DE2303632C3

DE2303632C3 - Verfahren zum Behandeln der Arbeitsflächen von Matrizen

Info

Publication number: DE2303632C3
Application number: DE19732303632
Authority: DE
Inventors: Alfred 7705 Steisslingen Wagner
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1972-02-14
Filing date: 1973-01-25
Publication date: 1982-05-06
Also published as: DK143862C; JPS4889841A; FR2172236B1; JPS5621834B2; DK143862B; DE2303632A1; AT320374B; GB1418807A; AU5196373A; FR2172236A1; IT979121B; BE795415A; CH578623A5; DE2303632B2; NL7301883A

Description

Di ζ Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln der Arbeitsflächen von Matrizen zum Verpressen von Bolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Peim sog. Strangpressen werden Profile während eines kontinuierlich verlaufenden Umformyorganges aus e.nem Barren oder Bolzen hergestellt; der auf eine bestimmte Temperatur vorgeheizte Bolzen wird in einen ihn seitlich umfangenden Rezipienten eingeführt und mittels eines Preßstempels in plastischen Zustand überführt sowie durch den — das Profil bildenden — Formgebungsquerschnitt eines Werkzeuges bzw. einer Matrize gedrückt.

Von besonderer Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist die Matrize mit ihrem/ihren Formgebungsquerschnitt/en und deren Ausgestaltung. Eine optimale Verfahrensführung wäre dann erreicht, wenn die Preßgeschwindigkeit beliebig gewählt werden und die Standzeit der Werkzeuge unberücksichtigt bleiben könnte. Erfahrungsgemäß ist die Preßgeschwindigkeit — in Abhängigkeit von der zu verpressenden Legierung — im wesentlichen durch die Form des herzustellenden Profils und die geforderte Oberflächengüte begrenzt. Ist beispielsweise ein Hohlprofil mittels eines aog. Schweißkammerwerkzeuges herzustellen, ist die Preßgeschwindigkeit so zu wählen, daß ein sicheres Verschweißen der durch Werkzeugbrücken an der Matrize verursachten Werkstoffteilströme aus dem Bolzen gewährleistet ist.

Preßgeschwindigkeit und von der Matrize aufzunehmende Umformwärme stehen in einem direkten Zusammenhang, wobei die Umformwärme einen maßgeblichen Einfluß auf die Oberflächengüte des Preßgutes ausübt Übersteigt die Ümformwärme in der Matrize einen oberen Grenzwert, so bricht die auf der Oberfläche des Profils entstehende Oxidschicht entwe* der vollständig oder stellenweise, im letzteren Falle Unter Bildung Von sog. »Pins« zusammen! mit diesem Ausdruck werden Fehler bezeichnet, die sich durch eine Oberfläche in Forin einer Orangenhaut oder mit nadelstichartigen Kavernen äußern. Preßgut dieser Art ist für gesteigerte Ansprüche, z. B. für eine Eloxal-Qualität, ungeeignet

Preßgeschwindigkeiten zur Verbesserung der Wirksamkeit des Herstellungsverfahrens sind nur dann steigerbar, wenn die durch ihre Erhöhung vermehrt anfallende Umformwärme aus der Matrize abgeführt wird, wozu die verschiedensten Kühlmittel und Küh-ο lungsarten entwickelt wurden.

Nachdem durch die Entwicklung thermisch und mechanisch extrem belastbarer Werkzeugstähle eine Optimierung der Standzeit erreicht war, ging man dazu über, die Matrizen in Intervallen während ihrer Gesamtlebensdauer aufzubereiten, um so unter Anwendung besonderer Mittel zur Erstreckung der Intervalle eine weitere Verbesserung der Nutzbarkeit der Matrizen zu erreichen. Ein Mittel zur IntKKillerstrekkung ist auf dem Diffusionswege bestimmte Elemente in den Arbeitsflächen-Werkstoff zur Bildung einer harten abriebsbeständigen Schicht einzutragen. In der Technik hat sich hier weitestgehend das sog. Oberfiachennitrierverfahren, in der Fachsprache auch »Aufstikken« genannt, durchgesetzt bei dem während einer Aufheizung Stickstoff unter Bildung von harten, abriebsbeständigen Eisennitriden zur Diffusion in die Arbeitsfläche gelangt

Für den erfahrenen Presser rechtzeitig erkennbar, kommt nach einer gewissen Anzahl von Preßvorgängen diese Nitrierschicht zum Erliegen, was ein Ausbauen des Werkzeuges aus der Strangpresse und ein erneutes Aufsticken der Arbeits- oder Lauffläche der Matrize bedingt Dieser bis zum endgültigen Verbrauch der Matrize mehrmals wiederholbare Vorgang vermag nicht zu befriedigen, da zur Aufstickung in erheblichem Maße Energie zum Transport des Stickstoffes in den Arbeitsflächenwerkstoff aufzuwenden ist.

