DE202016000752U1

DE202016000752U1 - Tool made of tool steel with improved durability

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Publication number: DE202016000752U1
Application number: DE202016000752.2U
Authority: DE
Original assignee: Vitkovice Cylinders A S; Vitkovice Cylinders AS
Current assignee: Vitkovice Cylinders A S; Vitkovice Cylinders AS
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2026-02-05
Also published as: ITUB201613701U1; FR3032137B3; FR3032137A3; EP3054026A1; CZ29590U1; PL124827U1

Abstract

Werkzeuge aus Werkzeugstahl mit einer erhöhten Lebensdauer, hergestellt aus einem Rohling, welcher über das gesamte Volumen für die vorgeschriebenen Härtewerte von wenigstens 48 HRC wärmebehandelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Funktionsbereiche (4) des Werkzeuges (1) mit einer Oberflächenschicht (2) versehen sind, die aus einem Teil einer lasergehärteten Basisschicht der Oberflächenschicht (2) mit einer Härte von 51 HRC bis in eine Tiefe von 1,3 mm in das Basismaterial bestehen, und die oberste Oberfläche dieser Oberflächenschicht (2) aus einem Teil einer plasmanitrierten oberflächlichen Schicht gebildet ist, welche die Harte von wenigstens 56 HRC aufweist, und wobei die gesamte Oberflächenschicht (2), die aus den zwei genannten Teilen besteht, entfernbar und wieder auf dem Basismaterial erneuerbar ist.Tools made of tool steel having an increased service life, produced from a blank which is heat-treated over the entire volume for the prescribed hardness values of at least 48 HRC, characterized in that at least functional areas (4) of the tool (1) are provided with a surface layer (2) which consist of a part of a laser-hardened base layer of the surface layer (2) having a hardness of 51 HRC to a depth of 1.3 mm in the base material, and the uppermost surface of this surface layer (2) of a part of a plasma-nitrided superficial layer which has the hardness of at least 56 HRC, and wherein the entire surface layer (2) consisting of the two parts is removable and re-renewable on the base material.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Werkzeuge aus Werkzeugstahl mit einer veränderten Oberflächenschicht, insbesondere solche, die bei der Herstellung von Formwerkzeugen verwendet werden.The invention generally relates to tools made of tool steel with a modified surface layer, in particular those used in the production of molds.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Werkzeugstähle haben eine unersetzbare Rolle in der Maschinenindustrie. Diverse Methoden zur Oberflächenbehandlung können mit dem Ziel verwendet werden, sowohl das Verhalten als auch die Lebensdauer verschiedener Werkzeuge zu beeinflussen. Dies betrifft insbesondere Formwerkzeuge, bei denen es möglich ist, die vorstehenden Eigenschaften mittels geeigneter Oberflächenbehandlung wesentlich zu verbessern. In der Vergangenheit wurden die Oberflächeneigenschaften der Formwerkzeuge üblicherweise durch die Anwendung von karbidischen Oberflächenbeschichtungen oder durch die Anwendungen von aufgetragenen Beschichtungen auf Basis von TiN und/oder TiCN verbessert.Tool steels have an irreplaceable role in the machine industry. Various methods of surface treatment can be used with the aim of influencing the behavior as well as the lifetime of different tools. This applies in particular to molds in which it is possible to substantially improve the above properties by means of suitable surface treatment. In the past, the surface properties of the molds have usually been improved by the use of carbide surface coatings or by the application of TiN and / or TiCN based coatings.

