiserfahrungen zeigen, dass die üblichen Umformwerkzeuge derartigen Beanspruchungen nicht widerstehen können und durch starken Verschleiß, Kantenerweichung und Thermowechselrisse nach kurzer Betriebszeit stark geschädigt werden.
Die bisherigen Lösungsansätze für die Herstellung von Presshärtewerkzeugen setzen auf Warmarbeitsstähle (z. B. X40CrMoV5-1 oder X50CrMoV8-2-2) mit Arbeitshärten zwischen 54 und 60 HRC. Diese weisen ein martensitisches, sekundär gehärtetes Gefüge auf, das aber wegen fehlender Karbide schnell verschleißt. Als besonders problematisch hat sich neben der hohen Kontakttemperatur die Oberflächenoxidation des Bleches während der kurzen Übernahmezeit aus dem Ofen dargestellt, die am Werkzeug durch Abrasion eine schnelle Kantenverrundung herbeiführt. Um dem entgegenzuwirken werden Karbide im Werkzeugwerkstoff benötigt.
Das Herausarbeiten der Werkzeuge aus Halbzeugen führt für sich bereits zu hohen Bearbeitungskosten, weil die Werkzeugkonturen z. T. tief sind. Hinzu kommt die Tatsache, dass Kühlkanäle benötigt werden. Diese müssen aufwändig durch Bohren nahe der Arbeitsflächen des Werkzeuges eingebracht werden. Da nur gerade Bohrungen eingebracht werden können, können die Kühlkanäle der Oberflächenkontur nicht optimal folgen.
Ein anderes Konzept zur Herstellung entsprechender Werkzeuge setzt auf das Einlegen und Umgießen von standardisierten Stahlrohr-Elementen in ein Werkzeug aus Gusseisen mit Lamellen- oder Kugelgraphit. Hierbei besteht die Schwierigkeit, sicherzustellen, dass der eingegossene Werkstoff spaltfrei an der gesamten Stahlrohraußenfläche angebunden wird. Aus diesem Grund wird graues Gusseisen wegen seiner niedrigen Schmelztemperatur und seines geringeren Erstarrungsintervalls gewählt, was der Lunkerbildung entgegenwirkt. Allerdings ist in nachteiliger Weise graues Gusseisen weich und muss deshalb anschließend auf den Arbeitsflächen des Werkzeuges mittels Laserauftragens beschichtet werden, was entsprechend hohe Kosten verursacht. Alternativ werden auch ledeburitische Kaltarbeitsstähle vergossen, die häufiger Anbindungsprobleme zeigen und wegen der netzförmigen Gefügeausbildung im Betrieb des Werkzeugs wenig Bruchsicherheit bieten. In dieser Anwendung ist ferner eine in den Karbiden beginnende oberflächennahe Rissbildung zu erwarten. Diese Risse können sich insbesondere in den eutektischen Netzwerken der Gussstruktur schnell ausbreiten und einen vorzeitigen Werkzeugausfall zur Folge haben.
Weiterhin ist die pulvermetallurgische Herstellung von innere Kühlkanäle aufweisenden Werkzeugen bekannt, die in Bezug auf die Anbindung an Stahlrohre unkritisch ist. So wird in DE 19819592 C1 die Herstellung von Werkzeugen zum Umformen von Metallen (z. B. Druckgußformen) und von Kunststoffen mit inneren Kühlkanälen durch das Heißisostatische Pressen (HIP) vorgeschlagen. Bei dieser Art der Fertigung wird ein gasverdüstes, vorlegiertes Werkzeugstahlpulver in evakuierten Blechkapseln bei 1150°C und 100 MPa Gasdruck in drei Stunden zu einem Halbzeug kompaktiert. Wegen der komplizierten Werkzeugkonturen ist jedoch die Kapseltechnik extrem aufwändig und kostenträchtig. Nachteilig ist darüber hinaus, dass das Kapselblech anschließend durch mechanische Bearbeitung oder chemischen Abtrag entfernt werden muss.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem endformnahe konturtreue Werkzeuge mit innen liegenden Kühlkanälen durch ein kostengünstiges druckloses Sintern hergestellt werden können, wobei die Werkzeuge porenfrei die theoretische Dichte erreichen sollen, wie diese bei Anwendung des Heißisostatischen Pressens erreichbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.