Als Ausweg wird seit mehreren Jahren eine Beschichtung der Arbeitsfläche vorgenommen, die unter der Bezeichnung »microsealing« in der Fachwelt zum allgemeinen Wissen gehört. Im wesentlichen wird bei dieser Beschichtung nach vorheriger Aufbereitung der Arbeitsfläche durch Reinigen, Entfetten und Polieren mit anschließendem Höhnen ein Schichtwerkstoff aus einem festen Schmiermittel — das noch mit sechs Metallen aufbereitet sein kann — zusammen mit einem hochtemperaturbeständigen anorganischen Bindemittel aufgetragen, das durch die ohnehin vor Preßbeginn notwendige Aufheizung der Matrize zum Aushärten gebracht wird. Gelangt Jie Matrize erst geraume Zeit nach der Beschichtung zur Verwendung, so härtet der Binder bei Raumtemperatur in mehreren Tagen auch von selbst aus. Als festes Schmiermittel kommt z. B. Graphit, in manchen Fällen vorzugsweise Molybdändisulfid, in Betracht.

Das die Schicht bildende Mittel wird aus einer Spritzpistole mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200 m/sec auf die Arbeitsfläche aufgetragen. Aufgrund der leichten Handhabbarkeit der Vorrichtung und des verminderten Energiebedarfs weist dieses Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Arbeitsflächen gegenüber dem Aufsticken einen Vorteil auf. Dieser Verbesserung im Verhältnis zur Aufstickung steht aber eine etwas verkürzte Schichtstandzeit, mit der Folge

häufigerer BeschichtUngsVorgänge innerhalb einer Gesamtstandzeit, gegenüber, deren wirtschaftlich ab' träglicher Einfluß aber wieder etwas dadurch gemildert wird, indem »microseal^beschichtete Werkzeuge mit

etwas höheren Preßgeschwindigkeiten als »aufgestickte« zu betreiben sind, was auf die gute Schmierfähigkeit der Microseal-Schicht zurückgeht Ein Vergleich aller wirtschaftlich maßgeblicher Faktoren räumt microsealbeschichteten Matrizen, trotz häufigerer Beschichtung, einen nicht zu vernachlässigenden Vorsprung ein.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, das Intervall zwischen zwei Beschichtungsvorgängen oder — in anderen Worten — die Teilstandzeit einer nach diesem Verfahren hergestellten Schicht gegenüber einer durch Aufsticken erstellten zu verbessern. Hierbei wurde das Mischungsverhältnis der metallischen und/oder nichtmetallischen Bestandteile in weiten Grenzen bis zur Verwendung von Kohlenstoffen oder Molybdändisulfid allein variiert, ohne daß merkliche Fortschritte erzielt worden wären.

Bekannt sind zudem aus der DE-PS 5 40 528 stickstoffgehärtete Stahlteile von Strangpressen, die mit Alkali- oder Erdalkalimetalle, insbesondere Bleialkalilegierungen, enthaltendem Preßgut in Berührung kommen. Dem MetaßVundler steht vor Augen, daß diese Legierungstypen gegenüber den Aiumiriiumiegierungen völlig unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, daß also folglich auch beim Strangpressen vollkommen andere Einsatzbedingungen bestehen, so daß auf diesem Wege keine Verbesserung der Verhältnisse möglich ist, auch nie! .t durch die Lehre nach der US-PS 35 91 472, die sich mit dem elektrolytischen Aufbringen von metallsulfidischen Feststoffichmiermitteln auf metallische Oberflächen beschäftigt

Angesichts dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun.^, eine Steigerung der Einsatzdauer der Matrizenarbeitsfläche fü- das F·rangpressen von Aluminiumbolzen zu erzielen.

Zur überraschenden Lösung diese- Aufgabe führt, daß die Arbeitsflächen einem Diffusionsvorgang unterzogen und anschließend auf den so umgewandelten Werkstoff der Arbeitsfläche mit Hilfe eines Bindemittels eine Schicht aus metallischen Materialien und/oder feste Schmiermittel aufgebracht werden. Dabei sollen vorteilhafterweise als feste Schmiermittel Graphit oder tber Molybdänsulfid aufgebracht werden.