Es existiert eine Vielzahl modernerer Methoden, von denen eine die so genannte CVD-Methode (Chemical Vapor Deposition; chemische Gasphasenabscheidung) ist. Typischerweise wird die chemische Gasphasenabscheidung bei hohen Temperaturen durchgeführt (1.000–1.200°C). Die durch dieses Verfahren erzeugten Vorteile beinhalten die Bildung von aufgetragenen Beschichtungen mit einer hohen Dichte und Wärmebeständigkeit und ein ausgezeichnetes Haftungsvermögen zwischen dem Basismaterial und der Beschichtung selbst, die Möglichkeit, Beschichtungen auf Werkstücke mit komplizierten Formen aufzutragen und die niedrigen Beschaffungs- und Betriebskosten. Die Nachteile dieses Verfahrens beinhalten die nachteilige Beeinflussung der Struktur des Basismaterials (die eine Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften desselben zur Folge hat) auf Grund des hohen Prozesstemperaturniveaus, der Existenz von Zugrestspannungen in der Beschichtung (auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten), hohe Energie- und Zeitaufwendungen, nachteilige Umweltbelastungseffekte durch die Prozessgase, sowie die unerwünschte Rundung von scharfen Kanten.There are a variety of modern methods, one of which is the so-called CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Typically, chemical vapor deposition is performed at high temperatures (1000-1,200 ° C). The advantages produced by this process include the formation of high density and heat resistant coated coatings and excellent adhesion between the base material and the coating itself, the ability to apply coatings to workpieces having complex shapes, and low procurement and operating costs. The disadvantages of this method include adversely affecting the structure of the base material (which results in a reduction of its mechanical properties) due to the high process temperature level, the existence of tensile residual stresses in the coating (due to different coefficients of thermal expansion), high energy and time expenditures, Adverse environmental impact of the process gases, as well as the undesirable rounding of sharp edges.

Ein anderes Verfahren, welches als PVD (Physical Vapor Deposition; physikalische Gasphasenabscheidung) bekannt ist, zeichnet sich durch relativ niedrige Prozesstemperaturen unter 500°C aus. Dabei werden die aufgetragenen Beschichtungen unter erniedrigtem Druck (0,1–1,0 Pa) gebildet. Diese Methode wird bevorzugt eingesetzt für die Beschichtung auf scharfen Kanten (mit einem Kehlhalbmesser unter 20 μm). Die typischen Eigenschaften solcher Beschichtungen beinhalten eine hohe Beständigkeit und niedrige Reibungskoeffizienten. Daneben können Kombinationen verschiedener Beschichtungsmaterialien innerhalb einer einzigen Schicht verwendet werden und präzise Dickeneinstellungen können gewählt werden. Zu den Nachteilen dieser Methode zählen ein ziemlich kompliziertes Vakuumsystem und der so genannte Schatteneffekt. Auf den Oberflächen, die nicht in der Richtung der Teilchen liegen, kann sich ferner eine ungleichmäßige Dickenverteilung einer Beschichtung bilden.Another method, known as PVD (Physical Vapor Deposition), is characterized by relatively low process temperatures below 500 ° C. The applied coatings are formed under reduced pressure (0.1-1.0 Pa). This method is preferably used for coating on sharp edges (with a throat radius of less than 20 μm). The typical properties of such coatings include high durability and low coefficients of friction. In addition, combinations of different coating materials within a single layer can be used and precise thickness settings can be selected. The drawbacks of this method include a rather complicated vacuum system and the so-called shadow effect. Furthermore, on the surfaces that are not in the direction of the particles, an uneven thickness distribution of a coating may form.

