DE2636302C2 - Verfahren zur Herstellung eines porösen Werkstoffs für eine Elektroerosions-Werkzeugelektrode und gemäß diesem Verfahren erhaltener Werkstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines porösen Werkstoffs zur Fertigung von Werkzeugelektroden zur elektroerosiven Metallbearbeitung, z. B. zur Herstellung von Profilerzeugnissen aus elektrisch leitenden Materialien oder zum Schneiden von elektrisch leitenden Materialien.

Aus dem UdSSR-Erfinderschein 4 89 617 ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Elektrodenwerkstoffs bekannt, welches besteht aus dem Warmpressen eines Pulvers, beispielweise aus Kupfer, in einer geschlossenen Preßform unter zwangsweiser Durchleitung eines Reduktionsgases, z. B. Wasserstoff, durch die Pulvermasse bei einer Temperatur von 0,3 bis 0,5 der Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffs, einer nachfolgenden Temperalursleigerung auf einen Wert von 0.6 bis 0,9 der Schmelztemperatur des Lleklrodenmaterials und schließlich dem Anlegen von Druck.

Auf diese Weise wird ein Werkstoff bzw. eine fertig geformte Elektrode mit einer Porigkeit von 15 bis 25% und einer Porengröße von 10 bis 40 μπι erhalten.

Der Nachteil einer so erhaltenen Werk/eugelektrode ist deren geringe Plastizität bzw. erhöhte Sprödigkeit und ihre unzureichende Festigkeit Diese Eigenschaften machen sich besonders dann störend bemerkbar, wenn die Elektrode noch mechanisch oder auf andere Weise weiterverarbeitet werden soll, z.B. unter Ausbildung von feineren und komplizierteren Arbeitsflächen, Rippen, Vorsprüngen, dünnen und scharfen Kanten usw. Die Sprödigkeit der Elektrodenwerkstücke führt zum Ausschuß sowohl bei der Fertigung von Formvrerkzeug elektroden, als auch beim Betrieb derselben. Im letzteren Falle kommt es zu einem erhöhten Verschleiß der dünnquerschnittigen Elemente, unter anderem in Form eines Abbröckeins des Werkstoffs. Dies wiederum führt zu einer Verringerung der Bearbeitungsgenauig keit und zur Entstehung von Kurzschlüssen im Entladungsraum, zur Störung der Stabilität des Prozeßablaufs und zur Senkung der Bearbeitungsproduktivität Der Nachteil des bekannten Herstellungsverfahrens ist dessen geringe Produktivität sowie die hohen Kosten, die mit der Notwendigkeit einer experimentellen Korrektur der einzelnen Prozeßparameter zusammenhängen, z. B. des Drucks des Reduktionsgases am Eintritt in die Preßform und der Durchflußmenge des Reduktionsgases beim Obergang von der einen Rohstoffart, beispielsweise Kupferpulver, zur anderen, die sich von der ersteren beispielsweise durch die Kornzusammensetzung und/oder durcti den Sauerstoffgehalt unterscheidet

Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist

die Verschmutzung des Arbeitsraumes der Heizkammer mit Reduktionsprodukten, beispielsweise bei der Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel die Kondensation von Wasserdampf auf gekühlten Oberflächen. Eine derartige Verschmutzung verlängert die notwendigen Wartungspausen und setzt die Produktivität des Prozesses herab.

Aus der US-PS 37 45 296 ist ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs für Elektroerosionselektroden bekannt bei dem als Ausgangsmaterial Kupfer dient und ein erhöhter Sauv^->toffgehalt von 0,1 bis 0,4 Gew.-% erzielt wird, der höhere Abtragsge schwindigkeiten ermöglichen und einen geringeren Elektrodenverschleiß gewährleisten soll. Bei diesem Werkstoff liegt der Sauerstoff jedoch in Gestalt von Kupferoxid vor und es wird nur ein kompakter Werkstoff erzielt, der auch aus den obengenannten Gründen keine Feinbearbeitung zur Erzielung komplizierterer Formen zuläßt.