Wie aus den im folgenden beschriebenen Vergleichsbeispielen ersichtlich, liegen die gemäß der Erfindung erreichten Intervallverlängerungen weit oberhalb derjenigen, die sich aus der Summation der bei Nitrierung und Beschichtung jeweils einstellenden Teilstandzeiten ergeben. Normalerweise wäre zu erwarten gewesen, daß eine verlängerte Teilstandzeit der Summe der durch die Beschichtung und Nitrierung für sich erreichbaren Teilstandzeiten entsprechen würde.

Die für den erfindungsgemäßen Erfolg anzuziehenden Mittei sind im Hinblick auf den Stand der Technik nicht naheliegend. Vielmehr wird ein neuer Weg gewiesen, der trotz entgegenstehender technischer Bedenken im Endergebnis den entscheidenden techniichen Fortschritt ermöglicht Vorstehend sind die bekannte Aufstickung und Beschichtung im einzelnen ftiit den ihnen eigenen Besonderheiten erläutert, wobei die Beschichtung im Ergebnis gegenüber der Aufstikkung einen gewissen Vorteil zeigt. Die mit der Auffindung von Mitteln zur Verlängerung der Teilstandzeiten betrauten Fachleute sind trotz Kenntnis des Aufstickens Und Microsealings den vom Erfinder eingeschlagenen Weg nicht gegangen, da ihnen dieser lediglich als eine verschlechterte Variante zu zwei Micröseal'BeschichtUngeii erscheinen müßte. Dem Fachmann würde es nicht einfallen, durch die Kombination zweier in der Wirkung praktisch gleicher Mittel eine wesentliche Verbesserung zu erhoffen, da er sich von dem Gedanken leiten läßt, der Bereich des direkten Kontaktes zwischen Matrizenoberfläche und Preßgut sei von maßgeblichem Einfluß.

Der Fachmann dürfte von der Lösung nach der Erfindung schon dadurch abgehalten worden sein, daß mit einer durch Microsealing aufgeDrachten Beschichtung und mit einer aufgestickten Schicht unterschiedliehe Preßgeschwindigkeiten erreichbar sind; er wird von der Vorstellung geleitet, daß er nach einer gewissen Preßdauer bzw. nach einem bestimmten Durchsatz an Preßbolzen durch die Matrize die Preßgeschwindigkeit dann herabsetzen müsse, wenn zu erwarten steht, daß die durch das Microseal-Verfahren hergestellte Oberflächenschicht zum Abtrag gelangt ist Dies würde eine zusätzliche Überwachung der Preßvorgänge während eines Intervalls bedeuten. Während der Versuche wurde ferner unerwartet festgestellt, daß diese Bedenken keineswegs bestehen, sondern eine erfindungsgemäß gestaltete Matrize während der gesamten Teilstandzeit mit einer auf die Beschichtung abgestellten Preßgeschwindigkeit fahrbar ist ohne daß sich Beeinträchtigungen der Oberfläche des Preßgutes aufgrund übermäßiger Umformwärme einstellen wurden.

Die Ursachen für das Verhalten einer nach der Erfindung ausgebildeten Matrize sind r.icht restlos geklärt Es existieren zwar einige Theorien, die sich aber für eine zweifelsfreie Aufhellung der Zusammenhänge

jo als ungeeignet erwiesen. Jedoch wurde in den Versuchen festgestellt, daß die beanspruchten Mittel die objektiv kausalen Voraussetzungen des mit der Erfindung angestrebten technischen Erfolges darstellen.

Damit die für den rauhen Pressereibetrieb notwendi·

J5 gen mechanisch-technologischen Eigenschaften des Matrizen-Werkstoffes erhalten bleiben, wird nur eine äußere Schicht eines Arbeitsflächenwerkstoffes umgewandelt.
Nach weiteren Merkmalen der Erfindung wird der Werkstoff der Arbeitsfläche durch Bor umgewandelt

Die Boridschicht ist anstelle einer aus Nitriden bestehenden Schicht zur Aufbringung der Beschichtung nach dem Microseal-Verfahren besonders geeignet Boridschichten dieser Art werden zweckmäßig nach dem Pulverpackprinzip hergestellt, indem als Borlieferanten amorphes Bor, Borcarbid und Ferrobor in geeigneter Zusammensetzung verwendet werden. Die Schichtbildung wird begünstigt, d. h. in ihrem Wachstum beschleunigt, wenn dip Borlieferanten nicht in reiner

so Form, sondern mit Zusätzen, sog. Aktivatoren, zur Anwendung gelangen. Beim Borieren liegen die Behandlungstemperaturen nahe dem austenitischen Bereich des Werkzeugstahles und die Behandlungsdauer beträgt für Schichtdicken von 0,01 mm ein bis fünf Stunden und kann für eine Stärke der Schicht von 0,8 mm bis auf 25 Stunden ausgedehnt werden. Die Härte der so gebildeten Boride liegt zwischen HV 1600 bis 3000 und liegt damit wesentlich höher als die von Nitrierschichten. Im Querschliff zeigt die aus Boriden gebildete Oberflächenschicht eine auffällige gute Verzahnung mit dem Grundwerkstoff und sie erlaubt eine gute Verbindung mit der nach dem Microseal· Verfahren hergestellten Beschichtung, Mit Vorteil kann diese Sandwich-Beschichtung für schwer preßbare

