DE2048157C3 - Verwendung einer niedrig schmelzenden Gußlegierung zur Herstellung von Formwerkzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Verwendung einer niedrig schmelzenden, kriechfesten Gußlegierung aus 10 bis 30% Aluminium, 5 bis 20% Kupfer, Rest Zink.

Gußlegierungen, die aus 30 bis 66% Aluminium, ein Sechstel bis ein Viertel des Aluminiumgehalts an Kupfer, also 5 bis 16,5% Kupfer, Rest Zink bestehen, sind beispielsweise aus der GB-PS 918 390 als Lagermaterialien bekannt.

Für Formwerkzeuge, wie Stanzwerkzeuge, Preßwerkzeuge usw. zum Bearbeiten und Formen von Metall, Blech und dergleichen wurden in der Vergangenheit viele Zusammensetzungen vorgeschlagen. Eisenlegierungen wie Gußeisen, Gußstahl und Werkzeugstähle werden normalerweise für die Massenproduktion, wie sie im Automobil- und dem Gerätegebiet auftreten, verwendet. Wie in dem Buch »Zinc, the Metal; Its Alloys and Compounds« (1959) Seiten 448 bis 450 angegeben, wurden Legierungen auf Zinkbasis, die aus Zink mit kleinen Zusätzen von Kupfer und Aluminium bestehen, für verhältnismäßig niedere Produktionszahlen oder für Prototypen oder Muster verwendet. Solche Zink-Basis Legierungen haben eine nominale Zusammensetzung von 4% Aluminium, 4% Kupfer, 1% Magnesium und der Rest Zink. Derartige Legierungen haben eine typische Zugfestigkeit von 2460 kg/cm² und eine typische Brinellhärte von 100, aber sie besitzen keine Streckgrenze, wie sie normalerweise in den meisten Metallen anzutreffen ist, wegen ihres schlechten Kriechwiderstandes bei Raumtemperatur. Während Gußeisen nicht kriecht, wird eine der genannten Zinklegierungen beträchtlich kriechen, nämlich beispielsweise 0,1 cm/cm in einer Stunde bei einer Belastung von 3160 kg/cm².

Trotzdem wurden die genannten Zinklegierungen anstelle von Gußeisen für niedrige Produktionszahlen verwendet, obgleich sie teurer pro Gewichtseinheit als Gußeisen sind, weil sie für niedrigere Gesamtkosten hergestellt werden können als Gußeisen. Da die Zinkbasislegierungen bei vie! geringeren Temperaturen (454°C) als Gußeisen (über 1204⁰C) gegossen werden, kann die sich ergebende Fertigtoleranz in viel höherem Maße kontrolliert werden. Nur geringfügige maschinelIe Bearbeitung ist für die Zinklegierung vor der Verwendung von aus ihnen hergestellten Werkzeugen erforderlich, während Gußeisenwerkzeuge vor ihrer Verwendung umfangreich maschinell bearbeitet werden müssen. Die Kosten der maschinellen Bearbeitung für verwickelt gestaltete Formwerkzeuge aus Gußeisen sind sehr hoch infolge der erforderlichen hochqualifizierten Mechaniker und teuren Einrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für

ίο Formwerkzeuge eine Legierung zu finden, die die geschilderten Nachteile der für solche Werkzeuge

bekannten Zinklegierungen nicht aufweist, aber unter Erhaltung der Vorteile derselben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung der eingangs angegebenen Legierung aus 10 bis 30% Aluminium, 5 bis 20% Kupfer, Rest Zink zur Herstellung von Formwerkzeugen.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Abwandlungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der durch die erfindungsgemäße Verwendung der angegebenen Gußlegierung für Formwerkzeuge erzielte technische Fortschritt läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Erstens: Die Leichtigkeit und Wirtschaftlichkeit der Verfahren des Schmelzens und des Präzisionsgießens der Werkzeuge aus diesen Legierungen wird infolge ihres niedrigeren Schmelzpunktes verbessert. Da nur niedrige Temperaturen für die Bildung der Werkzeuge

aus den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen erforderlich sind, können große Ersparnisse erzielt werden durch die Anwendung von Schmelzgußsystemen, die geringere Hitzeaufwendungen als die bisher zum Gießen verwendeten Legierungen erfordern.

