DE19810015A1 - Strangpreßwerkzeug, Verfahren zu dessen Herstellung sowie seine Verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strangpreßwerkzeug - insbesondere eine scheibenartige Preßmatrize mit zumin­ dest einem Formgebungsdurchbruch zum Strangpressen von Me­ tall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung - aus einem Stahlwerkstoff mit Oberflächenbeschichtung. Zudem erfaßt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Strangpreßwerkzeuges sowie dessen Verwendung.

Die Härte - beispielsweise zum Herstellen von Aluminium­ profilen verwendeter - herkömmlicher Preßwerkzeuge ist für den industriellen Einsatz oftmals nicht ausreichend, um eine befriedigende Verschleißfestigkeit und damit wirt­ schaftlich sinnvolle Standzeiten zu erreichen. Aus diesem Grund werden solche Strangpreßwerkzeuge mit bekannten Härtungsverfahren gehärtet.

Aus Warmarbeitsstählen hergestellte Strangpreßwerkzeuge werden gängigerweise nach der spanenden Fertigung auf etwa 46 bis 50 HRC gehärtet und dann durch Schleifen, Senk- und Drahterodieren fertiggestellt; üblicherweise erfolgt dann eine Erprobung des Werkzeuges im Aluminiumpreßwerk und - falls notwendig - eine Korrektur. Ist dann ein Strangpreß­ werkzeug preßfertig, wird es in der vorbeschriebenen Weise durch Nitrieren auf eine Oberflächenhärte von etwa 1000 HV gebracht; die Praxis hat gezeigt, daß dieser Härtewert im praktischen Einsatz einen hinreichenden Verschleißschutz bietet.

Zu den bekannten Nitrierverfahren gehört das Salzbad-Ni­ trieren mit Hilfe von Zyanidsalzen. Dieses Verfahren bringt jedoch beträchtliche Umweltprobleme, so daß dessen industrielle Zukunft fraglich ist. Das Nitrieren mittels Gas besitzt den Nachteil, daß die entstehende Härtungs­ schicht relativ dick ist und dadurch nur eine begrenzte Zähigkeit besitzt. Schließlich gibt es die Möglichkeit des Plasma-Nitrierens, wobei dieses Verfahren sich jedoch ins­ besondere für Werkzeuge mit dünnen Schlitzen als Durchbrüchen nicht eignet.

Den bekannten Härtungsverfahren durch Nitrieren ist zudem der Nachteil gemeinsam, daß mit zunehmender Temperatur die Härtungsschicht abdiffundiert; bei einer Temperatur von etwa 500°C ist beispielsweise eine durch Salzbad-Nitrieren erreichte Schicht nach etwa fünfzehn Stunden nicht mehr vorhanden.

Ist dann im Preßbetrieb die Nitrierschicht durch Diffusion verschwunden, muß der Preßvorgang unterbrochen werden; das Werkzeug wird freigebeizt, gereinigt und neu nitriert. Bei häufigem Nachnitrieren nahe der Anlaßtemperatur des verwen­ deten Stahles sinkt außerdem dessen Härte und Grundfestig­ keit kontinuierlich ab, was zu vorzeitigem Ausfall führt. So liegt etwa bei dünnwandigen Werkzeugen die erreichbare Standzeit nur zwischen etwa 30 und 100 Pressungen, bevor ein erneutes - kostenträchtiges - Nachnitrieren notwendig wird.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, ein Strangpreßwerkzeug zu schaffen, mit dem nicht nur ein wirksamer und dauerhafter Verschleiß­ schutz - und mithin eine deutlich verlängerte Standzeit - erreicht wird, sondern auch eine gute Eignung insbesondere für dünnwandige Werkzeuge. Das Herstellungsverfahren soll auf einfache Weise und ohne Belastung der Umwelt durchge­ führt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi­ gen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Wei­ terbildungen an.