Legierungen zur Anwendung kommen-

Besonders gute Resultate haben sich bei bezüglich der Teilstandzeiten sehr schweren Umformarbeiten ausgesetzten Matrizen ergeben, wenn gemäß einer weiteren

vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Werkstoff der Arbeitsfläche durch ein gleichzeitiges Borieren und Aufsticken umgewandelt wird. Durch gleichzeitiges Borieren und Aufsticken entsteht die gleiche Schichtzusammensetzung wie bei den aufeinanderfolgenden Diffusionsvorgängen, und zwar wird im letzteren Fall der Arbeitsflächenwerkstoff in seiner äußersten Schicht zu Boriden umgeformt sein, da das Bor im Gegensatz zum Stickstoff eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit zu verzeichnen hat Durch die Borid-Nitridschicht wird die Wärmeleitung von der Microseal-Beschichtung zii dem Trägerwerkstoff, also dem Werkzeugstahl, nicht beeinträchtigt Im übrigen hat sich gezeigt daß die Vorteile der superharten Boridschicht im wesentlichen während der gesamten Lebensdauer dieser Beschichtung uneingeschränkt erhalten bleiben.

Im folgenden sind Vergleichsbeispiele aufgeführt die einen Vorteil der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Arbeitsflächen verdeutlichen.

Beispiel I

1) Gepreßtes Prodi

2) Verpreßter Werkstoff

3) Matri/enwerkstofT

4) Nitrierschichtdicke
Microsealschichtdicke

5) Preßbolzenabmessung

6) Rezipientenabmessung

7) Pr ßbolzentemperatur 470 f

Rohr

Außendurchmesser
40 mm

Innendurchmesser
30 mm
AIMgSi 0,5

Warmarbeitsstahl 2343 0.38"AC; I⁰A Si;
0.4% Mn; P und S
mavirna' 0,025"'':
5,3% Cr; 1,1 %Mo;
0,4% V Rest Fe

5 vjTi

0,0 vjTi

216 mm Durchmesser, 820 mm lang

224 mm Durchmesser

8) Temperatur des aus 520-540 C der Matrize austretenden Profils,

gemessen 1,5 m
hinter Matrizenmund

9) Geforderte Ober- Rauhtiefe S 8,5 μηι flächengüte des Profils

10) Preßgeschwindigkeit 18-20 m/min

11) Anzahl der durch die 60 Stück Matrize durchgesetzten
Preßbolzen

Beispiel II

Entspricht in allen Angaben dem von Beispiel I, mit Ausnahme von:

4) Nitrierschichtdicke 0,0 um

Microsealschichtdicke 2 um

10) Preßgeschwindigkeit 28 m/min

11) Anzahl der durch die Ma·· ^:ze 58 Stück durchgesetzten Preßbol?en

Beispiel III

Entspricht in allen Angaben dem von Beispiel I, mit Ausnahme von:

4) Nitrierschichtdicke 5 vjn

Microsealschichtdicke 2 vm

10) Preßgeschwindigkeit 28 m/min

11) Anzahl der durch die Matrize 280 Stück durchgesetzten Preßboizen

Die Anzahl der durchgesetzten Preßbolzen bestimmte sich nach der geforderten Oberflächengüte; erreichte die Rauhtiefe größere Werte als 8,5 μπι, dann wurde der Preßvorgang abgebrochen. Aus den Vergleichsbeispielen ist ersichtlich, daß mit einer gemäß der Erfindung behandelten Matrize ungefähr die fünffache Anzahl von Preßbolzen durchsetzbar war.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Behandeln der Arbeitsflächen von Matrizen zum Verpressen von Bolzen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, d a durch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflächen einem Diffusionsvorgang unterzogen und anschließend auf den so umgewandelten Werkstoff der Arbeitsfläche mit Hilfe eines Bindemittels eine Schicht aus metallischen Materialien und/oder feste Schmiermittel aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Arbeitsfläche durch Bor umgewandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Arbeitsfläche gleichzeitig durch Bor und Stickstoff umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als festes Schmiermittel Graphit aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als festes Schmiermittel Molybdändisulfid aufgebracht wird.