DE2335185C3 - Kokille zum Gießen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen und ihre Verwehdung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kokille zum Gießen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die aus einem eisenhaltigen Metall besteht und auf ihrer formgebenden Oberfläche zumindest teilweise eine Metallkarbidschicht aufweist, sowie die Verwendung einer derartigen Kokille.

Beim Kokillenguß oder Spritzguß von Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden üblicherweise Formen verwendet, die aus Metall, beispielsweise aus legiertem Stahl, hergestellt sied. Da das geschmolzene Aluminium oder die Aluminiumlegie-

rung jedoch eine starke Tendenz hat, die für die Formherstellung verwendeten Metalle zu korrodieren und aufzulösen, tritt während des Gießvorganges leicht eine Korrosion und Erosion der Formflächen auf. Außerdem haftet das geschmolzene Aluminium an der Formfläche an. Durch die Korrosion der Formfläche und die Adhäsion des geschmolzenen Aluminiums an der Formfläche treten verschiedene Probleme auf. Beispielsweise verringern Änderungen in der Oberflächengüte der Form die Möglichkeit, den Formkörper aus der Form zu entfernen. Außerdem weist der Formkörper rauhe Oberflächen auf. Zusätzlich zu diesen Problemen hat der Formkörper, der in der Form herstellbar ist, eine geringe Qualität, beispielsweise eine geringe Maßhaltigkeit, wobei die Instandhaltung der dem Verschleiß unterworfenen Formen oder Formflächen einen beträchtlichen Zeitaufwand erfordert.

Zur Lösung dieser Probleme ist bereits vorgeschlagen worden, bestimmte Formmaterialien auszuwählen und die Formflächen entsprechend zu behandeln, beispielsweise durch Plattieren oder Nitrieren der Formflächen. Obwohl diese Vorschläge bereits einige Verbesserungen mit sich gebracht haben, bietet das Gießen von Aluminium noch eine Vielzahl ungelöster Probleme.

- - - · · - ■ ' '«« S. 91 bis 93, weisen Hierdurch ergibt sich zwar eine Verbessemne def Beständigkeit gegen Abrieb sow_ie gegen Sosion durch das geschmolzene Aluminium, ver-Sen mit unbeschichtelen fonngebenden Obergluten ^ ^ ^ _{geze d ß Fu k}

™^e^ aufgebrachte Karbidschichten auf der h^a«™ _yon j|_etallen der Untergruppe VI a des ^°lnsvstems, wie Wolfram oder Chrom, kernen ^"j^U _dindenSchutz der formgebenden Oberflachen öetneoig^ _Beschichtung gewährleisten wie er

^a"^rcI? * _Ve7_langerung der Lebensdauer der Kokille ■" _eewünschten Ausmaß notwendig ist. imgcw _{d Uegt die} Aufgabe zugrunde, eine Vf? _{d eingangs} genannten Gattung zu schaffen, ~°"_n„_utzbare Lebensdauer gegenüber den bekannderen π _{verbessert ist und unte}r deren Verwen-

™^l~ _Gieß.Formkörper mit hoher Dimensionsauug^ Maßhaltigkeit sowie glatten Gießg~X?%_{rhalten wer}den können, wobei jede Ad-ί·1;η_η des Aluminiums oder der Aluminiumlegie-

nasionι α _formgebenden Oberflächen vermieden rung an den tormg

Frfindunesgemäß wird diese Aufgabe bei einer KokSTL eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Metallkarbidschicht aus einem durch Diffusion aufgebrachten Karbid eines Metalls der Gruppe Va des Periodischen Systems besteht.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiter-

DmUn P_{Erfindungsgeda}nkens. dhuui g .„ j _karbidschi_cht kann auf die ge-

Die lh™ ._nden oberflächen der Kokille JjSefcSeise dadurch aufgebracht werden, daß die ^^onngebende Oberfläche, die mit der Metallkarbidschicht versehen werden soll, mit pulver- ^™^^_mdi_ungsmaterial in Kontakt gebracht J^?¹⁸^Suien lin Schmelzbad oder aber eine wi™ ^ucn ^_{Λ atmosphgre} verwendet wergasformige Benanai g

^{a n};_herraschenderweise gelingt es durch die erfin-.,^S_{6 Maßna}hme, die Metallkarbidschicht jTOgSSitoffiiichi auf der Grundlage eines als D™^^sgJ£ _{v a des} Periodischen Systems Metal sder ^™™ _{eine sehr} harte, bestän-