Eine andere aktuelle Wärmebehandlungsmethode, die zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Materialien verwendet wird, ist Laserhärten. Ein Laserstrahl wirkt auf eine Oberflächenschicht ein, welche aus dem zu härtenden Material besteht. Dies führt dazu, dass sich die Oberflächenschicht schnell aufheizt, um eine bestimmte Temperatur zu erreichen, die typischerweise knapp unterhalb des betreffenden Schmelzpunktes (900–1.400°C) liegt. Sobald eine solche Temperatur erreicht ist, unterläuft die Materialstruktur einer Austenitisierung. Der auftreffende Punkt des Laserstrahls wird kontinuierlich in die Vorschubrichtung bewegt, was dazu führt, dass sich die erhitzten Punkte durch die Wärmeübertragung in das umgebende Material schnell abkühlen. Dies ermöglicht die Bildung einer sehr feinen karbidischen Struktur, welche kurze martensitische Nadeln einschließt und eine geringe Korngröße aufweist. Eine solche Struktur führt dazu, dass die Härte der Oberflächenschicht ohne Verschlechterung der Kernhärte und der Bildung irgendwelcher Risse zunimmt. Der Hauptvorteil der Methode des Laserhärtens besteht darin, dass es die Härtung allein solcher Bereiche ermöglicht, an denen eine gesteigerte Festigkeit erforderlich ist, ohne die ursprünglichen Materialeigenschaften in den verbleibenden Bereichen oder Abschnitten des betreffenden Werkstückes zu beeinträchtigen. Darüber hinaus handelt es sich um einen umweltfreundlichen Prozess.Another current heat treatment method used to improve the surface properties of materials is laser hardening. A laser beam acts on a surface layer consisting of the material to be cured. As a result, the surface layer heats up rapidly to reach a certain temperature, which is typically just below the melting point (900-1,400 ° C). Once such a temperature is reached, the material structure undergoes austenitization. The impinging point of the laser beam is continuously moved in the feed direction, which causes the heated points to cool rapidly due to heat transfer into the surrounding material. This allows the formation of a very fine carbidic structure including short martensitic needles and having a small grain size. Such a structure causes the hardness of the surface layer to increase without deterioration of the core hardness and formation of any cracks. The main advantage of the laser-hardening method is that it allows curing only in those areas where increased strength is required without compromising the original material properties in the remaining areas or portions of the workpiece in question. In addition, it is an environmentally friendly process.

Oberflächenbehandlungsmethoden auf Basis der Laserhärtungstechnologie sind in zahlreichen Patentdokumenten beschrieben. Die Anwendbarkeit der Methode des Laserhärtens wird beispielsweise in den Dokumenten EP 0130749 B1 oder GB 202838 beschrieben. Darüber hinaus beschreibt das Dokument WO 96/28574 die Verwendung der Methode des Laserhärtens zur Behandlung komplexer Werkstücke und dabei zur Behandlung von inneren Ecken von Werkstücken. Die Nachteile der letztgenannten Methode liegen in den relativ hohen Anwendungs- und Betriebskosten und in dem Vorhandensein von Problemen, die mit der Behandlung von hoch reflexiven Materialien verbunden sind.Surface treatment methods based on laser curing technology are described in numerous patent documents. The applicability of the method of laser hardening, for example, in the documents EP 0130749 B1 or GB 202838 described. In addition, the document describes WO 96/28574 the use of the method of laser hardening for the treatment of complex workpieces and thereby for the treatment of inner corners of workpieces. The disadvantages of the latter method are the relatively high application and operating costs and the presence of problems associated with the treatment of highly reflective materials.

Derzeit wird die Technologie des Plasmanitrierens als eine der fortschrittlichsten Technologien zur Oberflächenbehandlung, die im Maschinenwesen eingesetzt wird, angesehen. Eine Nitrieratmosphäre besteht aus einer Mischung von Stickstoff und Wasserstoff, wobei der Nitrierprozess typischerweise in einem Temperaturbereich von 500 bis 550°C ausgeführt wird. Die Qualität der nitrierten Oberflächenschicht hängt nicht alleine von der Prozesstemperatur, sondern auch von der chemischen Zusammensetzung des behandelten Stahls, der Qualität der Oberflächengüte des betreffenden Werkzeugs und den physikalischen Parametern des Nitrierprozesses, wie der Spannung, Dauer, Pulslänge und Druck des Gasgemisches ab. Diese chemische Wärmebehandlung wird verwendet zur Steigerung der Oberflächenhärte, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Weitere Vorteile schließen ein hohes Maß an Prozessgenauigkeit und Stabilität, einen reduzierten Gasverbrauch sowie die Möglichkeit, das Werkzeug mit Endmaßen zu nitrieren ohne die Notwendigkeit, selbiges anschließend einer Endbearbeiten zu müssen (durch Schleifen oder dergleichen) ein. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch in der Limitierung der Tiefe der nitrierten Oberflächenschichten, welche 0,3 mm des Basismaterials entspricht, und in der betreffenden Verschleißrate einer solch groben nitrierten Oberflächenschicht. Die nitrierte Oberflächenschicht bleibt bei Temperaturen bis zu etwa 600°C ausreichend stabil. Nach Überschreiten dieses Temperaturlimits sinken die Eigenschaften einer solchen Oberflächenschicht, insbesondere deren Abrasionswiderstand, erheblich.Currently, plasma nitriding technology is considered one of the most advanced surface treatment technologies used in mechanical engineering. A nitriding atmosphere consists of a mixture of nitrogen and hydrogen, the nitriding process typically being carried out in a temperature range of 500 to 550 ° C. The quality of the nitrided surface layer depends not only on the process temperature, but also on the chemical composition of the treated steel, the quality of the surface finish of the tool concerned and the physical parameters of the nitriding process, such as the voltage, duration, pulse length and pressure of the gas mixture. This chemical heat treatment is used to increase surface hardness, corrosion resistance and fatigue strength. Other advantages include high levels of process accuracy and stability, reduced gas consumption, and the ability to nitride the tool with gauges without the need to subsequently finish machining (by grinding or the like). However, a significant disadvantage is the limitation of the depth of the nitrided surface layers, which corresponds to 0.3 mm of the base material, and the respective wear rate of such a coarse nitrided surface layer. The nitrided surface layer remains sufficiently stable at temperatures up to about 600 ° C. After exceeding this temperature limit, the properties of such a surface layer, in particular its abrasion resistance, decrease considerably.

