DE102017106969B4

DE102017106969B4 - Verfahren zum Herstellen eines Strangpresswerkzeugs

Info

Publication number: DE102017106969B4
Application number: DE102017106969.0A
Authority: DE
Inventors: Joachim Maier; Oliver Maier
Original assignee: WEFA Singen GmbH
Current assignee: WEFA Singen GmbH
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2037-04-01
Also published as: WO2018177581A1; DE102017106969A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Strangpresswerkzeugs, insbesondere Strangpresswerkzeug für die Strangpressverarbeitung eines metallischen, insbesondere Aluminium und/oder eine Al-Legierung aufweisenden, Strangpressmaterials, umfassend die Schritte:- additives, insbesondere schichtweises, Aufbauen eines Werkzeug-Substratkörpers (10; 12) aus einem pulverigen, zumindest anteilig metallischen Werkstoff durch einen den Werkstoff zumindest teilweise schmelzenden Laser-Energieeintrag, insbesondere durch ein SLM-, ein EBM- und/oder ein LMB-Verfahren;- Einformen eines zur Leitung und Flussführung eines Strangpresswerkzeug-Kühlfluids durch den Werkzeug-Substratkörper vorgesehenen Kühlkanals (16, 18; 26, 28) während des additiven Aufbaus;- Aufbauen einer zum Zusammenwirken mit dem duktilen Strangpressmaterial während eines Strangpressbetriebs vorgesehenen Presskanal-Kontaktfläche (20; 22) auf dem additiv aufgebautem Werkzeug-Substratkörper und oberhalb und/oder benachbart des Kühlkanals so,dass zumindest ein Abschnitt des Kühlkanals im Werkzeug-Substratkörper parallel oder in einem vorbestimmten Winkel zu einer Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche verläuft und/oder ein Abschnitt des Kühlkanals im Substratkörper einer Kontur oder einem Konturverlauf der Kontaktfläche folgt; und- gekennzeichnet durchdas Durchführen eines CVD-Beschichtungsprozesses zum Abscheiden einer C- und N-haltigen Beschichtung auf der Presskanal-Kontaktfläche und wobei zumindest ein innerer, Kühlfluid führender Wandabschnitt des Kühlkanals mit einer durch einen CVD-Beschichtungsprozess abgeschiedenen, Kohlenstoff und Stickstoff aufweisenden Beschichtung versehen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Strangpresswerkzeugs, wobei ein derartiges Strangpresswerkzeug insbesondere für die Strangpressverarbeitung eines Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweisenden Strangpressmaterials vorgesehen und geeignet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein mehrteiliges Strangpresswerkzeug und eine Verwendung eines gattungsgemäßen Strangpresswerkzeugs.
Strangpresswerkzeuge, insbesondere für die Verarbeitung von aluminiumhaltigen Strangpressmaterialien, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. So offenbart etwa die EP 1 011 885 B1 der Anmelderin ein Verfahren zur Herstellung eines Strangpresswerkzeugs, bei welchem ein aus einem geeigneten Warmarbeitsstahl üblicherweise spanend hergestellter Werkzeugkörper dann mit einer die Abrasionseigenschaften gegenüber dem Strangpressmaterial im Strangpressbetrieb verbessernden Beschichtung versehen wird.
Generell erfordern die besonderen Umstände der Strangpresstechnologie, insbesondere von metallischen Strangpresswerkstoffen, nämlich ein kontinuierliches, vergleichsweise langsames Entlangfließen des duktilen Strangpressmetalls an der (stationären) Werkzeugoberfläche unter hohem Druck und bei hoher Temperatur besondere Eigenschaften des Werkzeugs im Hinblick auf Verschleißfestigkeit, gleichzeitig jedoch auch Elastizität, Fähigkeit und Nachgiebigkeit des verwendeten Werkzeugs, wobei insbesondere hohe Prozesstemperaturen, typischerweise zwischen ca. 450°C und 630°C beim Strangpressen, zusätzliche Anforderungen die Anlassbeständigkeit und die Dauerwarmfestigkeit der eingesetzten Metalle für die Werkzeuge stellen.
Die in der EP 1 011 884 B1 der Anmelderin offenbarte Technologie zur Beschichtung eines Strangpresswerkzeugs mit einer bei hohen Temperaturen (typischerweise oberhalb von 1000°C) abgeschiedenen Beschichtungen führt gerade unter Verschleißgesichtspunkten zu guten Schichteigenschaften des Werkzeugs. Allerdings sorgen derartige hohe Beschichtungstemperaturen häufig auch dafür, dass die als Werkzeugsubstrat eingesetzten Warmarbeitsstähle überhitzen, mit nachteiligen Wirkungen im Hinblick auf Versprödung, Grobkornbildung, Korngrenzenbelegung und dgl. zähigkeitsmindernden Folgen, was angesichts der obigen Erfordernisse an ein ideales Strangpresswerkzeug - harte Beschichtung bei gleichzeitig flexiblem Metallsubstrat - potentiell nachteilig ist. Dies führt dann wiederum zu relativ schnellem Verschleiß von derartigen beschichteten Werkzeugen. Hinzu kommt das Problem, dass im Pressbetrieb die erreichbare Pressgeschwindigkeit faktisch begrenzt ist durch die dadurch bewirkte Erwärmung des Werkzeugs; diese führt zur Verminderung der Substratfestigkeit, damit verbunden ist eine Verschlechterung der Haftung der Beschichtung. Ferner erfolgt nachteilig eine Verschlechterung der Oberflächenqualität des Strangpressprodukts durch die diskutierte Temperaturproblematik.