Erfindungsgemäß ist die Beschichtung des Strangpreßwerkzeu­ ges aus einem Beschichtungswerkstoff gefertigt, der aus der Titankarbid, Titannitrid, Titanborid Vanadiumkarbid, Chrom­ karbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Kombinationen von diesen enthaltenden Gruppe ausgewählt ist; dieser Beschich­ tungswerkstoff ist durch ein CVD-Gasabscheidungsverfahren - bevorzugt bei Temperaturen über 1000°C - auf die Ober­ fläche des Strangpreßwerkzeuges aufgebracht worden, dessen Grundwerkstoff vor allem ein verzugsarmer Warmarbeitsstahl ist.

Im Rahmen der Erfindung liegt ein Verfahren mit den Schrit­ ten

• - spanendes Formen des Strangpreßwerkzeuges aus einem Stahlwerkstoff in die gewünschte Gestaltung; Härten und Fertigbearbeiten des Strangpreßwerkzeuges;
• - Beschichten des geformten Stahlwerkstoffes an vorbe­ stimmten Stellen mit wenigstens einem oben genannten Beschichtungswerkstoff mittels des sog. CVD-Verfahrens;
• - Härten des beschichteten Stahlwerkstoffes.

Das thermisch aktivierte CVD-Verfahren - Chemical Vapour Deposition - ist an sich für das Herstellen von Ein­ kristallen, das Imprägnieren von Fasergerüsten mit Kohlen­ stoff oder Keramiken sowie allgemein für das Abscheiden von dünnen Schichten - sei es durch Aufwachsen oder durch Dif­ fundieren von Boriden, Karbiden, Nitriden, Oxiden - be­ kannt.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise führt zu einer Ver­ schleißschicht für das Strangpreßwerkzeug, die ohne weitere Nachbehandlungen die Standzeit des Werkzeugs selbst über­ dauert. Diese überraschende Eigenschaft entsteht dank der durch das CVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtung, die bei Temperaturen von bevorzugt mehr als 1000°C aufgebracht wird; in vorteilhafter Weise setzt dabei die Erfindung oberhalb der herkömmlichen Härtungsverfahren ein, die grundsätzlich unterhalb Temperaturen von etwa 500 bis 600°C - also der Anlaßgrenze des verwendeten Stahlwerkstoffes - bleiben.

Zwar erfordert das CVD-Beschichten der Härten des fertigen Werkzeuges nach dem Beschichtungsvorgang; jedoch durch ge­ naue Kontrolle der Fließvorgänge in den Werkzeugen und die erfindungsgemäße Auswahl besonders verzugsarmer Warmar­ beitsstähle zur Realisierung der Erfindung wird in über­ raschender und nicht vorhersehbarer Weise diese Technologie beherrschbar und bringt herausragende Härte- sowie Ver­ schleißfestigkeitseigenschaften.

Für die Beschichtung eignen sich - wie bereits erwähnt - in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung insbesondere Titankarbid, Titannitrid, Titanborid, Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid sowie Silziumnitrid; je nach Werkstofflassen sich Mikrohärten zwischen HV = etwa 2000 und HV = etwa 4000 erreichen. Besonders Titankarbid oder Aluminiumoxid weisen - mittels des CVD-Verfahrens aufge­ bracht - herausragende Zähigkeitseigenschaften auf, wäh­ rend beispielsweise Chromkarbid in besonderem Maße wider­ standsfähig gegen abrasiven Verschleiß und wenig anfällig für Risse oder Poren ist. Insbesondere auch Titankarbid zeichnet sich zudem durch vorteilhafte Reibungseigenschaf­ ten aus.

Das erfindungsgemäß eingesetzte CVD-Beschichtungsverfahren, nämlich die direkte Abscheidung der genannten Feststoffe aus der Gasphase, bringt dem vorliegenden Anwendungsgebiet der Strangpreßmatrizen zahlreiche Vorteile, die neben Ver­ schleißfestigkeit - also lange Standzeit - Härte und Zä­ higkeit bieten:

• - genaue und gleichmäßige Beschichtung, selbst von Werk­ zeugen mit komplizierter Form; durch das CVD-Prozessen inhärente Streuvermögen ist es insbesondere möglich, mit hoher Genauigkeit eine gleichmäßige Beschichtung aufzubringen;
• - günstiges Verhältnis von Fehlerquoten und Werkzeugqua­ lität; durch das gut beherrschbare CVD-Verfahren be­ steht beim erfindungsgemäßen Herstellen und Beschichten der Strangpreßmatrize beträchtliche Prozeßsicherheit und gute Reproduzierbarkeit, so daß mit geringstem Aus­ schuß qualitativ äußerst hochwertige Werkzeuge her­ stellbar sind;
• - hohe Schichthaftung; dank des metallurgischen Charak­ ters der Verbindung wird durch das CVD-Verfahren eine sehr gute Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Be­ schichtung erreicht.

