DE19520880C1 - Thermoschock-Körper und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermoschock-Körper und ein Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Für thermoschockbeanspruchte Körper wie beispielsweise Dauerformen für Metall- und Glasguß verwendet man, abhängig von der Anwendungstemperatur und Beanspruchungsart, meist einen chromlegierten Warmarbeitsstahl, der einem Thermoschock eine gewisse Zeit widerstehen kann. Bei vielen Anwendungen überschreiten die thermisch induzierten, zyklisch auftretenden Zug-Druck- Wechselspannungen die Dauerfestigkeit des Werkstoffes, so daß in der Oberfläche eine Rißbildung entsteht, die sich meist als Rißnetzwerk zu erkennen gibt. In diese Risse, die sich immer mehr aufweiten, dringt Schmelze ein, so daß das Gußteil in der Form hängen bleibt. Außerdem zeigen sich Ausbröckelungen an der Formoberfläche, die ein aufwendiges Nacharbeiten des Gußteiles erforderlich machen. In der Praxis wird eine Dauerform unbrauchbar, sobald die Risse eine bestimmte Größe und Ausdehnung erreichen.

Die Thermoschockbeanspruchung von Dauerformen wird durch den Wunsch nach höherer Produktivität und damit kürzeren Arbeitszyklen immer größer. Vor allem die in diesem Zusammenhang verwendete Spritzwasserabkühlung der heißen Formoberfläche erhöht die Zugspannungen im Oberflächenbereich der Gießform erheblich.

Betroffen sind insbesondere flache und ausgedehnte Oberflächenbereiche sowie Bereiche, die einer hohen Erwärmung z. B. durch eine dickwandige Zone des erstarrenden Gußteiles ausgesetzt sind. In letzterem Fall wird der Formen-Werkstoff relativ schnell überaltert und verliert damit die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Des weiteren wird diese stark erwärmte Zone besonders intensiv mit Spritzwasser abgekühlt. Das Zusammenwirken beider Vorgänge zerstört den Warmarbeitsstahl in einer Gießform sehr rasch. Diese Feststellung wird u. a. dadurch bestätigt, daß Gießformen für Zinkdruckguß die drei- bis vierfache Lebensdauer entsprechender Gießformen für Aluminiumdruckguß besitzen. Zink wird bei etwa 450°C vergossen, während die eff. Gießtemperatur von Aluminium bei etwa 650-700°C liegt. Da die Überalterung des Warmarbeitsstahles oberhalb von 600°C beginnt, ist dieses Überalterungsphänomen bei Aluminium wirksam. Hinzu kommt die höhere Temperaturlage, die zu einem höheren Temperaturschock führt.

Der Schädigungsmechanismus soll im folgenden kurz beschrieben werden. Durch den Thermoschock werden im Stahl Zug-Druck-Wechselspannungen erzeugt, die oberhalb der Wechseldauerfestigkeit liegen und so zu einer Zerrüttung des Gefüges führen. Zunächst entstehen im Gefüge Wechselgleitungen, die bei Überbeanspruchung durch zunehmende Blockaden im Gitter zu submikroskopischen Anrissen führen. In der nächsten Stufe entsteht eine Rißvereinigung und daraus dann ein technischer Anriß. Diese Anrisse führen einerseits zwar zu einem Spannungsabbau, andererseits aber auch zu einem Ausbröckeln des Stahles an der Oberfläche und zu einem Eindringen des flüssigen Metalles beim Druckgießen.

Es ist nach DE-PS 9 72 061 und DE-PS 5 10 359 sowie einem Prospekt der G. D. Bracker Söhne Maschinenbaugesellschaft mbH "Spezial-Maschinen zur Nacharbeit von Schleudergußkokillen" Ausg. 1/94 bekannt, zur Verminderung von Thermoschockrissen in Schleudergußkokillen eine Aufrauhung der Arbeitsoberfläche oder eine Einbringung künstlicher Risse durch Ätzen oder durch Eindrücken von Einkerbungen (Prägen) vorzunehmen.

Bei dem zuletzt erwähnten Prägen werden zusätzlich noch Druckspannungen in die Oberfläche eingebracht, was ebenfalls die Rißentstehung vermindert.

Da mit der der Einbringung eines künstlichen Rißnetzwerkes eine geometrische Veränderung der Arbeitsoberfläche verbunden ist, kommt diese Praxis beim Formguß aus mehreren Gründen bis heute nicht zur Anwendung. Einmal würde sich das Gießmetall beim Druckgießverfahren in den künstlichen Rissen festsetzen, zum anderen sind für die Gußteile bestimmte Oberflächengüten gefordert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoschockbeanspruchten Körper zu schaffen, der die bekannten Vorteile eines in seiner Arbeitsoberfläche eingearbeiteten künstlichen Rißnetzwerkes besitzt, jedoch die Nachteile einer Veränderung seiner Oberflächengeometrie nicht aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Körper mit den Merkmalen des Hauptanspruches 1 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 2 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche dienen der Weiterentwicklung des Verfahrens.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein in der Arbeitsoberfläche vorhandenes künstliches Rißnetzwerk so bearbeitet wird, daß der Spalt der Risse sich vollständig schließt, ohne daß sich die jetzt einander vollständig berührenden Spaltwände miteinander verbinden. Dies wird dadurch erreicht, daß der in die Oberfläche des Körpers mit der gewünschten Tiefe durch spanende Bearbeitung, thermisches Schneiden, Erodieren oder auf anderem Wege eingearbeitete Spalt durch einen auf den zuvor druckdicht gekapselten Körper einwirkenden Hochtemperatur- Hochdruckprozeß (HIP) wieder geschlossen wird. Damit der künstliche Riß seine spannungsvermindernde Funktion beibehält, wird vor der Durchführung der Kapselung und des Hochtemperatur-Hochdruckprozesses die Spaltoberfläche vorteilhafterweise mit einer geeigneten Dünnbeschichtung versehen, die als Trennmittel eine metalldiffusive Verschweißung der Spaltwände in jedem Falle verhindert.