Die EP 2 558 614 B1 der Anmelderin beschreibt in Form einer sogenannten Mitteltemperatur-(MT-)Beschichtung einen Weg, wie die (CVD-)Beschichtung bei Temperaturen unterhalb von ca. 950°C aufgebracht werden kann, mit deutlich günstigeren Eigenschaften im Hinblick auf Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Allerdings besitzen derartige Strangpresswerkzeuge nach wie vor das Problem, dass eine nutzbare Strangpress- bzw. Vorschubgeschwindigkeit im Strangpressbetrieb begrenzt ist und insbesondere ein Betrieb oberhalb eines Schwellwerts zu einer Überhitzung des Strangpresswerkzeugs führt, wiederum dann mit nachteiligen Auswirkungen auf die Lebensdauer und die Verschleißeigenschaften sowie die Oberflächenqualität des so hergestellten Strangpresswerkzeugs bzw. des Strangpressprodukts im Pressbetrieb.
Aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Controlling Heat Balance in Hot Aluminum Extrusion by Additive Manufactured Extrusion Dies with Conformal Cooling Channel“ von Romana Hölker et al., Ineternational Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14, No. 8, pp. 1487 - 1493 sind bereits Dornteile von Extrrusionswerkzeugen bekannt, die mit Kühlkanälen versehen sind, wobei eine additive und/oder schichtweise Fertigung mittels SLM (selective laser melting) zur Herstellung zum Einsatz kommt.
Die US 2014 / 0 147 590 A1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung aus einer oder mehreren Schichten auf einer Extrusionsdüse als Substratkörper aus einem hitzebeständigen und/oder langzeitwärmebeständigen Stahlmaterial mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD
Die GB 2 366 226 A handelt von einem Strangpresswerkzeug mit nitrierten Presskanal-Kontaktflächen und Inertisierungskanälen zur Führung eines Inertisierungsfluids, insbesondere Stickstoff.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines (beschichteten) Strangpresswerkzeugs, insbesondere Strangpresswerkzeug zur Strangpressverarbeitung von insbesondere Aluminium aufweisenden Strangpressmaterials, zu schaffen, welches zur Realisierung eines Strangpresswerkzeugs führt, das bei verbesserten (erhöhten) Strangpress- und Vorschubgeschwindigkeiten des zu verarbeitenden Strangpressmaterials betrieben werden kann, ohne dass negative Wärmeeffekte auftreten, so dass insbesondere die Effizienz von Strangpressvorgängen und damit im Ergebnis auch die Kostensituation eines derartigen Strangpressvorgangs verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren zum Herstellen eines Strangpresswerkzeugs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich offenbart wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Strangpresswerkzeugs . Geschützt werden ferner durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte, insbesondere mehrteilige Strangpresswerkzeuge sowie eine Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Strangpresswerkzeugs zur Verarbeitung eines Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweisenden Strangpressmaterials. Auch in einer Realisierung als zwei- oder mehrteiliges Strangpresswerkzeug, etwa bevorzugt aufweisend ein Dornteil und ein Matrizenteil, von denen mindestens eines dieser Teile, bevorzugt beide Teile, durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert sind, lassen sich die Vorteile der Erfindung realisieren.
Die vorliegende Erfindung beschreitet zum Herstellen des (beschichteten) Strangpresswerkzeugs und damit zum Erreichen verbesserter Wärme- bzw. Temperatureigenschaften eines damit realisierten Werkzeugs im Betrieb den Weg, den Werkzeug-Substratkörper mit einem eingebetteten Kühlkanal zu versehen, durch welchen dann, mittels geeigneter Zu- bzw. Ableitungen, Strangpresswerkzeug-Kühlfluid (z.B. ein Gas, typischerweise N2, auch flüssig, alternativ eine kohlenwasserstoff- oder wasserhaltige Flüssigkeit) geleitet werden kann.
Da mit konventionellen, typischerweise spanenden Fertigungsverfahren zum Herstellen des Werkzeug-Substratkörpers derartige Kühlkanäle nicht oder nur mit hohem Aufwand fertigbar sind (und, etwa bei einer Bohrungsstruktur, nur gewisse einfache Konturen realisierbar wären) beschreibt die vorliegende Erfindung einen anderen Weg, nämlich das additive, bevorzugt schichtweise Aufbauen des Werkzeug-Substratkörpers aus einem pulvrigen Werkstoff, welcher zumindest anteilig metallisch ist. In der Art eines Laser- Sinterprozesses erfolgt dieses Aufbauen durch schichtweises Auftragen des pulvrigen Werkstoffs und jeweiliges nachfolgendes und zumindest teilweises Aufschmelzen, so dass dann durch ein mehrfaches Durchführen dieser Abfolge der Körper schichtweise aufgebaut ist, seine Endform erreicht und auch die hinreichende mechanische und thermische Stabilität für den beabsichtigten Einsatz als Strangpresswerkzeug aufweist.
Diese Fertigungstechnologie, welche als solche etwa in Form von sogenannten SLM-(Selective Laser Melting = selektives Laser-Schmelzen), EMB-(Electron Beam Melting = Elektronenstrahl-Schmelzen) oder LBM-(Layer Metal Deposition = Metallschichtablagerung)Verfahren bekannt ist, ermöglicht es dann, während des Schichtaufbaus nahezu beliebige Kühlstrukturen zur Realisierung des Kühlkanals einzuformen bzw. einzubetten, wobei dann mit dem Fertigstellen des Werkzeug-Substratkörpers üblicherweise (mindestens) eine Kontaktfläche entsteht, welche dann im Strangpressbetrieb des fertiggestellten Werkzeugs eine Wand des Presskanals ausbildet, also desjenigen Durchlasses, durch welchen der duktile Strangpresswerkstoff während des Strangpressvorgangs fließt.