In bevorzugter Weise werden als Ausgangswerkstoffe zum Her­ stellen der erfindungsgemäßen Strangpreßmatrizen zähe, hochwarmfeste Stähle verwendet, die etwa mit Cr, Mo oder mit Wolfram legiert sind, und die beispielsweise durch ESU Elektroschlacke-Umschmelzen) für hohe Zähigkeit erschmol­ zen sind.

Die vorerwähnten Beschichtungsmaterialien, beliebige Kombi­ nationen von diesen, auch mehrschichtig, oder aber alterna­ tive, geeignete Werkstoffe, werden dann mittels eines CVD-Prozesses bei Temperaturen zwischen etwa 700 und etwa 1050°C für eine Dauer zwischen 5 und 6 Stunden abgeschieden.

Das so erzeugte Werkzeug wird nach diesem Beschichtungsvor­ gang erneut gehärtet.

Bevorzugt ist auch die verwendete Stahllegierung so ge­ wählt, daß durch den mit dem CVD-Beschichtungsprozeß ver­ bundenen Temperaturanstieg kein wesentlicher Verzug auf­ tritt. Als zur Erfindung gehörig ist zudem anzusehen, daß ein allfälliger Verzug bereits bei der Konstruktion des Werkzeuges aufgrund des erwarteten Fließverhaltens des Werkstoffes einbezogen wird.

Entsprechendes gilt für das konkrete Strangpressen - etwa von Aluminiumprofilen - mit Hilfe eines derartigen, erfin­ dungsgemäß hergestellten Werkzeuges. Hier ist es als von der Erfindung mitumfaßt anzusehen, daß auch das Fließver­ halten des Aluminiums berücksichtigt wird und als solches in Gestaltung und Härtung der Strangpreßmatrize eingeht. Dabei ist es besonders bevorzugt, eine Berücksichtigung dieses Fließverhaltens im Wege einer voraufgehenden Simula­ tionsrechnung vorzunehmen.

Im Ergebnis wird dann nicht nur eine beträchtlich erhöhte Standzeit erreicht; auch eine Wartung der Werkzeuge, wie eingangs geschrieben, ist praktisch nicht mehr notwendig. Darüber hinaus wird vorteilhaft durch die mittels des er­ findungsgemäßen CVD-Verfahrens aufgebrachten Beschichtungs­ werkstoffe eine geringere Reibung erreicht, wodurch die Verarbeitungs- bzw. Preßgeschwindigkeit der Strangpreßma­ trize wird und eine bessere Profilqualität möglich wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; deren einzige Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung 10 zum Strangpressen von Profilen.

Eine Anlage zum Verarbeiten eines Preßbolzens 12 aus Leichtmetall - insbesondere aus einer Aluminiumlegierung - weist an einer ansonsten nicht dargestellten Presse einen Preßstempel 14 mit Preßscheibe 16 auf, der in Preßrichtung x in den Preßkanal 18 eines Rezipienten oder Aufnehmers 20 eingeschoben ist.

An der stempelfernen Mündung 15 des Preßkanals 14 findet sich in einem Werkzeughalter 22 ein Kammerwerkzeug 24 mit Werkzeugkragen 26 sowie einer in Preßrichtung x an­ schließenden - etwa scheibenartigen - Matrize 28. Letztere enthält einen zentrischen Formdurchbruch 30, der in Längs­ achse M der Vorrichtung 10 angeordnet ist und das freie Formende eines Dornes 32 aufnimmt.