_idi_Iulg der formgebenden _{) durch we}iche im Vergleich der beispielsweise

^ ^^^,^stoffwerkzeugstahl bestehenden aus^ einem Karbidbeschichtungen

Kokille ^jV ^ _{der Gfuppe yi & des}

£u^f der orancuag _Lebensdauer der Formteile

gjjj^¹^^ _wird. _DieSe Verlängerung der betragen verg _Erhöhung der Widerstands-

Lebensdauer ist am ^e *_{er Erosion durch}

bzw. die geschmolzene c_kzufui_iren. Die Wirkung _η^|_β vorgeschlagenen Maßnahme

, _n .„ _{h der} Druckschrift »Gießerei«, Heft 1, konnte auch der um ^ _{werfen wdche}

_{von Koki}iien be_Prozcß

MofdanstaWen zur ^^ üjfft. Bei d«m dort _{arbk} jkeln im}

Wo framkaiWl una y kristallisiert,

* ^Tdestandsfähigkeit des Stahls gegen Korrosion erhöht wird. Die Abrieb-

der Stahlmatrix erhöht

,«ten Die Druckschrift liefert jedoch keinen Hin- ^darauf daß Diffusionskarbidschichten auf der SSSon Metallen der Gruppe V a des Periodi- Xn SyUs gegenüber geschmolzene * Aluminium ~T_er geschmolzenen Aluminiumleinerungen wesent- 5 r f wenieer reaktiv sind als Molybdänkarbid- oder ^lfSaibidlegierungen, eine Erkenntnis, welche ^Grundlage für die neue Lehre der Erdung

^ konnte die DT-AS 20 10 323 eine »

**** ^{der Erfindu}"S S^eben' ^welche mit einer Diffusionsboridschicht betrifft.

eine hohe _ist

es sich also um Vanadium Niob
Metalle bilden Karbidschichten
(VC)₁ Niobkarbid W*&*

Jedes tor ^fj^fjSS
(HV. 30TO) und oeim ληιι β

Verschleißfestigkeit auf. Aus diesem eine Kokille zum Gießen.von A—

versehen sind, eine ausgezeichnete "^ ³^ ^Au

^dieS,^e ^S^^lSÄ^ auch

¹⁵

ÄhnSg J einzelnen erläutert. Dabei zeigt be.spieby«*

Fig. lim Querschnitt eine erfindungsgemaße Ko- *o Zusätzlich zu

külezumAlumuiium-Spriizgießenund aus Stahl herg

Fi2 eine mikroskopische Aufnahme, welche erfmdungsg^e

gJ der

gewährleistet die f _{eine ho}he _eiß_

Aluminiumlegierungen in einer in Fig. 1 dargestellte„ Spritzgießform, welche eine Vielzahl von Formteilen, beispielsweise ein feststehendes Oberteil 1 und Sn bewegliches Unterteil 2 aufweist. Jas bewegliche Unterteil 2 weist Auswerfstifte 3 und einen Kernstift 4 auf. Die Teile 1 und 2 weisen jeweils formgebende Oberflächen auf, die zusammen einen ZugangS zu einem durch die beiden Formteil 1 und 2 ^bildeten Formhohlraum bilden. Zur Einfuhrung Ι« geschmolzenen Aluminiums oder der Aluminiumlegiemng in die Form weist das feststehende Form-

teil leinen Eingußkanal 6 auf. η ^ ^

Die bisher bekannten Kokillen oder Formen, deren

Konfiguration der in Fig. 1 dargestellten Form entspricht, bestanden aus Stahllegierungen, be.spielsweise aus einem abgeschreckten und getemperten WerLugstahl. Die formgeben Oberflächen um den Zugang S und in dessen Nahe waren infolge der hohen Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Aluminiums während des G.eßvorganges Verschleißeder Erosionserscheinungen .unterworfen Auch haben vorstehende Teile, wie ein Kopf 41 des Kern-Stiftes 4 und ein Vorsprung 11 im feststehenden 5« Formteil I, eine schlechte Wärmeleitung und waren insofern sowohl Erosionserscheinungen als auch der

lungsmatena.