Diese Vorgehensweise führt dann erfindungsgemäß vorteilhaft nicht nur dazu, dass ein Strangpresswerkzeug mit nahezu beliebiger, im Inneren des Werkzeugkörpers (Substratkörpers) ausgebildeter Kühlkanal-Kontur realisiert werden kann, auch ermöglicht es die vorliegende Erfindung, diesen Verlauf des Kühlkanals im Körperinneren konturnah (und damit hochgradig kühlungswirksam) an die Kontaktfläche heranzuführen, im günstigen Fall einen Verlauf bzw. einer Kontur dieser Kontaktfläche folgen zu lassen bzw., bei geradem Flächenverlauf, hierzu parallel zu verlaufen, so dass praktisch entlang eines Verlaufs der Presskanal-Kontaktfläche eine im Werkzeuginneren verlaufende Kühlkanalstruktur eine günstige Wärmeabfuhr gewährleistet. Damit wird dann insbesondere, besonders positiv für eine hohe Oberflächengüte des herzustellenden Strangpressguts, eine signifikante niedrigere Werkzeugtemperatur relativ zum duktilen Strangpresswerkzeug realisiert, so dass, zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, das Potential für eine signifikante Erhöhung der Strangpressgeschwindigkeit und damit des Verarbeitungsvolumens bei zumindest gleichbleibender Qualität und/oder positivem Einfluss auf die Oberflächenqualität besteht. Zudem bietet die vorliegende Erfindung mit den beschriebenen Wirkungen der abgesenkten Werkzeugtemperatur den Vorteil, dass, etwa im Hinblick auf Geometrie und Konstruktion eines Strangpresswerkzeugs, die Presskanäle optimiert werden und vorteilhaft etwa insbesondere auch im Hinblick auf eine Presskanallänge angepasst bzw. modifiziert werden können. Dies wiederum bringt dann den Vorteil potentiell reduzierter Reibung mit dem duktilen Strangpressmaterial im Strangpressbetrieb, mit Potential zusätzlicher Temperaturabsenkung.
Im Rahmen der Erfindung ist die Presskanal-Kontaktfläche mit einer CVD-Beschichtung versehen, welche, Kohlenstoff und Stickstoff aufweisend, durch Abscheiden entsprechend geeigneter Reaktionsgase beim CVD-Prozess gebildet ist; insbesondere bewirkt die Erfindung auch, dass eine derartige CVD-Beschichtung günstig am bzw. auf dem erfindungsgemäß aus dem pulvrigen Werkstoff hergestellten Werkzeug-Substratkörper haftet.
Dabei hat es sich als vorteilhaft und günstig im Rahmen der Erfindung herausgestellt, den erfindungsgemäß additiv bzw. schichtweise durch das Aufschmelzen und Verfestigen des pulvrigen Werkstoffs hergestellten Werkzeug-Substratkörper zumindest auf seiner Presskanal-Kontaktfläche mit der CVD-Beschichtung zu versehen und erfindungsgemäß auch auf Bereichen des Kühlkanals. Hier erweist sich insbesondere die Eigenschaft eines CVD-Beschichtungsverfahrens als vorteilhaft, in schmale Kanäle tief eindringen zu können - bekannt ist etwa das typische 10:1 - Verhältnis einer Eindringtiefe bezogen auf eine Öffnungsweite der betreffenden Öffnung. Die Verschleißeigenschaften des Kühlkanals werden entsprechend verbessert. Auch bewirkt eine auf einen Einlass- bzw. Auslassbereich des Kühlkanals konzentrierte CVD-Kühlkanalbeschichtung die Möglichkeit, den Wärmetransfer vom Substratmaterial zum Kühlmedium zu beeinflussen und damit - begrenzt - eine Wärmeisolationswirkung der CVD-Beschichtung zu nutzen; erfindungsgemäß vorteilhaft weist der Sinterkörper günstige Zähigkeits- und Elastizitätseigenschaften für die vorgesehene Aufgabe als Strangpresswerkzeug auf, und der erfindungsgemäße CVD-Beschichtungsprozess verschlechtert nicht etwa diese Materialeigenschaften, vielmehr entsteht durch das CVD-Abscheiden der Beschichtung auf dem Sinterkörper eine feste, harte und gleichermaßen zähe Verbindung, welche insbesondere im Hinblick auf Verschleißfestigkeit und potentielle Standzeit des erfindungsgemäß hergestellten und beschichteten Werkzeugs herausragende Eigenschaften verspricht.
Dabei ist es erfindungsgemäß weiterbildend nicht notwendig, dass die CVD-Beschichtung auf einer unbehandelten und insbesondere unmittelbar als Ergebnis des Laser-Aufschmelzens entstandenen Oberfläche des Werkzeug-Substratkörpers aufgebracht wird. Vielmehr ist es weiterbildend bevorzugt, eine derartige, am Ende des additiven, schichtweisen Aufbauens des Substratkörpers entstehende Außenfläche, insbesondere die Presskanal-Kontaktfläche, vor dem nachfolgenden Aufbringen der CVD-Beschichtung durch Fräsen, Erodieren, Schleifen oder dergleichen Nachbearbeitungsschritte in eine geeignete Oberflächenausgestaltung zu verbringen, welche nicht nur eine Fein-Konturierung und Vorbestimmung gewünschter Rauhigkeit dieser Fläche(n) ermöglicht, sondern gleichermaßen günstige Haft- und Schnittstellenbedingungen für die CVD-Beschichtung anbietet.
Besonders bevorzugt ist es, im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung den (kürzesten) Abstand des Kühlkanals zur Kontaktfläche so zu bemessen bzw. auszubilden, dass dieser im Verhältnis und bezogen auf einen lokalen (d.h. zugeordneten bzw. geometrisch entsprechenden) Kühlkanal-Innendurchmesser und/oder eine maximale lokale Kühlkanal-Innenweite, < 1,5 beträgt. Bevorzugt ist das Verhältnis sogar < 1, weiter bevorzugt < 0,5, so dass, gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform, der Kühlkanal im Körperinneren entsprechend nah an die Presskanal-Kontaktfläche herangebildet werden kann.