Die Erfindung beinhaltet die Verfahrensschritte, a) Einfüllen eines vorlegierten, gasverdösten Stahlpulvers in eine Negativform des Werkzeuges, wobei die Pulverkörner eine Größe von d₅₀ < 200 μm, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise d₅₀ < 80 μm, sowie einen Sauerstoffgehalt von < 0,006% aufweisen, und b) vollständige Verdichtung des Pulvers durch den Sinterprozess unter Beteiligung einer durch das Anschmelzen des Stahlpulvers entstehenden flüssigen Phase, wobei die Verfahrensführung hinsichtlich Temperatur, Zeitdauer und Umgebungsatmosphäre derart gewählt ist, dass während des Sinterprozesses kein vollständiges Aufschmelzen der Stahlmatrix eintritt.
Durch eine in Temperatur, Zeit und Atmosphäre genau abgestimmte Sinterbehandlung wird das Pulver kompaktiert und nimmt dabei die vorgegebene Kontur an. Hierbei ist die Temperatur so zu wählen, dass die niedrig schmelzenden Phasen im Stahlpulver aufschmelzen, so dass ein bestimmter Anteil an flüssiger Phase gebildet wird. Diese ist schließlich der Garant dafür, dass die relativ großen Poren in Pulverschüttungen gasverdüster Pulver bei Sinterzeiten unter 30 min. vollständig geschlossen werden können.
Diese Art zu Sintern ist im Stand der Technik bekannt und wurde u. a. für die Herstellung von Halbzeugen aus Schnellarbeitsstahl, allerdings auf der Basis von feinerem wasserverdüsten Pulver, angewendet. So wird weiterhin in der DE 30 15 897 die Zugabe eines Flüssigphasenbildners für eine verschleißbeständige Sinterlegierung vorgeschlagen.
Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Negativform des Werkzeuges als Sand-, Keramik- oder auch als Metallform geführt sein kann.
Um bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die gewünschten Gefüge zu erhalten, bedarf es allerdings der exakten Einhaltung eines vorgegebenen Temperatur-Zeit-Regimies beim Sintern. Gemäß Ausführungs beispielen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sinterprozess in einer Atmosphäre aus reinem Stickstoff, einem Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff oder im Vakuum mit einer Aufheizrate von > 5 K/min, vorzugsweise 20 K/min, erfolgt. Die dazu notwendige Technik bringen vorzugsweise Vakuum-Sinteröfen mit, die gleichzeitig sicherstellen, dass die Pulverkornoberflächen nicht oxidieren. Da viele Vakuumöfen zusätzlich über Abschreckmöglichkeiten durch Hochdruckgas verfügen, können nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die gesinterten Bauteile durch beschleunigte Abkühlung zugleich gehärtet werden. Dies ist ein weiterer Anwendungsvorteil, der bei der prozessbedingten langsamen Abkühlung beim Heißisostatischen Pressen nicht genutzt werden kann. In einer besonderen Verfahrensvariante kann die Behandlung alternativ in einem gasdichten Rezipienten durchgeführt werden, der in einen offenen Ofen gestellt werden kann.