Die Methode der Plasmanitrierung wird beispielsweise in den Dokumenten JP 2013-234370 oder KR 100661130 B1 erwähnt. Dokument US 5536549 B1 offenbart die Anwendung dieser Methode zur Behandlung einer speziellen Oberfläche eines magnetischen Aufnahmemediums, wobei das Basismaterial des betreffenden scheibenförmigen Trägers ein austenitischer Stahl ist.The method of plasma nitriding, for example, in the documents JP 2013-234370 or KR 100661130 B1 mentioned. document US 5536549 B1 discloses the use of this method of treating a particular surface of a magnetic recording medium, wherein the base material of the disc-shaped support concerned is an austenitic steel.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Werkzeug zur Verfügung zu stellen, welches eine längere Lebensdauer der funktionalen Oberflächen ermöglicht. Ein solches Werkzeug sollte einfach zu behandeln sein und darüber hinaus die gewünschte Struktur und Eigenschaften der Stahlschicht unter der behandelten Oberfläche ermöglichen.The object of the invention is to provide a tool which allows a longer life of the functional surfaces. Such a tool should be easy to handle and moreover allow the desired structure and properties of the steel layer under the treated surface.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorstehenden Nachteile werden weitgehend behoben durch das vorgeschlagene Werkzeug aus Werkzeugstahl mit einer verlängerten Haltbarkeit gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei wenigstens Funktionsbereiche des Werkzeugs mit einer Oberflächenschicht versehen sind, welche aus einem lasergehärteten Teil einer Basisschicht der Oberflächenschicht mit einer Harte von 51 HRC bis in eine Tiefe von 1,3 mm in das Basismaterial besteht und wobei die oberste Oberfläche dieser Oberflächenschicht aus einem plasmanitrierten Teil einer oberflächlichen Schicht gebildet ist, welche eine Harte von wenigstens 56 HRC aufweist und wobei die gesamte Oberflächenschicht, welche aus den zwei genannten Teilen besteht, entfernbar und wieder auf dem Basismaterial erneuerbar ist.The above drawbacks are largely overcome by the proposed tool steel tool having an extended durability according to the present invention, wherein at least functional portions of the tool are provided with a surface layer consisting of a laser hardened portion of a base layer of the surface layer having a hardness of 51 HRC into one Depth of 1.3 mm into the base material and wherein the uppermost surface of this surface layer is formed of a plasma nitrided portion of a surface layer having a hardness of at least 56 HRC and the entire surface layer consisting of the two parts being removable and again on the base material is renewable.