Insbesondere im Hinblick auf eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, den Kühlkanal entlang seiner Erstreckung mit veränderlichem Innendurchmesser bzw. mit veränderlicher Innenweite auszugestalten, würde für diese Verhältnisse gelten, dass, bezogen auf einen korrespondierenden Abschnitt der Kontaktfläche einerseits und des Kühlkanals andererseits, jeweilige maximale Innendurchmesser bzw. maximale Innenweiten die angegebenen Verhältniswerte bedeuten, wobei hier dann als kürzester Abstand derjenige Abstand zu verstehen ist, welcher von einem zur Kontaktfläche weisenden Wandabschnitt des Kühlkanals bemessen ist.
Während es zwar im Rahmen der Erfindung günstig ist, eine zumindest abschnittsweise hohlzylindrische (und, in Bereichen einer Durchmesserveränderung, eine z. B. konusartige) Innenkontur auszubilden, können gleichwohl Varianten der Erfindung vorsehen, diese Querschnittskontur im Hinblick auf Querschnittsformen zu variieren, welche nicht kreisförmig, sondern etwa oval oder auf andere Weise abschnittsweise kreisbogenförmig und/oder vieleckig sind, ergänzend potentiell auch gerade, plane Abschnitte in der Querschnittskontur aufweisen, sodass insoweit wiederum, insbesondere entsprechend der jeweiligen Anforderungen im Kühlbereich, insbesondere einen optimierten Wärmeübergangskoeffizienten, geeignete Anpassungen möglich sind.
Dies schließt auch die Möglichkeit ein, im Hinblick auf geometrische Erfordernisse eines herzustellenden Produkts, und dort insbesondere dick- und dünnwandige Abschnitte, die jeweiligen Kühlkanalabschnitte bedarfsgerecht zu kühlen.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es zudem vorteilhaft, zur Realisierung konstanter Kühl- bzw. Temperaturbedingungen an der Kontaktfläche den Innendurchmesser bzw. die Innenweite des Kühlkanals abschnittsweise so auszugestalten, dass diese Maße in einem inversen Verhältnis zum Abstand zur Kontaktfläche stehen, mit anderen Worten, ein (relativ) größerer Abstand des Kühlkanals kann im Hinblick auf homogene Kühlbedingungen durch einen entsprechend größer aufgeweiteten Kühlkanal ausgeglichen werden und umgekehrt, wobei zusätzlich auch derartige Durchmesservariationen nicht etwa stufenweise erfolgen müssen, sondern auch graduell (und hier auch nicht notwendigerweise linear-graduell) erfolgen können.
Dabei ist es auch von der Erfindung umfasst, vorteilhaft weiterbildend und in Ergänzung der vorbeschriebenen Weiterbildungen, auch alternativ zu diesen, eine Aufweitung bzw. eine Verringerung eines Querschnitts bzw. eines Durchmessers des Kühlkanals so auszugestalten, dass entsprechend einer Erwärmung des Kühlfluids beim Hindurchfließen durch den Kühlkanal (welcher insoweit einen Kühlpfad ausbildet) durch Durchmesservariation eine Einwirkzeit des Kühlfluids verändert wird. Beispielsweise wird üblicherweise entlang des Kühlpfades von einem eintrittsseitigen Ende in den Kühlkanal (Kühlfluideinlass) in Richtung auf ein austrittsseitiges Ende des Kühlkanals (Kühlfluidauslass) das Kühlfluid kontinuierlich erwärmt, sodass, bei konstantem Querschnitt des Kühlkanals, eine Wärmeabfuhr im Werkzeug gegen Ende dieses Kühlpfades geringer wäre als beim Anfang. Kompensieren ließe sich dieser Effekt (insoweit zum Bewirken einer entlang des Kühlpfades homogenen oder vergleichmäßigten Kühlwirkung) dadurch, dass etwa entlang des Kühlpfades eine Aufweitung des wirksamen Querschnitts bzw. Durchmessers des Kühlkanals vorgesehen ist, mit der Wirkung, dass im Verlauf des Kühlpfades sich eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids entsprechend der Aufweitung (graduell) verringert, in Verbindung mit einem erhöhten lokalen (Kühl-Flüssigkeits-)Volumen. Dies führt dann wiederum dazu, dass, trotz relativ erhöhter lokaler Fluidtemperatur, eine insbesondere gleichbleibende, konstante Kühlwirkung entlang des Kühlpfades sichergestellt werden kann.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es zudem, im Kühlkanal Kühlfluidbarrieren und/oder Kühlfluidstaustellen vorzusehen, mit dem Zweck, punktuell den Fluss des Kühlfluids zu verlangsamen, Verwirbelungen oder andere Strömungseffekte zu erzeugen, sodass dann wiederum an diesen Stellen besondere Einwirkungs- und Wärmeabfuhrmöglichkeiten im Werkzeug bestehen. Besonders geeignet lassen sich derartige Stau- bzw. Barriereneffekte durch lokale bzw. punktuelle Einengungen, Einschnürungen oder dergleichen Flussquerschnittsverringerungen im Kühlkanal durchführen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es zudem nicht notwendig, den Werkzeug-Substratkörper vollständig (und ausschließlich) durch das schichtweise Aufbauen aus dem pulvrigen Werkstoff zu realisieren, vielmehr ist es auch von der Erfindung umfasst, einen (etwa traditionell durch spanende Verfahren aus einem insbesondere hochwarmfesten und/oder dauerwarmbeständigen Stahlmaterial hergestellten) Basiskörper zu verwenden, auf welchem dann, insbesondere in Richtung auf die Presskanal-Kontaktfläche, der pulvrige metallische Werkstoff durch den schmelzenden Laser-Energieeintrag aufgebracht wird, wobei dann in diesem aufgebrachten Schichtabschnitt der Kühlkanal in der erfindungsgemäßen Weise eingeformt ist, und wobei dann wiederum beispielsweise der unterliegende Basiskörper mittels geeigneter Bohrungen oder dergleichen eine Kühlfluid-Ankopplung zu einer geeigneten Fluidquelle anbieten kann.