Schließlich ist das Herstellungsverfahren langwierig; die Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre geschieht bei 400 bis 600⁰C und dauert 22 bis 90 Stunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein produktives Verfahren zur Herstellung eines Elektroerosionselektrodenwerkstoffs zu schaffen, welcher bei hoher Verschleißfestigkeit dennoch gute Plastizität aufweist und dadurch auch einer nachfolgenden Feinbearbeitung zugänglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe vird ausgehend von den bekannten Verfahren erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Druck des Reduktionsgases am Eintritt in die Preßform von etwa 1.2 bis etwa 1.8 bar beträgt und die Gesamtmenge des Reduktionsgases, das in der Periode des Haltens bei einer Temperatur von 0.3 bis 0.5 der

b^r> Schmelztemperatur des Pulvers durch die Masse des in der Preßform befindlichen Pulvers durchgepumpt wird, mindestens das Zweifache der stöchiometrischen Menge beträgt.

Das letztgenannte Merkmal bedeutet, daß wenigstens das Zweifache derjenigen Menge an Reduktionsgas durchgepumpt wird, welche theoretisch bis zur vollständigen Reduktion der Oxide erforderlich ist. Auf diese Weise gelingt die Einstellung des Sauerstoffgehaltes auf ein Niveau, das hohe Elektroerosionseigenschaften der Werkzeugeiekirode gewährleistet

Die Wahl des Druckintervalls des Reduktionsgases in dem angegebenen Bereich hängt mit der Größe des hydraulischen Widerstandes der Pulver und deren Kornzusammensetzung zusammen. Bei einem Druck des Reduktionsgases am Eintritt in die Preßform unter 1,2 bar läßt der Gasstrom durch die Pulvermasse schnell nach und ein Teil des Pulvers bleibt unvollständig reduziert, so daß die erhaltene Werkzeugelektrode inhomogene Elektroerosionseigenschaften besitzt Bei einem Druck des Reduktionsgases am Eintritt in die Preßform über 1,8 bar kann es zu einer Aufwirbelung des Pulvers und einem Austrag desselben aus der Preßform kommen.

Bei der Fertigung von Werkzeugelektroden mit einer Porengröße nahe an der oberen Grenze, d. h. von 30 bis 35 μπι und/oder einer verhältnismäßig geringen Höhe der zu fertigenden Werkzeugelektrode von 20 bis 30 mm, wird der Reduktionsgasdruck nahe an der unteren Grenze, d.h. 1,4 bis 1,3bar gewählt. Bei der Fertigung von Werkzeugelektroden mit einer Porengröße nahe an der unteren Grenze, d. h. von 20 bis 15 μπι und/oder einer Höhe der zu fertigenden' Werkzeugelektrode von 100 bis 150 mm wird der Reduktionsgasdruck nahe an der oberen Grenze, d. h. 1,6 bis 1,7 gewählt

Die Notwendigkeit eines Überschusses der Gesamtdurchflußmenge des Reduktionsgases gegenüber der stöchiometrischen Menge ist durch die Kinetik des Ablaufs der Reduktionsreaktion in der Masse des in der Preßform befindlichen Pulvers bedingt. Die für den Reduktionsprozeß notwendige Mindestzeit ergibt sich aus der innerhalb der Teilchen erfolgenden Diffusion der Reduktionsprodukte, deren Geschwindigkeit durch das Gefälle der Konzentration dieser Produkte in den innerhalb der Teilchen befindlichen Mikrorissen der zu reduzierenden Verbindung und in dem Raum zwischen den Teilchen bestimmt wird. Um diese Konzentration zu vermindern, muß in die Reaktionszone ein Überschuß an Reduktionsgas eingeführt werden.