Zweitens: Da die Kriechwiderstands- und Härteeigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen bei hohen Druckbelastungen annehmbar sind, ergibt sich für die aus diesen Legierungen hergestellten Werkzeuge eins Vielfältigkeit von An-

Wendungen, die größer ist, als für die aus den bisher verwendeten Zinkbasislegierungen hergestellten Werkzeuge.

Drittens: Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen bilden metallurgische Bindungen mit Metallen wie Nickel, Kupfer und Eisen.

Aus diesem Grunde können sie als Unterstützung oder Hinterlegung für elektrogeformte Formen als den vorgenannten Metallen dienen. Elektrogeformte Formen stellen ein Mittel zum genauen Kopieren von verwickelten Gestalten dar. Solche Formen werden dann mit den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen verbunden, um eine innige Unterstützung und um Verfahren zum Anbringen der Werkzeuge, der Gesenksätze der Werkzeuge und Mittel zu deren Befestigung zu bilden.

Im allgemeinen werden die aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung hergestellten Formwerkzeuge hergestellt durch Gießen der Legierung in einer, die gewünschte Gestalt aufweisenden, Sandform unter Verwendung von wohlbekannten Verfahren. Infolge der niedrigen Schmelzpunkte der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen können jedoch die aus den Legierungen hergestellten Gußstücke aus öfen bei Temperaturen erheblich unterhalb 538° C und vorzugsweise bei etwa 482 bis 510° C gegossen werden.

Da die Härte, d. h. 190 bis 250 Brinell, der aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung hergestellten Werkzeuge vorteilhaft mit der der gewöhnlich

für Formwerkzeuge verwendeten Gußeisenlegierungen vergleichbar ist können sie für die meisten Anwendungen die Gußeisenwerkzeuge ersetzen. Gewünschtenfalls können für Anwendung, bei denen ungewöhnlich schwere Abnützungszustände auftreten, gehärtete Stahleinsätze in die aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung hergestellten Werkzeuge während deren Herstellung eingegossen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend beschrieben, und einige derselben sind in der Zeichnung '° veranschaulicht.

In der Zeichnung zeigt:

F i g. I einen perspektivischen Schnitt durch zusammenwirkende, aus einer erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung bestehende Ziehgesenke; und '5

Fig.2 einen perspektivischen Schnitt durch ein Formgesenk mit einer äußeren Schale und einer die Schale unterstützenden erfindungsgomäß zu verwendenden Legierung.

_ .

Beispiel 1

Wie in F i g. 1 veranschaulicht, besteht ein zur Herstellung eines becherförmigen, einen flachen Boden aufweisenden Teiles dienendes Werkzeugpaar aus einem Stößel 10 und einem Ziehring 12. Diese beiden Werkzeugteile werden in einer Sandform gegossen aus einem Ofen mit einer Temperatur von 482^QC unter Verwendung einer Legierung bestehend aus 15% Kupfer, 20% Aluminium und 65% Zink. Die Brinellhärte des Gußteils nach Abschreckung von 371⁰C betrug 174 bis 183.

Der Stößel 10 und der Ziehring 12 wurden verwendet zur Formung von 1000 Metallblechbechern aus Kohlenstoffstahl (Automobilgüte), 100 Bechern aus Aluminiumlegierung 5052 und 20 Bechern aus Type 301 nichtrostendem Stahl. Messungen des Stößels und des Ziehringes vor und nach der Formung zeigten keine Abnutzung.

Beispiel 2

Ein dem Beispiel 1 ähnlicher Stößel wurde in ähnlicher Weise gegossen, durch Gießen aus einem Ofen mit einer Temperatur von 538° C unter Verwendung einer Legierung bestehend aus 10% Aluminium, 15% Kupfer und 75% Zink. Das Werkzeug hatte einen Schmelzpunkt von 488° C. Die Brinellhärte des Stößels im Gußzustand und im bei 374° C abgeschreckten Zustand war 137. Der Stößel wurde für eine Metallblechbearbeitung verwendet und erlitt keine Abmessungsänderungen.

Beispiel 3

Ein dem des Beispiels 2 ähnlicher Stößel wurde in der gleichen Weise hergestellt aus einer Legierung bestehend aus 30% Aluminium, 15% Kupfer und 55% Zink. Das Werkzeug hatte einen Schmelzpunkt von 474°C, im Gußzustand eine Brinellhärte von 131 und im von 374°C abgeschreckten Zustand eine Brinellhärte von 163.