In der weiteren Ausgestaltung bevorzugter Ausführungsbeispiele, insbesondere der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen CVD-Beschichtung, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, sowohl eine MT-CVD-Beschichtung zu nutzen (also üblicherweise in einem Temperaturbereich zwischen ca. 700°C und ca. 950°C abgeschieden, zur weiteren Erläuterung und für Details ist auf die EP 2 558 614 B1 zu verweisen), als auch, alternativ, die Hochtemperatur-CVD-Beschichtung, wie sie prinzipiell bereits aus der EP 1 011 885 B1 bekannt ist und wiederum ebenfalls insoweit als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll, insbesondere im Hinblick auf verfahrensmäßige und chemische Details zur Realisierung einer derartigen CVD-Beschichtung (wie auch die beschriebene Mitteltemperatur-CVD-Beschichtung).
Auch sieht die vorliegende Erfindung wiederum als weitere Variante vor, beide CVD-Prozesse zu kombinieren, etwa in der Art, dass auf eine unter Mitteltemperatur (MT) auf das Sinter-Werkzeug aufgebrachte MT-Beschichtung eine sogenannte Deckschicht aufgebracht wird, welche, üblicherweise bei Temperaturen von mindestens 1000°C, zusätzliche Härteeigenschaften ermöglicht und besonders bevorzugt Verbindungen wie TiO, Al₂O₃ bzw. TiBN zur Herstellung dieser äußersten Oberfläche nutzen kann. Ergänzend können einzelne dieser CVD-Schichten, alternativ alle CVD-Schichten, in ansonsten bekannter Weise durch geeignet hinzuzufügende Elemente dotiert werden; exemplarisch für ein derartiges, gerade im vorliegenden Fall günstiges Dotierungselement ist z.B. Bor(B) oder Chrom (Cr).
Zusätzlich vorteilhaft und entsprechend weiterbildend von der Erfindung umfasst ist die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Herstellen des Werkzeug-Substratkörpers durch das additive Aufbauen mittels des pulvrigen Werkstoffs zusätzlich zu nutzen, um, neben dem erfindungsgemäßen Kühlkanal, in den Werkzeug-Substratkörper einen Inertisierungsfluidkanal einzuformen. Ein derartiger Inertisierungsfluidkanal, entsprechend im Rahmen der Erfindung mit nahezu beliebig gestaltbarer, insbesondere auch variabler Innenkontur, ist so eingeformt bzw. ausgerichtet, dass in diesen (geeignet von extern) zuzuführendes Inertisierungsfluid, typischerweise Stickstoff, auf einen Auslass des Presskanals gerichtet ist und entsprechend das Inertisierungsfluid dann dort im Pressbetrieb austretendes Pressgut (Strangpressprodukt) in ansonsten bekannter Weise vor Oxidation und anderen unerwünschten Einflüssen im Sinne eines Schutzgasbetriebes schützen kann. Diese erfindungsgemäße Weiterbildung, indem nämlich auch ein derartiger Inertisierungsfluidkanal durch das erfindungsgemäße additive, schichtweise Aufbauen realisiert ist, gestattet damit vor allem auch solche (Inertisierungs-)Kanalkonfigurationen, welche mit herkömmlichen Methoden, etwa Bohrwerkzeugen, nicht möglich wären, sei es etwa im Hinblick vorzusehende Querschnittsvariationen und/oder Kurven- bzw. Winkelverläufe eines derartigen Kanals.
Auch wenn ein derartiger Inertisierungsfluidkanal bevorzugt als Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, ist es gleichwohl auch alternativ von der Erfindung umfasst, anstelle des erfindungsgemäßen Kühlkanals lediglich durch das erfindungsgemäße Verfahren einen Inertisierungsfluidkanal zu realisieren, entsprechend dem unabhängigen Patentanspruch. Im Rahmen dieses Aspekts der Erfindung sind dann wiederum die in den Unteransprüchen zum Hauptanspruch vorgesehenen Weiterbildungen als gleichermaßen eine derartige unabhängige Lösung weiterbildend als zur Erfindung gehörig offenbart anzusehen.
Im Ergebnis ermöglicht die vorliegende Erfindung in geometrisch überraschend flexibler Weise die Realisierung eines Strangpresswerkzeugs mit im Inneren des Werkzeugkörpers nahezu beliebig ein- bzw. ausformbarer Kühlkanalstruktur, welche insbesondere das Nachführen bzw. das oberflächennahe Heranbringen des Kühlfluids im Strangpressbetrieb gestattet, so dass, durch verbesserte Kühlung, signifikant verbesserte Geschwindigkeits- und damit Effizienzeigenschafen des Strangpressbetriebs ermöglicht sind. Dabei ist zwar die Verarbeitung eines Al-haltigen Strangpressmaterials mit dem erfindungsgemäß hergestellten Strangpresswerkzeug bevorzugt, gleichermaßen geeignet sind jedoch auch andere strangpresstaugliche Materialien, etwa Buntmetalle, alternativ sogar Kunststoffe.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figuren; diese zeigen in:

1 eine Längsschnittansicht durch ein zweiteiliges Strangpresswerkzeug für eine Aluminiumlegierung als Strangpressmaterial, im montierten und prinzipiell betriebsfähigen Zustand und hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einem ersten Ausführu ngsbeispiel.