Ein Reduktuinsgasüberschuß von we.iiger als dem Zweifachen der stöchiometrischen Menge verzögert die Verminderung der Konzentration der Reduktionsprodukte in dem Raum zwischen den Teilchen, was nicht zur Beschleunigung des Proztises beiträgt, während bei einem Überschuß, der über dem zwanzigfachen Wert liegt, die Vergrößerung der Gesamtgeschwindigkeit des Prozeßablaufs unbedeutend ist, so daß die Kosten der erhöhten Menge des Reduktionsmittels sich nicht mehr rechtfertigen. Es ist deshalb zweckmäßig, das Verhältnis des Reduktionsgases zur stöchiometrischen Menge im Bereich von 2 bis etwa 20 zu wählen.

Bei dieser Wahl kann auch die Dispersität des zu reduzierenden Pulvers und der Sauerstoffgehalt in diesem Pulver berücksichtigt werden: Wenn die gewünschte Porengröße im Elektrodenmaterial nahe an der oberen Grenze (30 bis 35 μπι) liegen soll, d. h. bei der Reduktion von grobdispersen Pulvern und/oder bei der Fertigung von Werkzeugelektroden aus Pulvern mit einem Ausgangsgehalt an Sauerstoff über 6 Gew.-°/o, wird der Reduktionsgasuberschuß nahe an der oberen Grenze gewählt, d.h. er brrägt das 16- bis Wache.

Wenn die Porengröße nahe der unteren Grenze (15 bis 12 μπι) liegen soll und/oder bei der Fertigung von Werkzeugelektroden aus Pulvern mit einem Ausgangsgehalt an Sauerstoff unter 1 Gew.-% wird der Reduktionsgasüberschuß nahe an der unteren Grenze gewählt, d. h. er beträgt das 4- bis 5fache.

Zweckmäßigerweise werden die Reduktionsprodukte unter vollständiger Isolierung derselben von dem Arbeitsraum der Heizkammer aus der Preßform entfernt, beispielsweise durch Ableiten dieser Produkte durch ein Rohr, dessen Eintrittsende mit der Preßform verbunden und dessen Austrittsende durch die Wand oder ein anderes Element der Kammer in die Atmosphäre herausgeführt ist

Der nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Werkstoff hat vorteilhafterweise eine Porigkeit bis zu 15 bis 25% seines Volumens bei einer Porengröße von etwa 10 μπι bis 40 μπι und einen Sauerstoffgehalt von etwa 0,01 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%.

Die im Zusammenhang mit der Erfindung angestellten Untersuchungen haben gezeigt, daß f\- Verschlechterung der Elektroerosionseigenschaften der porösen Werkzeugelektrode bei der Verminderung von Festigkeit und Platizität des Werkstoffes auf die an den Grenzen und innerhalb der Körner des Werkstoffes vorhandenen Zwischenschichten und einzelnen Einschlüsse von spröden Oxiden zurückzuführen ist, die Reste von Oxidhäuten darstellen, welche an der Oberfläche der Teilchen des Rohstoffpulvers unvermeidlich sind. Die im Werkstoff anwesender; Oxidhäute und Einschlüsse schwächen den Zusammenhalt der Körner ab, verschlechtern die Wärme- und die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes, führen zu Spannungskonzentrationen im Werkstoff bei der mechanischen Bearbeitung und zu Mikrorissen.

Die Wahl des Sauerstoffgehaltes innerhalb des vorgeschlagenen Bereichs wird durch die Geometrie der Werkzeugelektrode und die Anforderungen an die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche bestimmt. Pd der Fertigung einer Werkzeugelektrode mit Abschnitten (Vorsprüngen, Rippen), deren Dicke 1,5 mm unterschreitet, oder bei der Fertigung einer Werkzeugelektrode für die elektroerosive Schichtbearbeitung (R₂ < 10 μπι) wird der Sauerstoffgehalt nahe an der unteren Grenze des vorgeschlagenen Bereichs, nämlich mit etwa 0,02 bis etwa 0,04 Gew.-% gewählt. Bei tier Fertigung einer weniger feinen Werkzeugelektrode, deren Dicke nirgends unter 5 mm liegt, oder bei der Fertigung einer Werkzeugelektrode für die elektroerosive Rohbearbeitung (R₁ < 40 μπι) wird der Sauerstoffgehalt nahe an der oberen Grenze des vorgenannten Intervalls, nämlich mit etwa 0,07 bis etwa 0,09 Gew.-% gewählt.