Der Stößel zeigte keine Abmessungsänderungen bei Verwendung für konventionelle Metallblechbearbei- Ca tung.

Beispiel 4

Ein dem Beispiel 1 ähnlicher Stößel wurde in der gleichen Weise hergestellt aus einer Legierung bestehend aus 15% Kupfer, 20% Aluminium, 2% Nickel und 63% Zink. Das Werkzeug hatte einen Schmelzpunkt von 432°C, im Gußzustand eine Brinellhärte von 156 und im von 173°C abgeschreckten Zustand eine Brinellhärte von 179.

Der Stößel zeigte keine Anzeichen von Kriechen, wenn er einer Druckbelastung von bis zu 3160 kg/cm² während ausgedehnter Zeiträume unterworfen wurde.

Beispiel 5

Ein Stößel wurde gemäß dem für Beispiel 1 angegebenen Verfahren hergestellt aus einer Legierung bestehend aus 15% Kupfer, 20% Aluminium, 2% Eisen und 63% Zink. Die Legierung hatte einen Schmelzpunkt von 432° C. Es ergab sich, daß der in dieser Weise hergestellte Stößel im Gußzustand eine Brinellhärte von 156 und im von 374° C abgeschreckten Zustand eine Brinellhärte von 197 aufwies.

Der Stößel wurde Druckbelastungen bis zu 3160 kg/cm² unterworfen, ohne daß sich Anzeichen von Kriechen ergaben.

Beispiel 6

Fig. 2 zeigt ein Werkzeug, bestehend aus einer Schale 14, in Becherform mit einem Durchmesser 16 von 10,16 cm und einer Wandhöhe 18 von 1,9 cm. Im Inneren der Schale 14 befindet sich eine Unterstützung oder Hinterlegung 20.

Die Schale 14 wurde aus Nickel eiektrogeformt und die Unterstützung wurde in der nachstehend angegebenen Weise aus einer aus 10% Kupfer, 20% Aluminium und 70% Zink bestehenden Legierung hergestellt. In Zusammenarbeit mit dem dargestellten Stößel wurde ein 6,35 cm Ring (nicht dargestellt) aus nichtrostendem Stahlblech mit einem Durchmesser von 10,16 cm verwendet. Die Nickel-Elektroform wurde auf ungefähr 399°C auf einer heißen Platte und mit einer Gasfackel vorerhitzt. Die Nickeloberfläche wurde mit einer 5% Aluminium-Zink-Legierung überzogen. Nach vollständiger Benetzung der Nickeloberfläche wurde die Elektroform in einen Ofen bei 316° C angeordnet, und es wurde ihr gestattet, sich bei dieser Temperatur zu stabilisieren. Die aus 10% Kupfer, 20% Aluminium und 70% Zink bestehende Legierung wird im geschmolzenden Zustand bei 438°C gehalten und dann in den Hohlraum eingegossen. Ein thermischer Isolierblock wurde auf der Oberseite des Hohlraumes angebracht, und die Elektroform wurde aus dem Ofen entfernt, um gerichtete Erstarrung, beginnend an der Trennfläche zwischen dem Nickel und dem Gußteil, zu erreichen. Hierdurch wird ein lunkerfreier Guß an der Nickeloberfläche erzeugt. Die nor.tiale Schrumpfung bei Erstarrung findet dann an der Oberseite des Gußstückes statt und kann gewünschtenfalls maschinell entfernt werden. Das so fertiggestellte Gußstück wurde dann einer Druckprüfung bei 1406 kg/cm² unterworfen, ohne daß Abmessungsänderungen auftraten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer niedrig schmelzenden, kriechfesten Gußlegierung aus 10 bis 30% Aluminium, 5 bis 20% Kupfer, Rest Zink, zur Herstellung von Formwerkzeugen.

2. Verwendung einer im Anspruch 1 genannten Legierung aus 20% Aluminium, 15% Kupfer und 65% Zink, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer im Anspruch 1 genannten Legierung, die zusätzlich 0 bis 2% Nickel und/oder Eisen enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer im Anspruch 3 genannten Legierung, die jedoch 10 bis 20% Kupfer enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer in den Ansprüchen 1 bis 4 genannten Legierung als Hintergicßlegierung für Formwerkzeuge.