Durch das künstliche Rißnetzwerk wird ein mit dem schroffen Temperaturwechsel im Oberflächenbereich normalerweise einhergehender Spannungsaufbau weitgehend verhindert. Bei einer schroffen Abkühlung der Oberfläche kann sich das Körpermaterial im Oberflächenbereich durch Öffnen der künstlichen Risse ausdehnen, so daß nur geringe oder gar keine Zugspannungen entstehen. Beim Temperaturausgleich schließen sich die künstlichen Risse wieder. Beim schroffen Erwärmen treten in der Oberfläche Druckspannungen auf, die durch die künstlichen Risse ebenfalls gering gehalten werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der künstliche Riß beim Gießen nicht als offener Spalt in Erscheinung tritt. Ein offener Spalt würde sich mit Schmelze füllen, dadurch am Gußstück Spuren hinterlassen und beim Entformen Probleme bereiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt und eine Draufsicht eines Teilbereiches einer Dauerform für Metallguß mit dem künstlich eingearbeiteten Rißnetzwerk vor der Behandlung;

Fig. 2 den Körper aus Fig. 1 nach der Hochtemperatur-Hochdruckbehandlung;

Fig. 3 den Körper nach der Entfernung der Kapsel.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 besitzt der Körper 1 im Ausgangszustand in seiner Arbeitsoberfläche 2 einen künstlichen Spalt 3 in der gewünschten Tiefe und der gewünschten netzförmigen Anordnung. Die Tiefe muß die noch vorhandene Bearbeitungszugabe berücksichtigen. Ein beispielhaftes Maß könnte eine Spalttiefe von 3 mm sein bei einer Bearbeitungszugabe von 1 mm, so daß der Spalt im Endzustand 2 mm in den Körper hineinragen würde. In diesem Falle könnte eine lichte Spaltweite von 0,8 mm gewählt werden. Der Netzabstand könnte bei einer quadratischen Maschenstruktur 15 mm betragen. Im ersten Arbeitsschritt wird die gesamte Oberfläche einschließlich der Spaltinnenflächen mit dem PVD-Verfahren beschichtet. Die Schichtdicke beträgt etwa 1 µ. Als Schichtwerkstoff wird Aluminiumoxid ausgewählt. Nach der Beschichtung wird der Formkörper vollständig mit einer Stahlkapsel gasdruckdicht verschlossen. Im letzten Schritt wird der gekapselte Körper einer Hochtemperatur-Hochdruckbehandlung unterzogen (Fig. 2). Nach dieser Behandlung wird die Kapsel entfernt und der Formkörper kann wie bekannt weiter bearbeitet werden (Fig. 3).

Die Erfindung kann überall dort eingesetzt werden, wo an einer Körperoberfläche oder im Innern eines Körpers zur Verminderung thermisch induzierter Spannungen ein künstliches Rißnetzwerk verwendet werden soll. Weitere Beispiele sind Bremsscheiben für Straßen- und Schienenfahrzeuge, Transport- und Verformungsrollen im Spritzwasserbereich von Stranggießanlagen sowie Zylinderköpfe und Kolben insbesondere von Großdieselmotoren.

Claims (5)

1. Thermoschock-Körper, insbesondere als Dauerform oder Teil einer Dauerform für Metall- und Glasguß, in dessen Arbeitsoberfläche sich künstliche Risse oder Rißnetzwerke befinden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Risse oder Rißnetzwerke mittels einer Hochdruck-Hochtemperaturverformung (HIP) so zusammengedrückt sind, daß sich die Spaltwände vollständig berühren, jedoch eine metallische Verbindung der Spaltwände durch eine auf den Spaltwänden vorhandene dünne Trennschicht nicht gegeben ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines insbesondere als Dauerform oder Bestandteil einer Dauerform für Metall- und Glasguß zu verwendenden thermoschockbeständigen Körpers, in dessen Arbeitsoberfläche künstliche Risse oder Rißnetzwerke eingearbeitet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte dieser künstlichen Risse oder Rißnetzwerke bis zum vollständigen Berühren ihrer einander gegenüberliegenden Wandflächen durch einen an dem zuvor druckdicht gekapselten Körper durchgeführten Hochtemperatur-Hochdruck-Prozeß (HIP) geschlossen werden, wobei zwischen den Spaltwänden keine metallische Verbindung eintreten soll, was durch eine bereits ursprünglich auf den Spaltwänden vorhandene oder zusätzlich aufgetragene, metalldiffusionshemmende Dünnschicht erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Arbeitsoberfläche gekapselt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel aus einem metallischen Werkstoff besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel aus einem superplastisch verformbaren metallischen Werkstoff besteht.