An die freie Matrizenstirn 29 schließt in Preßrichtung x ein von einem Umfangsring 34 umgebener Zwischenring 36 an, zwischen dem und einem Querhaupt 40 eine Druckplatte 38 vorgesehen ist. Das in jenem Formdurchbruch 30 entstandene - in der Zeichnung vernachlässigte - Strangpreßprofil wird durch zentrische Durchbrüche 35, 37, 39 in dem Zwischen­ ring 36 der Druckplatte 38 und dem Querhaupt 40 abgezogen.

Das Werkzeug 24, 28, 32 ist aus einem verzugsarmen Warmar­ beitsstahl geformt sowie mit einer - nach dessen spanabhe­ bender Bearbeitung - mit einer in der Zeichnung nicht er­ kennbaren Verschleißschicht versehen; dies erfolgt durch das an sich bekannte (Chemical Vapour Deposition) CVD-Ver­ fahren bei über 1000°C. Das Werkzeug 24, 28, 32 wird zum Be­ schichten auf etwa 1000°C erwärmt und dann mit Titan-, Va­ nadium- oder Chromcarbid, mit Aluminiumoxid, Titan- oder Siliziumnitrid beschichtet.

Als CVD-Reaktionen werden chemische Reaktionen bezeichnet, bei denen die Ausgangsprodukte als Gase oder Dämpfe vorlie­ gen, das Hauptprodukt als Festkörper ausgeschieden wird und die Nebenprodukte gasförmig sind. Beispielhaft sei hier die Bruttoreaktionsgleichung für Titannitrid nach dem Hochtem­ peratur-CVD-Verfahren dargestellt, worin
(g) = gasförmig sowie (s) = fest:

Dabei wird das reduzierende Trägergas (H₂) im Überschuß zu­ gegeben.

Anschließend erfolgt ein Härten des Grundwerkstoffes, näm­ lich das Abschrecken des Werkzeugstahles und dessen Anlas­ sen, um hohe Härte zu erzielen.

Claims (11)

1. Strangpreßwerkzeug, insbesondere scheibenartige Preß­ matrize mit zumindest einem Formgebungsdurchbruch zum Strangpressen von Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aus einem Stahlwerkstoff mit einer Oberflächenbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des Strangpreßwerkzeuges (24, 28, 32) aus Beschichtungswerkstoff gefertigt ist, der aus der Karbide, Nitride, Oxide und Kombinationen von diesen Stoffen enthaltenden Gruppe ausgewählt ist, wobei der Beschichtungswerkstoff durch ein CVD-Abscheideverfahren auf das Strangpreßwerkzeug aufge­ bracht ist.

2. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet daß sein Grundwerkstoff ein verzugsarmer Warmarbeitsstahl ist.

3. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungswerkstoff aus der Titankarbid, Titannitrid oder Titanborid und Kom­ binationen davon enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Strangpreßwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungswerkstoff aus der Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Sili­ ziumnitrid und Kombinationen davon enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Strangpreßwerkzeugs zum Strangpressen von Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere eines Strangpreß­ werkzeuges nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, mit den Schritten:

• - spanendes Formen des Strangpreßwerkzeuges aus einem Stahlwerkstoff;
• - Härten und Fertigbearbeiten des Strangpreßwerk­ zeuges;
• - Beschichten des geformten Stahlwerkstoffes an vorbestimmten Stellen mit wenigstens einem karbi­ dischen, nitridischen und/oder oxidischen Be­ schichtungswerkstoff mittels eines CVD-Verfah­ rens;
• - Härten des beschichteten Stahlwerkstoffes.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Beschichtungswerkstoff aus oder mit Titan-, Vanadium- und/oder Chromkarbid.

7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Beschichtungswerkstoff aus oder mit Titan- und/oder Siliziumnitrid.

8. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Alu­ miniumoxid als Beschichtungswerkstoff.

9. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Titan­ borid als Beschichtungswerkstoff.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das CVD-Verfahren bei einer Tem­ peratur zwischen 700°C und 1100°C, bevorzugt über 1000°C, durchgeführt wird.

11. Verwendung einer mittels eines CVD-Verfahrens hart­ stoffbeschichteten Strangpreßmatrize, insbesondere eines Strangpreßwerkzeuges nach einem der Patentan­ sprüche 1 bis 4 zum Herstellen zumindest eines Pro­ fils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.