Das in 1 gezeigte und als Ergebnis des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens realisierte zweiteilige Werkzeug besteht aus einem Dornteil 10 und einer darüber vorgesehenen Matrizenplatte 12; beide Werkzeugteile sind weitgehend um eine zentrische Symmetrieachse 14 herum rotationssymmetrisch ausgebildet. In ansonsten bekannter Weise tritt, in der Figurenebene der 1 von unten, duktiles und geeignet vorerwärmtes Aluminium-Strangpressmaterial über Kammerbereiche 17 und Presskanäle 19 des Werkzeugs bis zu einem Austrittsbereich 21, an welchem das (hier profilförmig ausgestaltete) Werkstück als Ergebnis des Strangpressprozesses austritt; mithin ist bei dem in 1 gezeigten Werkzeug die Zuführ- und Pressrichtung von unten nach oben.
Die 1 zeigt zusätzlich im Dornteil 10 bzw. in der Matrizenplatte 12 gebildete Kühlkanäle; im Fall des Dornteils ist es ein sich querschnittlich und umgekehrt-U-förmig von einem Kühlmitteleinlass 16 zu einem Kühlmittelauslass 18 erstreckender Kanal, gebildet - wie nachfolgend im Detail zu erläutern sein wird - durch ein abschmelzendes Laser-Verfahren beim Herstellen des Werkzeug-Substratkörpers des Dornteils 10 aus einem pulvrigen Wertstoff. In der gegenüberliegenden Matrizenplatte 12 weist der dort vorgesehene Kühlkanal einen radial zur Mittelachse 14 verlaufenden Zuflusskanal 26 bzw. Abflusskanal 28 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei der (ringförmige, von in der Figur nicht gezeigten Radialstreben unterbrochene) Presskanal 19 mit seiner Dornteil-Innenwand 22 und seiner Matrizenplatten-Innenwand 20 jeweils im Werkzeuginneren benachbart umschlossen von ringförmigen Aufweitungen 24 bzw. 30. Der Ringkanal 30 ist, wie in der 1 gezeigt, im Hinblick auf die Matrizenplatte 12, innenseitig am Ende von Zufluss 26 bzw. Abfluss 28 ausgebildet (der Ringkanal 30 ist, im Bereich des Abflusses 28, mit einer Verengung bis auf die eigentliche Abflussdicke gezeigt). Der Ringkanal 24 im Dornteil, der gleichermaßen aufgeweitet durch den U-förmigen Kühlkanal gespeist wird, ist auch hier im rechtsseitigen Bereich mit einer Verengung auf die eigentliche Kanalform gezeigt.
Die so aufgebaute komplexe Kühlstruktur ist ermöglicht durch das Fertigen sowohl des Dornteils 10, als auch der Matrizenplatte 12 durch ein Verfahren des selektiven Laserschmelzens (SLM), bei welchem, jeweils schichtweise mit einer Schichtdicke zwischen typischerweise 10µm und 150µm, insbesondere zwischen 30µm und 50µm, aufgetragen, Metallpulver selektiv und in ansonsten bekannter Weise unter Lasereinwirkung geschmolzen und damit an den betreffenden Stellen zum Herstellen eines Festkörpers verbunden wurde. Im konkreten Fall wurde, auf einer Anlage des Typs Selective Laser Melting SLM 280 der Firma SLM Solutions GmbH, Lübeck, pulverisierter Metallwerkstoff des Typs Inconel 718 (Herstellerin: Special Metals Cooperation, USA, in Deutschland vertreten als Special Metals Deutschland Ltd., Düsseldorf), eine nickelbasierte Metalllegierung, vor dem Sintern auf eine mittlere Korngröße von 40µm (Verteilung nach Sieben: 25-50µm) durch einen Pulververdüser pulverisiert. Alternative Werkstoffe sind Stähle des Typs 1.2343, 1.2344 oder 1.2709.
Durch die sukzessive aufgebrachten und entsprechend der Werkzeugteil- und Kühlkanal-Kontur verbundenen Pulverpartikel lässt sich der exemplarisch in 1 gezeigte komplexe Werkzeugsatz herstellen, wobei, bei ansonsten größen- und abmessungsproportionaler Darstellung der 1, eingeschlossen der Weiten der Kanäle, der zylindrische Außendurchmesser der in 1 gezeigten Werkzeuganordnung 100mm beträgt.
Vor dem Herstellen des wie in 1 gezeigten montierten Zustandes wurden insbesondere die Strangpressmaterial-Kontaktflächen, und zwar insbesondere die Innen-(22) und Außenfläche 20 des Presskanals 19, durch Schleifen auf eine Rauhigkeit von 2µm Rmax (Wert der größten Einzelrautiefe, DIN EN ISO 4287) oberflächenbehandelt. Zusätzlich erfolgte nach dieser Oberflächenbehandlung eine (ansonsten bekannte) CVD-Beschichtung bei Mitteltemperatur, wobei zur ergänzenden Erläuterung diesbezüglich auf die Offenbarung der EP 2 558 614 B1 der Anmelderin verwiesen wird (welche insoweit und insbesondere im Hinblick auf die CVD-Beschichtung als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll). Vor und/oder nach der CVD-Beschichtung kann die Anordnung eine ergänzende Wärmebehandlung erhalten, etwa in Form eines Spannungsarmglühens und/oder eines Härtens und/oder Warmauslagerns.