Kontakt gehalt Me aus m ^d-^
schicht zu tnldea.
Verfahrens zur

zwische f

de' ™tall^en

stifte 3 Verschleißerscheinungen unterworfen, wenn der Formkörper von den getrennten Teilen I und 2 durch diese Stifte abgeworfen oder entfernt wurde. Erfindungsgemäß weisen wenigstens diejenigen Teile der formgebenden Oberflächen die den Erosions-, Korrosions- oder Verschleißersche.nungcn ausgesetzt sind, eine Metallkarbidschicht auf. Wenn gewünscht, können die gesamten ornigebcnden Temperatur in die Diffusion des _eine Diffusionsung des Diffusions-Metallkarbidschicht ^ _metallischen Bindung und dem Stahlsubstrat. Infolge f^" _{löst sich die} Schicht vom de' ™tall^en Bmdung _wiederhoHen

Substrat auch ^jnmcnt _{ichen thermi}.

^^^gkieYfetoten des Grundmetalls der Lkü?e und der Metallkarbidschicht ausgesetzt der KoKUie una uci

wird Karbidschicht kann zwischen etwa

Die Dicke der κaio _Beträgt

^ ^feis 3 Mikron una etwa 2 Mikron,

d. Dicke d^ _t ^A^^^l _{Korrosionsbes}t_Snso crgeben sieb e ⁿJ ^ | ^^ _{d[& Le}. to und Versch «u ^ ^^ ^^

^t _einer Dicke von mehr als 100 Mi_ε™^^η _{Γ thermischer} Schockbean.prukrön^e st gege _{widerstandsfä}higkeit auf, so

™l ^ Sfon der Kokille ablösen würde, daß sie sich J«^ *^Γ _{Μί|ΐβι die} Erfindung auch _t ^_{okiüe der} beanspruchten Art vo^gn Aluminium oder Aluminiumlegie-

^{sich aus}

nachfolgenden

6o Eine^

Beispiel 1

auf der Grundlage eines aus / _a ausgewählten Metalls

^ Y_ne^^m _bcweg?r_chcn Kernstift mit einem «u de au^ einem g ^ ^ _L^_{gc wn}

DurchrnessLj "^on . _einer Spritzgießform

70mn zu V» _{t Eine Alum}._

stahl. Der Kernstift wurde dadurch mit der Metallkarbidschicht versehen, daß er in ein Bad aus geschmolzenem Borax (Na₂B₄O₇), welches mit 20% Eisenniobpulver (mit einem Gehalt von 63 ⁰Zo Niob und 6°/o Tantal) gemischt war, für eine Zeitdauer von 8 Stunden bei einer Temperatur von 950° C eingetaucht wurde. Nach dem Herausnehmen aus dem Bad wurde der Kernstift in Öl abgeschreckt, woraufhin noch am Kernstift anhaftendes Schmelzbadmaterial durch Abwaschen mit warmem Wasser entfernt wurde. Dann wurde der behandelte Stift in Holzkohlenpulver bei 550° C 1 Stunde lang getempert.

Ein Teil des Stiftes wurde abgeschnitten, woraufhin das Grundmetall und die Metallkarbidschicht mikroskopisch untersucht wurden. Die Ergebnisse der mikroskopischen Untersuchung eines Querschnittes lassen sich an der mikroskopischen Abbildung, die in F i g. 2 gezeigt ist, erkennen (Vergrößerung 400mal). Wie in der mikroskopischen Aufnahme zu erkennen ist, befindet sich auf dem Grundmetall oder Substrat 52 eine Oberflächenschicht Sl mit einer Dicke von annähernd 7 Mikron. Diese Schicht besteht aus Niobkarbid (NbC) mit einem geringen Eisengehalt. Weiterhin weist die Karbidschicht 51 einen geringen Tantalgehalt auf. Die Karbidschicht hat eine Vickershärte von 2600. Die Rockwellhärte (Skala C) des Grundmetalls betrug 45. Hieraus folgt, daß die Karbidschicht extrem hart war.

Beim Gießen von Aluminium in einer Spritzgießform mit einem konventionellen Formstift aus erwärmtem und getempertem legiertem Werkzeugstahl konnten annähernd 1000 Gießvorgänge durchgeführt werden, bevor das Aluminium am Stiftkopf kleben blieb und das Gießen beendet werden mußte. Mittels einer Kokille, welche einen beweglichen Stift nach der Erfindung und nach dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel aufwies, ließen sich kontinuierlich etwa 5000 Gießvorgänge ohne Aluminiumadhäsion durchführen. Darüber hinaus war die Maßhaltigkeit des durch den Stift erzeugten Loches hervorragend. Die Gleitflächen des Stiftes zeigten praktisch keinen Verschleiß.