Überblick über die Figuren und ZeichnungenOverview of the figures and drawings

Die vorliegende Erfindung wird weiter erläutert mittels der begleitenden Zeichnungen, wobei 1 eine Frontansicht ist, die ein Werkzeug zum Formdrücken zeigt, welches bei der Herstellung von Rohlingen für Stahlzylinder zur Formung der Schulter und des Nackens verwendet wird, 2 eine Schnittansicht ist, die das Werkzeug zum Formdrücken nach 1 zeigt und 3 ein Diagramm ist, welches den Unterschied zwischen der Lebensdauer verschiedener Werkzeuge zum Formdrücken zeigt, bevor und nachdem diese eine kombinierte Oberflächenbehandlung, basierend auf der erfindungsgemäßen Methode, durchlaufen haben, zeigt.The present invention will be further explained by means of the accompanying drawings, wherein 1 FIG. 3 is a front view showing a mold-pressing tool used in the production of blanks for steel cylinders for shaping the shoulder and the neck; FIG. 2 is a sectional view, which the mold for molding after 1 shows and 3 FIG. 4 is a graph showing the difference between the lifetimes of various mold-pressing tools before and after they have undergone a combined surface treatment based on the method of the present invention. FIG.

Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Das Werkzeug 1, das in den 1 und 2 gezeigt ist, also das Werkzeug zum Formdrücken, wird zunächst aus einem Schmiedestück hergestellt, um seine endgültige Form zu erhalten und anschließend wärmebehandelt, um die gewünschte Harte über sein Volumen zu erhalten. Da die Wärmebehandlung, basierend auf dem Härteumfang, gemäß der Fertigungszeichnung über das gesamte Volumen als solche nicht ausreichend für die nachfolgende Verwendung bei einer Warmumformung, wie beispielsweise beim Formdrücken, in Hinblick auf den gewünschten Abrasionswiderstand wäre, ist es notwendig, die Eigenschaften der Oberflächenbeständigkeit des Rohlings weiter zu verbessern.The tool 1 that in the 1 and 2 The tool for molding is first made from a forging to obtain its final shape and then heat treated to obtain the desired hardness over its volume. As the heat treatment, based on the hardness amount, according to the overall volume production drawing as such would not be sufficient for subsequent use in hot working such as compression molding in view of the desired abrasion resistance, it is necessary to improve the surface resistance properties of the To further improve blanks.

Im vorliegenden Fall kann dieses Ziel durch die Oberflächenschicht 2 des Werkzeugs 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden, nämlich indem der erste Funktionsbereich 4 durch Verwendung der Technologie des Laserhärtens wärmebehandelt wird. Zur Erläuterung ist die Form des behandelten Werkstücks 3 dargestellt. Während dieses Behandlungsprozesses werden die Struktur der Oberflächenschicht sowie jene der dünnen oberflächlichen Schicht in eine sehr feine martensitische Struktur überführt, die sehr hohe Härtewerte von bis zum 55 HRC aufweist. Auf diesem Weg kann eine Gesamtdicke der durchgehärteten Schicht von bis zu 1,3 mm erreicht werden. Auf diesem Weg wird ein Teil einer lasergehärteten Basisschicht der Oberflächenschicht 2 gebildet. Der Prozess des Laserhärtens wird durch Faser fokussierte Hochleistungslaservorrichtungen durchgeführt. In the present case, this goal can be achieved by the surface layer 2 of the tool 1 can be achieved according to the present invention, namely by the first functional area 4 is heat treated using the technology of laser hardening. For explanation, the shape of the treated workpiece 3 shown. During this treatment process, the structure of the surface layer as well as that of the thin superficial layer are converted into a very fine martensitic structure which has very high hardness values of up to 55 HRC. In this way, a total thickness of the through-hardened layer of up to 1.3 mm can be achieved. In this way, a part of a laser-hardened base layer of the surface layer 2 educated. The process of laser curing is performed by fiber-focused high-power laser devices.