Im Hinblick auf den zwischen Einlass 16 und Auslass 18 verlaufenden und, bis auf den umlaufenden Ringkanal 24, querschnittlich runden Presskanal mit entlang der Durchströmungsrichtung in 1 mit W1 ... W5 markierten Durchflussweiten (insoweit entsprechend einem lokalen Durchmesser des runden Presskanals) zeigt sich, dass dieser Durchmesser vorteilhaft in seiner Weite variiert ist. So weitet sich dieser Kühlkanal von W1 über W2 zu W3 auf (also W1 < W2 < W3), sodass, bei angenommener konstanter Fördergeschwindigkeit in 16 eintretenden Kühlfluids (dieses ist typischerweise bei einer Temperatur von -180°C bis - 200°C eingebrachter Flüssigstickstoff) im mittleren Kühlkanalbereich der Weite W3 bzw. dem daran angeschlossenen und um die Achse 14 ringförmig herumlaufenden Ringkanal 24 der Weite W24 die Flussgeschwindigkeit am geringsten ist. In Richtung auf den Auslass 18 verengt sich gleichwohl dann der Innenquerschnitt wieder, wobei W3 > W4 > W5 gilt, allerdings ist, insoweit zum Berücksichtigen des Umstandes, dass in Richtung auf den Auslass 18 fließendes Fluid gegenüber eintretendem Fluid erwärmt wurde, W4 > W2. Für eine Weite W24 des Ringkanals 24 gilt W24 > W3.
Entsprechendes gilt für die Kühlung der Matrizenplatte 12 zwischen dem Einlass 26 und dem Auslass 28 mit wiederum um die Symmetrieachse 14 herumlaufendem matrizenplatten-seitigen Ringkanal 30. Hier ist eine optimierte zuflussseitige Weite W6 größer als eine abflussseitige Weite W7. Für eine Weite W30 des Ringkanals 30 gilt W30 > W6; im vorliegenden Beispiel ist W24 = W30.
Zusätzlich ist in der Matrizenplatte 12, gerichtet auf einen Auslass des Presskanals 19, ein Inertisierungsfluidkanal 23 ausgebildet; dieser wird im Rahmen der Weiterbildung der Erfindung gleichermaßen durch das erfindungsgemäße schichtweise Aufbauen und Laser-Schmelzen des pulvrigen Werkstoffs realisiert, wie auch die in die Werkstoffkomponenten eingeformten Kühlkanäle. In ansonsten bekannter Weise ermöglicht es dieser Inertisierungsfluidkanal, extern herangeführtes Inertisierungsfluid (etwa Stickstoff) in der Art eines Schutzgases auf den auslassseitigen Bereich des Presskanals zu bringen, sodass insoweit dann der beabsichtigte Schutzeffekt des dort im Betrieb austretenden Pressgutes erfolgen kann.
Im Betrieb zum Herstellen eines ringförmig-verstrebten Profils als aus dem Strangpresswerkstoff herzustellenden Strangpresserzeugnis hat sich eine auf die in 1 gezeigte Weise mit einer Kühlstruktur versehende Werkzeuganordnung als deutlich vorteilhaft gegenüber einem ungekühlten (oder lediglich mit Stichkanälen in Form von Bohrungen versehenen) Werkzeug erwiesen. Nicht nur lässt sich auf die gezeigte Weise eine deutliche Absenkung der Werkzeug-Oberflächentemperatur an den kritischen Presskanal-Kontaktflächen (hier insbesondere 20, 22) realisieren, sodass, effizienzerhöhend, gegenüber traditionellen und ungekühlten Werkzeugen bei ansonsten gleichen Pressbedingungen deutlich höhere Pressgeschwindigkeiten erzielbar sind (eine derartige Geschwindigkeitserhöhung ist im Bereich von 10% bis 30% ohne Qualitätseinbußen realistisch). Darüber hinaus hat sich, wiederum bei ansonsten gleicher Herstellung und gleichen Betriebsbedingungen, die starker Abnutzung an den Kanalwänden 20, 22 ausgesetzte CVD-Beschichtung als überraschend wiederstandsfähig und dauerhaft erwiesen; im Rahmen der Erfindung wird davon ausgegangen, dass, etwa gegenüber einem durch Fräsen aus einem Vollmaterial hergestellten Werkzeugteil, die (ggf. oberflächenbearbeitete, s.o.) SLM-Oberfläche besonders günstig und haftend (gleichzeitig elastisch und damit dauerhaft) für ein Aufbringen der und Zusammenwirken mit der CVD-Beschichtung geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr eignet sich die vorliegende Erfindung für das nahezu beliebige Herstellen konturnaher Kühlkanäle in Strangpresswerkzeugen, indem, unter vorteilhafter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Werkzeugs aus pulvrigen Metall-Ausgangsmaterial, günstige Eigenschaften für eine komplexe Kanalführung synergistisch zusammenwirken mit exzellenten und insbesondere für ein günstiges Haften (einer CVD-Oberflächenbeschichtung) positiven Beschichtungseigenschaften gerade für das Strangpressen duktilen Metallmaterials.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Strangpresswerkzeugs, insbesondere Strangpresswerkzeug für die Strangpressverarbeitung eines metallischen, insbesondere Aluminium und/oder eine Al-Legierung aufweisenden, Strangpressmaterials, umfassend die Schritte: - additives, insbesondere schichtweises, Aufbauen eines Werkzeug-Substratkörpers (10; 12) aus einem pulverigen, zumindest anteilig metallischen Werkstoff durch einen den Werkstoff zumindest teilweise schmelzenden Laser-Energieeintrag, insbesondere durch ein SLM-, ein EBM- und/oder ein LMB-Verfahren; - Einformen eines zur Leitung und Flussführung eines Strangpresswerkzeug-Kühlfluids durch den Werkzeug-Substratkörper vorgesehenen Kühlkanals (16, 18; 26, 28) während des additiven Aufbaus; - Aufbauen einer zum Zusammenwirken mit dem duktilen Strangpressmaterial während eines Strangpressbetriebs vorgesehenen Presskanal-Kontaktfläche (20; 22) auf dem additiv aufgebautem Werkzeug-Substratkörper und oberhalb und/oder benachbart des Kühlkanals so, dass zumindest ein Abschnitt des Kühlkanals im