Um vorhandene Sinteraggregate aus der industriellen Wärmebehandlungspraxis nutzen zu können, sind Sintertemperaturen < 1250°C anzustreben. Dieses kann mit Eisenbasiswerkstoffen nur durch spezielle legierungstechnische Maßnahmen erreicht werden. Werkstoffe müssen so legiert sein, dass niedrig schmelzende Eutektika ein ausreichendes Anschmelzen der Pulverkörner bewirken, weil erst das Entstehen der Flüssigphase eine porenfreie Verdichtung der relativ großen Pulverpartikel ermöglicht. Eine bedeutende Rolle spielt auch die Sinteratmosphäre. Wie Versuche gezeigt haben, kann die Temperatur zur Bildung flüssiger Phasen durch Sintern in Stickstoff bei Drücken < 1 bar maßgeblich gesenkt werden. Vor diesem Hintergrund wurden für das erfindungsgemäße Sintern spezielle Eisenbasislegierungen mit den dazu passenden Randbedingungen nach folgenden Kriterien ausgwählt:

a) Spezielle Zusammensetzung der Stahlpulver mit Blick auf niedrigstschmelzenden Eutektika
b) Eignung zur Anwendung einer speziellen Sinteratmosphäre, die die Flüssigphasenbildung unterstützen kann (z. B. N₂)
c) Angepasste Temperaturführung zur Umsetzung von a) und b)

Es zeigt sich, dass insbesondere die Zusammensetzungen der ledeburitschen Kalt- und Schnellarbeitsstähle mit ihren niedrigschmelzenden Eutektika als Matrixpulver das Kriterium unter a) erfüllen. Somit eignen sich beispielsweise Stahlpulver, deren chemische Zusammensetzung entsprechend Tabelle 1 gewählt werden kann:

C Si Mn Cr V Mo Ni Fe

2,5 0,9 0,5 5,3 9,8 1,3 Rest

2,5 0.4 0,5 12.5 1,5 2,0 2,9 Rest

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung zweier Kaltarbeitsstähle (%), die sich für den erfindungsgemäßen Prozess gut eignen.
Wird der Sinterprozess mit schneller Erwärmung unter Stickstoffzugabe (nach vorherigem Evakuieren), dem Anfahren der Temperatur für Flüssigphasenbildung und dem möglichst kurzen Halten auf dieser Temperatur für eine gegebene Zusammensetzung optimiert geführt, so ergibt sich das gewünschte Gefüge ohne die typischen Erstarrungsstrukturen mit eutektischen Netzgefügen, sondern mit feinen Hartphasen (< 10 μm), die ähnlich den HIP-Gefügen ebenfalls dispers verteilt sind. Gerade die dichte Karbidbesiedlung in härtbarer Metallmatrix ist in der Umformtechnik für hohe Werkzeugstandzeiten notwendig. Ein solches Gefüge ist beispielsweise der 1 zu entnehmen, die das Gefüge eines ledeburitischen Kaltarbeitsstahles X250CrNiMoV13-3-2-2 zeigt, welcher nach dem erfindungsgemäßen Sinterverfahren hergestellt worden ist. Als Ausgangsprodukt erweisen sich legierte gasverdüste Pulver als vorteilhaft, deren mittlere Pulverkorngröße 200 μm nicht übersteigt, vorzugsweise aber bei d₅₀ < 80 μm liegt. Darüber hinaus ist es empfehlenswert, den Sauerstoffgehalt im Pulver gering (< 0,006%) zu halten, da Oxidbeläge auf den Pulverkörnern das Sintern merklich behindern können.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stahlpulver während des Sinterprozesses oder in einem gesonderten Prozess auf einen Stickstoffgehalt von > 0,1% gebracht ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf einfache Art möglich, einem Werkzeug eine Kontur aufzuprägen und gleichzeitig beliebig geformte Kühlkanäle im Inneren des Werkzeuges zu produzieren. Hierzu können beispielsweise Stahlrohre oder Glas- bzw. Keramikstäbe in die anschließend mit Pulver gefüllte Sinterform eingelegt werden. Ein Einrütteln des Pulvers in die Sinterform garantiert, dass die Stahlrohre bzw. die Glas/Keramik-Inlays später vollständig von Werkstoff umgeben sind. Im Falle der Stahlrohre wird sich das Werkzeugstahlpulver fest mit diesen verbinden. Glas oder Keramik-Inlays können – wie vom Feingießen von Turbinenscheiben bekannt – nach dem Sintern im festen Zustand durch Lauge aufgelöst werden. Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Bauteil einschließlich der Kühlkanalwand aus einem Werkstoff besteht. Auf diese Weise können beliebige Kühlkanalquerschnitte realisiert werden. Beispielsweise hat sich eine ovale Form als günstig erwiesen, wenn die Längsachse des Kühlkanalquerschnitts parallel zur Arbeitsoberfläche liegt. Bei dieser Fertigungsmethode können die Kühlkanäle im Bauteil beliebig angeordnet werden (z. B. gekrümmt, sich kreuzend), so dass die Wärme im späteren Presseinsatz lokal optimal schnell abgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt es darüber hinaus zu, die Oberfläche der Kühlkanäle so zu strukturieren, dass unter turbulenter Strömung der Wärmeübergang signifikant erhöht wird und damit die Kontaktzeit Blech/Werkzeug im Betrieb weiter verkürzt werden kann. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass ein den Kernen beim Gießen ähnlicher Sandkern in der Form der gewünschten Kühlkanäle verwendet wird, der mindestens außen eine grobe Körnung aufweist. Auf diesen Kern wird das Pulver beim Sintern aufkompaktiert, wobei sich die Oberflächenrauheit des rauen Sandkerns auf der inneren Kühlkanaloberfläche abbildet. Nach dem Sintern kann der Sandkern mechanisch oder chemisch herausgelöst werden.
Eine grobe Oberfläche kann bei entsprechender Bearbeitung auch bei aus Glas oder Keramik bestehenden Kernen entsprechend eingestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines für das Warmumformen von Werkstücken geeigneten, endformnahen Werkzeuges mit innen liegenden Kühlkanälen durch Sintern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte a) Einfüllen eines vorlegierten, gasverdösten Stahlpulvers in eine Negativform des Werkzeuges, wobei die Pulverkörner eine Größe von d₅₀ < 200 μm sowie einen Sauerstoffgehalt von < 0,006% aufweisen; b) vollständige Verdichtung des Pulvers durch den Sinterprozess unter Beteiligung einer durch das Anschmelzen des Stahlpulvers entstehenden flüssigen Phase, wobei die Verfahrensführung hinsichtlich Temperatur, Zeitdauer und Umgebungsatmosphäre derart gewählt ist, dass während des Sinterprozesses kein vollständiges Aufschmelzen der Stahlmatrix eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverkörner eine Größe von d₅₀ < 80 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform des Werkzeuges als Sandform ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform des Werkzeuges als Keramikform ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform des Werkzeuges als Metallform ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess in einer Atmosphäre aus reinem Stickstoff mit einer Aufheizrate von > 5 K/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess in einem Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff mit einer Aufheizrate von > 5 K/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess im Vakuum mit einer Aufheizrate von > 5 K/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterprozess mit einer Aufheizrate von 20 K/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlpulver während des Sinterprozesses auf einen Stickstoffgehalt von > 0,1% legiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlpulver in einem gesonderten Prozess auf einen Stickstoffgehalt von > 0,1% legiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die isotherme Haltezeit bei der Maximaltemperatur des Sinterprozesses bei Zugabe der Hartstoffe weniger als 5 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Sinterung eine aktive Gaskühlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in die Sinterform beliebig geformte Kerne zur Ausformung der inneren Kühlkanäle eingelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne aus Sand bestehen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne aus Keramik bestehen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne aus Glas bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne mit einer gezielt eingestellten Rauhigkeit ihrer Oberfläche ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 15 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die raue Oberfläche durch Verwendung grober Körnungen für die Herstellung der Kerne eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in die Negativform des Werkzeuges beliebig geformte Stahlrohre zur Schaffung der inneren Kühlkanäle eingelegt werden.