Beispiel 2

Ein Kernstift zur Verwendung beim Dauerguß mit einem Durchmesser von 23 mm und einer Länge von 180 mm sowie ein Füllkern zum Spritzgießen mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Länge von 80 mm wurden aus getempertem legiertem Werkzeugstahl hergestellt. Nach dem Verfahren von Beispiel 1 wurde darauf eine Metallkarbidschicht hergestellt. Der Kernstift und der Füllkern wurden in die jeweilige Form eingesetzt, woraufhin eine Aluminiumlegierung vergossen wurde.

Der Stift für den Dauerguß war noch nach mehr als 3000 Gießvorgängen' brauchbar. Beim Füllkern trat ein Anhaften des Aluminiums erst nach 2000 Gießvorgängen auf. Das anhaftende Aluminium ließ sich durch Bürsten des Kerns in der Form leicht wieder entfernen, so daß der Kern wieder verwendbar war. Im Gegensatz hierzu ließen sich ein konventioneller Kernstift für Dauerguß sowie ein Füllkern für Spritzguß, hergestellt aus getempertem, legiertem Werkzeugstahl, nach 1000 Durchgängen nicht mehr verwenden infolge des anhaftenden Aluminiums.

Beispiel 3

Ein Kernstift, dessen Abmessungen etwa 80 χ 120 χ 170 mm betrugen und der einen Hohlraum aufwies, wurde aus getempertem, legiertem Werkzeugstahl hergestellt. Der Kerbstift wurde dadurch behandelt, daß er in einen Stahlbehälter gepackt wurde, der ein pulverförmiges Behandlungsmaterial enthielt, welches aus einem Pulver aus 80% Eisenvanadium (mit einem Gehalt von annähernd 52% Vanadium)

ίο und 20% Kaliumtetrafluorborat (KBF₄) bestand. Der Behälter wurde mit seinem Inhalt in einem elektrischen Ofen für einen Zeitraum von 6 Stunden auf 1000° C aufgeheizt. Es ist zu beachten, daß das Kaliumtetrafluorborat bei dieser Temperatur das Metall aktiviert. Nach der östündigen Heizperiode wurde der Stahlbehälter mit dem Kernstift herausgenommen und in Luft abgekühlt, wobei ein Kernstift zur Verwendung in einer Gießform nach der Erfindung erhalten wurde.

Ein Teil des Kernstiftes wurde abgeschnitten, woraufhin die Oberfläche wie im Beispiel 1 mikroskopisch, durch Röntgenstrahl-Mikroanalyse und durch Röntgenbeugen, untersucht wurde. Die Untersuchung hatte das Ergebnis, daß eine Vanadiumkarbidschicht (VC), welche fast kein Eisen enthielt, mit einer Dicke von annähernd 12 Mikron hergestellt worden war.

Ein Kernstift, der durch die vorstehende Behandlung hergestellt worden war, wurde in die Form eingesetzt, woraufhin der Guß erfolgte. Beim Gießen haftete kein Aluminium am Kernstift nach der Erfindung an, und zwar bei bis zu 5000 Durchgängen. Im Gegensatz hierzu zeigte sich bei einem konventionellen Kernstift, der aus konventionellem, abgeschrecktem und getempertem, legiertem Werkzeugstahl hergestellt war, an den vorspringenden Teilen der Formfläche nach dem 2000. Durchgang Aluminiumadhäsion. Dieser Versuch zeigte die Festigkeit der Form mit einer Vanadiumkarbidschicht, welche dem konventionellen Kernstift ebenso überlegen ist wie die Niobkarbidschicht, die sich als der konventionellen Formfläche überlegen herausstellte.

Beispiel 4

Ein feststehendes Formteil und ein bewegliches Formteil, wie die Formteile 1 und 2 der in Fig. 1 gezeigten Form, wurden aus getempertem, legiertem Werkzeugstahl hergestellt. Nach demselben Verfahren wie im Beispiel 3 wurden die Formteile 1 und 2 in zwei Stahlbehälter gepackt, von denen jeder ein pulverförmiges Behandlungsmaterial aus 80 % Eisenvanadium und 20% Kaliumtetrafluorborat enthielt. Jeder Behälter wurde für 6 Stunden bei 1000° C in einem elektrischen Ofen aufgeheizt. Am Ende dei 6stündigen Heizperiode wurden die Behälter aus dem Ofen herausgenommen und in Luft abgekühlt Die Flächen der Formteile 1 und 2 hatten jeweili eine Vanadiumkarbidschicht (VC). Die Karbidschicht, die dicht und einheitlich war, hatte eine Dicke von annähernd 11 Mikron.