Dem oben beschriebenen Schritt der Oberflächenwärmebehandlung folgt ein solcher der chemischen Wärmebehandlung, welcher in der Anwendung der Technologie der Plasmanitrierung besteht. Während dieses nachfolgenden Prozessschrittes bilden sich auf Grund des Umstandes, dass die Schicht mit Stickstoff gesättigt ist, sehr feine und harte Nitride in der Oberflächenschicht des Stahlrohlings. Dies führt dazu, dass sich eine zusätzliche dünne Oberflächenschicht bildet. Letztere Schicht hat eine Dicke von höchstens 0,35 mm, wobei die Härte derselben bis zu 62 HRC erreicht. Dieser Prozess wird im Temperaturbereich von 520–540°C für 24 Stunden ausgeführt. Die betreffende Prozessatmosphäre enthält eine Gasmischung, welche aus H₂ und N₂ im Verhältnis von 80:20 besteht. Die Oberfläche, die fett hervorgehoben und mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet ist, liegt im Bereich 4, welcher die Behandlung unterläuft und durch welchen das Werkzeug in Kontakt mit dem geschmiedeten Stück gebracht wird, also mit dem Rohling des Stahlzylinders 3, der in seinem oberen Abschnitt mittels des Prozesses der Bildung einer Schulter und eines Nackens zu schließen ist. Während des Prozesses wird das Schmiedestück rotationsgedreht, so dass die Drehbewegung auch auf das Formwerkzeug übertragen wird, welches eine angetriebene, frei rotierende Einheit bildet. Hierdurch wird ein Teil einer plasmanitrierten, oberflächlichen Schicht der Oberflächenschicht 2 gebildet.The surface heat treatment step described above is followed by one of chemical heat treatment, which is the application of plasma nitriding technology. During this subsequent process step, due to the fact that the layer is saturated with nitrogen, very fine and hard nitrides form in the surface layer of the steel blank. This causes an additional thin surface layer to form. The latter layer has a thickness of at most 0.35 mm, the hardness of which reaches up to 62 HRC. This process is carried out in the temperature range of 520-540 ° C for 24 hours. The process atmosphere in question contains a gas mixture which consists of H ₂ and N ₂ in the ratio of 80:20. The surface highlighted in bold and denoted by the reference numeral 2 is located in the area 4 , which undermines the treatment and through which the tool is brought into contact with the forged piece, so with the blank of the steel cylinder 3 which is to close in its upper section by means of the process of formation of a shoulder and a neck. During the process, the forging is rotated to rotate, so that the rotational movement is also transmitted to the mold, which forms a driven, freely rotating unit. This forms part of a plasma-nitrided, superficial layer of the surface layer 2 educated.

Die Oberflächenbehandlung wurde durch Anwendung eines Formwerkzeuges, welches als „Werzeug zum Formdrücken” bezeichnet wird, durchgeführt. Diese Art von Formwerkzeug wird zum sogenannten Formdrücken benutzt, welches eine Methode ist, die zum Formen von Schulter und Nacken bei der Herstellung von rückextrudierten Hochdruckstahlzylindern 3 verwendet werden (beispielsweise kann die Methode, welche für alle Arten von Stahlzylindern benutzt wird, verglichen werden mit dem Prozess zur Formung von Schulter und Nacken, welcher bei der Herstellung von Röhren mit Nacken benutzt wird, wobei die letzteren ein Ende aufweisen, welches mit einer nackenförmigen, sphärischen Kappe versehen ist).The surface treatment was carried out by using a molding tool called "mold-pressing tool". This type of molding tool is used for so-called molding, which is a method of shaping the shoulder and neck in the manufacture of back-extruded high pressure steel cylinders 3 (For example, the method used for all types of steel cylinders may be compared to the shoulder and neck forming process used in the manufacture of necked tubes, the latter having one end connected to a necked tube neck-shaped, spherical cap is provided).