fm Falls¹ der Fertigung der Werkzeugelektrode aus Kupfer ist ein Sauerstoffgehalt von etwa 0,02 bis etwa 0,05 Gew.-% am zweckmäßigsten.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die schnittbiMliche Darstellung einer Warmpreßkammer zur Herstellung eines Werkstoffs für Werkzeugelektroden;
F i g. 2 eine abgestufte Werkzeugelektrode. Die gesamtheitlich mit dem Bezugszeichen 1 versehe-

^b' ne WarmpreBkammer steht auf einer Auflagerplatte 2. Das Gehäuse ? der Kar:mer besitzt eine DoppHwandung 4, in deren Hohlraum 5 eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, fließt. Zur Verringerung der

Wärmeverluste aus der Kammer ist eine Wärmeabschirmung 6 vorgesehen.

Innerhalb der Kammer befindet sich eine Preßform 7 besonderer Bauart, die in noch zu beschreibender Weise die Zuführung eines Reduktionsgases zu dem zu behandelnden Pulver ermöglicht. Im vorliegenden Fall wird eine Mehrstufen-Preßform 7 verwendet, wobei in Fig. 1 nur zwei Stufen der Mehrstufenform dargestellt sind. Jede Stufe der Preßform 7 schließt einen oberen 8 und einen unteren Druckstempel 9 ein.

Die Druckstempel 8 und 9 verschieben sich in einer Matrize 10. In dem Hohlraum 11. der von den Stirnseiten der Druckstempel und den Wänden der Matrizen begrenzt ist, wird der Werkstoff 12 untergebracht, der zur Herstellung eines Rohlings oder einer Formwerkzeugelektrode bestimmt ist.

Die unteren Druckstempel 9 stützen sich auf eine Zwischenplatte 13. Diese Platte 13 und der Druckstempel 9 besitzen gleichachsig angeordnete Kanäle 14 und 15. Über diese hat der Werkstoff 12 im Hohlraum 11 Verbindung mit einem Kanal 16 in der Auflagerplatte. Die genannten Kanäle dienen entweder zur Zuführung eines chemisch aktiven Reduktionsgases, beispielsweise von Wasserstoff, in den Hohlraum U zum Werkstoff oder zum Ableiten der Reaktionsprodukte. Entweder ist also der Kanal 16 an eine (nicht gezeigte) Reduktionsgasquelle angeschlossen oder mit einer (nicht abgebildeten) Auspumpeinrichtung verbunden, wobei im letzteren Fall das Reduktionsgas durch einen Stutzen 17 und Kanäle 18 in den oberen Druckstempeln zur Kammer zugeführt wird.

Zur Erhitzung der Preßform 7 dient ein Heizelement in Form eines dünnen Graphitrohres, das an eine Stromquelle (nicht abgebildet) angeschlossen ist.

Das Pressen wird mittels eines Pressentischs (nicht dargestellt) durchgeführt, der die Auflagerplatte 2 trägt. FuIIs die Druckstempel und die Matrizen eine entsprechende Form aufweisen, kann in der Einrichtung eine fertige Werkzeugelektrode hergestellt werden.

Beispiel 1

Kijpferpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 45 μιη und einem Sauerstoffgehalt von l,2Gew.-% wurde in die Matrize 10 der Preßform 7 in einer Menge von 0,5 kg geschüttet, und die Preßform wurde im Arbeitsraum der Warmpreßkammer 1 untergebracht.