Werkzeug-Substratkörper parallel oder in einem vorbestimmten Winkel zu einer Erstreckungsrichtung der Kontaktfläche verläuft und/oder ein Abschnitt des Kühlkanals im Substratkörper einer Kontur oder einem Konturverlauf der Kontaktfläche folgt; und - gekennzeichnet durch das Durchführen eines CVD-Beschichtungsprozesses zum Abscheiden einer C- und N-haltigen Beschichtung auf der Presskanal-Kontaktfläche und wobei zumindest ein innerer, Kühlfluid führender Wandabschnitt des Kühlkanals mit einer durch einen CVD-Beschichtungsprozess abgeschiedenen, Kohlenstoff und Stickstoff aufweisenden Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise ein Verhältnis des kürzesten Abstands des Kühlkanals zur Kontaktfläche, bezogen auf einen lokalen Kühlkanal-Innendurchmesser und/oder eine maximale lokale Kühlkanal-Innenweite, < 1,5 bevorzugt < 1, weiter bevorzugt < 0,5, ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal entlang seiner Erstreckung einen veränderlichen Innendurchmesser und/oder eine veränderliche Innenweite aufweist, wobei bevorzugt einem ersten, kleineren Abstand des Kühlkanals zur Kontaktfläche ein/e erste/r größere/r lokale/r Kühlkanal-Innendurchmesser bzw. Kühlkanal-Innenweite zugeordnet ist und, entlang des Kühlkanals versetzt, einem zweiten, größeren Abstand des Kühlkanals zur Kontaktfläche ein/e zweite/r kleinere/r lokale/r Kühlkanaldurchmesser bzw. Kühlkanalinnenweite zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des Kühlkanals zur Kontaktfläche zumindest abschnittsweise so eingerichtet wird, dass in einem stationären Strangpress- und Kühlbetriebszustand des mit dem Verfahren hergestellten Strangpress-Werkzeugs bei durch den Kühlkanal fließendem gasförmigem oder flüssigem Kühlmittel eine Oberflächentemperatur der Kontaktfläche um mindestens 10°C, bevorzugt mindestens 20°C, weiter bevorzugt mindestens 50°C, kühler betrieben werden kann als eine lokale mittlere Temperatur des entlang der Kontaktfläche fließenden duktilen Strangpressmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser und/oder eine Querschnittsweite des Kühlkanals zwischen einem Kühlfluideinlass und einem Kühlfluidauslass im Werkzeug-Substratkörper so ausgestaltet wird, dass der Durchmesser bzw. die Querschnittsweite in Richtung auf den Kühlfluidauslass zumindest abschnittsweise eine Aufweitung und/oder Vergrößerung erhält und insbesondere so ausgeweitet bzw. vergrößert wird, dass während eines Strangpressbetriebs im Kühlkanal fließendes Kühlfluid relativ zu einem Kühlkanal konstanter Innenweite eine langsame ansteigende und/oder vergleichsmäßige Kühlfluidtemperatur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal zumindest abschnittsweise eine von einer Kreisform abweichende Querschnittskontur aufweist, insbesondere flach und/oder oval und/oder gebogen und/oder vieleckförmig ausgebildet ist, wobei weiter bevorzugt ein Übergang zwischen Abschnitten unterschiedlicher Querschnittskontur eine konstante Querschnittsfläche erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal abschnittsweise eine Kühlfluid-Staustelle und/oder Fluidbarriere, insbesondere ausgebildet als punktuelle Verengung, eingeformt aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeug-Substratkörper auf einem metallischen Basiskörper aufgebaut wird, der bevorzugt als hochwarmfestes und/oder dauerwarmbeständiges Stahlmaterial, weiter bevorzugt Werkzeugstahlmaterial, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der CVD-Beschichtungsprozess bei einer Temperatur im Bereich von 700°C bis 950°C zum Erzeugen der Beschichtung so durchgeführt wird, dass ein Verhältnis zwischen Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in der Beschichtung C/N größer 1 beträgt und/oder die Beschichtung eine kolumnare und/oder stenglige Struktur mit einer Vielzahl von einander benachbarten, zueinander parallel und senkrecht zur Kontaktfläche ausgerichteten Gefügeabschnitten aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeug-Substratkörper unmittelbar oder die Beschichtung mit einer CVD-Deckschicht versehen wird, die mit einer Abscheidetemperatur größer 950°C, insbesondere größer 1000°C, aufgebracht wird und/oder TiO, Al₂O₃ und/oder TiBN aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Beschichtung versehene Strangpresswerkzeug nach dem Ende des CVD-Beschichtungsprozesses zur Wärmebehandlung mit einer Anlass-, Spannungsarmglüh- oder Wärmeauslagertemperatur wärmebehandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Einformens während des additiven Aufbaus zusätzlich das Einformen eines Inertisierungsfluidkanals in den Werkzeug-Substratkörper aufweist, wobei der Inertisierungsfluidkanal so ausgebildet wird, dass in einem Strangpressbetrieb daraus Inertisierungsfluid, insbesondere Stickstoff, in Richtung auf einen Auslass des Presskanals auftreten kann.
Mehrteiliges Strangpresswerkzeug, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ein Dornteil (10) sowie eine Matrizenplatte (12) aufweisenden mehrteiligen Strangpresswerkzeug zumindest eines der Teile nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird.
Verwendung des mehrteiligen Strangpresswerkzeugs nach Anspruch 13 zum Strangpressen von profilartigen Strangpressprodukten aus einem metallischen Strangpressmaterial, wobei während des Strangpressens ein Kühlfluid durch den Kühlkanal geleitet wird.