Das Formwerkzeug ist gebildet aus dem Warmarbeitsstahl QRO 90 Supreme, wobei das ähnlichste Äquivalent des letzteren der Stahl X32CrMoV33 ist. Damit ist das typische Basismaterial, welches zur Herstellung des Werkzeugrohlings verwendet wird, der zuvor bezeichnete Stahl QRO 90 Supreme. Vor dem Einsatz in dem Herstellungsprozess, wird das Werkzeug zum Formdrücken vorgeheizt, um eine Temperatur zu erreichen, die zwischen 180 und 220°C liegt. Solch eine erhöhte Temperatur stellt eine bessere Haftung während der anfänglichen Phase des Formzyklus sicher. Anschließend beginnt der Arbeitszyklus selbst. Dieser Hauptzyklus besteht aus dem Aufheizen des zu formenden Rohlings, um eine Temperatur zu erreichen, welche zwischen 1.000 und 1.200°C liegt, dem in Kontakt bringen des heißen Rohlings, welcher kontinuierlich um seine Zentralachse gedreht wird, mit dem Werkzeug zum Formdrücken und dem anschließenden Pressen des Werkzeug zum Formdrücken gegen den Rohling, was dazu führt, dass das Material des letzteren in die Richtung „fließt”, die durch die Schwingbewegung des Werkzeugs zum Formdrücken definiert ist. Während des Formprozesses wird das geformte Material mittels Brennern kontinuierlich wieder erhitzt, um es auf der vorgenannten Formtemperatur zu halten. Nach Vervollständigung des Formprozesses wird die Oberfläche des Werkzeugs zum Formdrücken mittels eines Hochdruckstrahles gereinigt.The mold is formed from the QRO 90 Supreme hot-work steel, the most similar equivalent of the latter being the steel X32CrMoV33. Thus, the typical base material used to make the tool blank is the previously designated steel QRO 90 Supreme. Before being used in the manufacturing process, the mold pressure tool is preheated to reach a temperature that is between 180 and 220 ° C. Such an elevated temperature ensures better adhesion during the initial phase of the molding cycle. Thereafter, the working cycle itself begins. This main cycle consists of heating the blank to be molded to reach a temperature which is between 1,000 and 1,200 ° C, bringing the hot blank, which is continuously rotated about its central axis, into contact with the A tool for mold pressing and then pressing the mold to press against the blank causing the material of the latter to "flow" in the direction defined by the oscillatory motion of the mold pressure tool. During the molding process, the molded material is continuously reheated by burners to maintain it at the aforementioned mold temperature. Upon completion of the molding process, the mold surface is cleaned by a high pressure jet for molding.

Bis vor Kurzem wurde die Plasmanitrierungsmethode allein in der Oberflächenbehandlungstechnologie mit dem Ziel angewandt, die Charakteristika, die die Lebensdauer eines Werkzeuges beeinflussen, zu verbessern. Diese Technologie selbst war jedoch nicht dazu geeignet, irgendeine Verbesserung der vollständigen Lebensdauer des Werkzeuges sicherzustellen. Stattdessen ermöglichte sie allein eine zeitlich erreichbare Verbesserung. Dies bedeutet, dass die Dicke der Nitrierschicht, die hoch abrasionsfeste Nitride enthält, verschlissen war, nachdem sie durchschnittlich 1.800–2.000 Werkstücke geformt hatte, und anschließend allein das Basismaterial des Werkzeuges zum Formen der Werkstücke verwendet wurde, was zum Auftreten von lokalen Verformungen und einem erhöhten Verschleiß des Basismaterials des Werkzeugs zum Formdrücken sowie zur Bildung eines Effektes der „Anhaftung” zwischen dem letztgenannten Material und dem des Werkstückes führte. Mittels des Schritts des Laserhärtens, welches derart in den Technologieprozess eingegliedert wurde, dass es dem der Plasmanitrierung vorausgeht, kann eine sehr feine Martensitstruktur erhalten werden. Die letztere Struktur ermöglicht die Bildung einer zusätzlichen abrasionsfesten Unterschicht, die auf Grund der Verschleißfestigkeit selbst nach einem vollständigen Ablösen der Nitrierschicht aufgrund von Verschleiß verfügbar bleibt. Gleichzeitig stellt die Martensitumwandlung, die während des Laserhärtungsprozesses stattfindet, eine signifikante Kornverfeinerung innerhalb der gehärteten Schicht sicher, welche wegen des typischen schnellen Abkühleffektes im Verlauf des Prozesses erreichbar ist. Diese Kornverfeinerung ist auch eine wesentliche Voraussetzung zur Bildung vorteilhafterer Bedingungen für den nachfolgenden Nitrierschritt, da sie wegen der geringeren Größe und erhöhten Anzahl an Körnern eine stärkere Diffusion von Stickstoff in das Material ermöglicht.Until recently, the plasma nitriding method has been used alone in surface treatment technology with the aim of improving the characteristics that affect the life of a tool. However, this technology itself was not capable of ensuring any improvement in the complete life of the tool. Instead, it alone enabled a time-attainable improvement. This means that the thickness of the nitriding layer containing highly abrasion-resistant nitrides was worn after having formed an average of 1,800-2,000 workpieces, and then only the base material of the tool was used to form the workpieces, resulting in the occurrence of local deformations and a increased wear of the base material of the tool for molding and for the formation of an effect of the "adhesion" between the latter material and that of the workpiece. By means of the step of laser hardening, which has been incorporated into the technology process in such a way that it precedes that of plasma nitriding, a very fine martensite structure can be obtained. The latter structure allows the formation of an additional abrasion resistant underlayer, due to the Wear resistance remains available even after complete detachment of the nitriding layer due to wear. At the same time, the martensitic transformation that takes place during the laser curing process ensures significant grain refinement within the hardened layer, which is achievable in the course of the process because of the typical rapid cooling effect. This grain refinement is also an essential prerequisite for the formation of more favorable conditions for the subsequent nitriding step, since it permits greater diffusion of nitrogen into the material due to the smaller size and increased number of grains.