Die Überlegenheit der erfindungsgemäß mit einei Metallkarbidschicht auf der Grundlage eines Metall; der Gruppe V a des Periodischen Systems versehener Kokille gegenüber Kokillen, die Metallkarbidschich ten auf der Grundlage von Metsllkarbiden de Gruppe VI a des Periodischen Systems aufweisen ergibt sich aus den nachfolgenden Vergleichsunter suchungen:

Aus unbeschichtetem Kohlenstoffwerkzeugstahl wurden sieben Stäbe mit einem Durchmesser von 8 mm und einer Länge von 30 mm hergestellt. Einer der Stäbe blieb unbehandelt, während auf vier weitere Stäbe nach dem im Beispiel 1 angegebenen Verfahren Chrom-, Niob-, Vanadium- bzw. Tantalkarbidschichten mit einer Dicke zwischen 8 und 12 Mikron aufgebracht wurden. Der achte Stab wurde nach dem Funkenhärtverfahren, wie es in der Druckschrift »Gießereipraxis«, Nr. 5, 1965, S. 91 bis 93, beschrieben ist, in einer Dicke von 8 bis 15 Mikron mit einer Wolframkarbidbeschichtung versehen.

Die so hergestellten Stäbe wurden in eine geschmolzene Aluminiumlegierung eingetaucht (Cu: 2,0 bis 4,0°/»; Si: 5,0 bis 7,0 °/o; Al: Rest), dort bei 700° C für 2, 4, 8, 12 bzw. 24 Stunden gehalten und dann herausgenommen.

Die Widerstandsfähigkeit der einzelnen Proben gegenüber der geschmolzenen Aluminiumlegierung ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle.

In der nachstehenden Tabelle wurde die Widerstandsfähigkeit der Proben in drei Klassen unterteilt, bezeichnet mit CX Δ ^und X· Die Bezeichnung O bedeutet, daß kein Aluminium fest an der Oberfläche einer Probe anhaftete und daß das an der Oberfläche der Probe verfestigte Aluminium leicht durch Abreiben mit einem Papier oder einem Tuch entfernt werden konnte. Die Bezeichnung Δ zeigt, daß das Aluminium an der Probenoberfläche fest anhaftete und mittels einer Feile entfernt werden mußte. Die Bezeichnung X zeigt, daß das geschmolzene Aluminium teilweise die Proben auflöste und der Durchmesser der Proben deutlich abnahm.

Proben	Eintauchzeit (Stunden)	4	8	12	24
	2	X	X	X	X
Kohlenstoff werkzeugstahl	X	X	X	X	X
Chromkarbid	X	O	O	Δ	Δ
Niobkarbid	O	Δ	Δ	χ	χ
Vanadium karbid	Δ	Δ	Δ	χ	X
Tantalkarbid	Δ	χ	χ	X	X
Wolframkarbid	χ

Aus der vorstehenden Tabelle geht klar hervor, daß sowohl bei unbeschichtetem Werkzeugstahl als auch bei mit Chromkarbid- oder Wolframkarbidbeschichtung versehenen Proben bereits nach Eintauchzeiten von 2 Stunden eine starke Aluminiumadhäsion bzw. Erosions- und Korrosionserscheinungen auftreten, während die erfindungsgemäß mil einer Niob-, Vanadium- oder Tantalkarbidbeschichtung versehenen Proben bis zu Eintauchzeiten vor 12 Stunden ausgezeichnete Ergebnisse zeigten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen «06 613/

Claims (5)

Patentansprüche: • „a

1. Kokille zum Gießen von Aluminium oder

Aluminiumlegierungen, die aus einem eisenhaltigen Metall besteht und auf ihren fonngebenden Oberflächen zumindest teilweise eine Metallkarbidschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht aus einem durch Diffusion aufgebrachten Karbid eines Metalls der Gruppe V a des Periodischen Systems besteht.

2. Kokille nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbid ein Niobkarbid ist.

3. Kokille nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Druckgießformen wenigrtens ein Kernstift beschichtet ist.

4. Kokille nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schient 2 bis 100 Mikron dick ist. .

5. Verwendung der Kokille nach einem der ao vorangehenden Ansprüche zum Gießen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.