Sobald die Kontaktoberfläche 2 des Formwerkzeuges 1 mit seinen zwei Teilen verschlissen ist, kann die verbleibende Oberflächenschicht 2 entfernt und der gesamte technologische Zyklus wiederholt und das Werkzeug 1 wieder verwendet werden.Once the contact surface 2 of the mold 1 With its two parts worn out, the remaining surface layer can 2 removed and repeats the entire technological cycle and the tool 1 to be used again.

Industrielle AnwendbarkeitIndustrial applicability

Erfindungsgemäße Werkzeuge können für ein breites Spektrum von Formwerkzeugen verwendet werden, insbesondere für Gesenke, Ziehnadeln und Schmiedebacken. Werkzeuge sind sehr weit anwendbar für einen weiten Bereich von Werkzeugstählen, für die sie entwickelt worden sind, wie zum Beispiel 38 CrMoV5-1, X40CrMoV5-1 oder 56CrNiMoV7, und zahlreiche andere.Dies according to the invention can be used for a wide range of molds, in particular for dies, drawing needles and forging dies. Tools are very widely applicable to a wide range of tool steels for which they have been developed, such as 38 CrMoV5-1, X40CrMoV5-1 or 56CrNiMoV7, and numerous others.

Das Unternehmen des Anmelders verwendet einen weiten Bereich von Warmarbeitsstählen, die ähnliche chemische Zusammensetzungen aufweisen und für unterschiedliche Stahlumformungsprozesse verwendbar sind.Applicant's company uses a wide range of hot work steels which have similar chemical compositions and are useful for different steel forming processes.

Das in 3 gezeugte Diagramm illustriert die Ergebnisse der betreffenden Praxistests, bei dem eine entscheidende Verbesserung der Werkzeuglebensdauer erreicht worden ist. Ferner wurden andere erfindungsgemäße Werkzeuge zum Formdrücken ähnlichen Tests unterworfen.This in 3 The generated diagram illustrates the results of the relevant field tests, in which a decisive improvement in tool life has been achieved. Further, other mold compression tools of the present invention have been subjected to similar tests.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

In 3 zeigt:

In 3 shows:

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0130749 B1 [0006]
GB 202838 [0006]
WO 96/28574 [0006]
JP 2013-234370 [0008]
KR 100661130 B1 [0008]
US 5536549 B1 [0008]

Claims

Tools made of tool steel having an increased service life, produced from a blank which is heat-treated over the entire volume for the prescribed hardness values of at least 48 HRC, characterized in that at least functional areas ( 4 ) of the tool ( 1 ) with a surface layer ( 2 ), which consist of a part of a laser-hardened base layer of the surface layer ( 2 ) having a hardness of 51 HRC to a depth of 1.3 mm in the base material, and the uppermost surface of this surface layer ( 2 ) is formed from a portion of a plasma nitrided superficial layer having a hardness of at least 56 HRC, and wherein the entire surface layer ( 2 ), which consists of the two parts mentioned, removable and again renewable on the base material.