Das Pulver 12 wurde auf 500⁰C erhitzt und bei dieser Temperatur 20 min lang unter fortwährendem Durchleitcn von Wasserstoff gehalten, der durch den Stutzen 17 und die Kanäle 18 in den Druckstempeln 8 zugeführt und zusammen mit den Reduktionsprodukten (Wasserdämpfen) mit Hilfe einer Pumpe durch die Kanäle 15 in den unteren Druckstempeln 9 und durch den Kanal 16 entfernt wurde.

Es wurde ein Wasserstoffdruck am Eintritt in die Preßform von \2 bis 13 bar aufrechterhalten, und die Gesamtmenge des durch die Preßform in der Reduktionsperiode des Pulvers 12 durchgeleiteten Wasserstoffs betrug 18 I, was dem Dreifachen der stöchiometrischen Mengen entsprach.

Nach Beendigung des Reduktionsprozesses, die sich durch die Verminderung der Konzentration des Wasserdampfes in den Abgasen auf das Niveau im eingeleiteten Wasserstoff anzeigt, wurde die Preßform

bis auf 850⁰C erhitzt und ein Druck von 70 kp/mm² am Pulver angelegt.

Der Werkstoff des hergestellten Rohlings hatte folgende Eigenschaften: Poriekeii 18%. mittlerer

■ Durchmesser der Poren 16μηι, Sauerstoffgehalt über 0,08 Gew.-%.

Aus jedem Rohling wurde durch mechanische Bearbeitung eine Werkzeugelektrode gefertigt, die in F i g. 2 dargestellt ist, wo mit 20 die Werkzeugelektrode

* und mit 21 deren Arbeitsfläche bezeichnet ist. Die Dicke der Abschnitte der Arbeitsfläche nimmt stufenförmig von 10 bis 1 mm ;ib. Mit den beiden Werkzeugelektroden wurden S.ickhöhlungen in Werkstücken aus Kohlenstoffstahl auf einer Elekiroerosionsmaschine ausgearbeitet, wobei die Speisung durch kammförmige Impulse mit einer Frequenz von 22 bis 26 kHz bei einem Betriebsstrom von 15 bis 10 A erfolgte.

Die erzielbare Durchschnittsleistung der Bearbeitung betrug 10 mmVA ■ min. Der relative Verschleiß an den ersten vier Stufen betrug ungefähr 1,5%; der mittlere relative Verschleiß an der vorletzten und an der letzten Stufe betrug 5 bzw. 8%. Bei der mechanischen Bearbeitung der Werkzeugelektroden traten keine Risse auf.

Beispiel 2

Auch hier wurde die oben beschriebene Einrichtung verwendet Das Pulver 12 entsprechend dem Beispiel I, welches jedoch Sauerstoff in einer Menge von 3 Gew.-% enthielt, wurde in die Matrize 7 der Preßform geschüttet und in der Heiükammer untergebracht. Es wurde auf 500° erhitzt und bei dieser Temperatur 30 min lang unter fortwährendem Durchleiten von Wasserstoff gehalten. Der Wasserstoffdruck am Eintritt in die Preßform betrug 1,5 bis 1,6 bar-, die Gesamtdurchflußmenge des Wasserstoffs belief sich auf 54 1, was dem Neunfachen der stöchiometrischen Menge entsprach.

Das Hochtemperaturstadium des Prozesses unterschied sich nicht von dem gemäß Beispiel 1.

Der hergestellte Werkstoff wies eine Porigkeit von 19%, einen mittleren Durchmesser der Poren von 17 μνη und einen Sauerstoffgehalt von 0,05 Gew.-% auf. Bei der elektroerosiven Bearbeitung mittels der Werkzeugelektrode wurden folgende Resultate erzielt: Durchschnittsleistung limmVA-min, relativer Verschleiß der ersten vier Stufen etwa 1.3%, mittlerer relativer Verschleiß an der vorletzten Stufe 4% und an der letzten Stufe 6%. Bei der mechanischen Bearbeitung entstanden keine Risse.

Beispiel 3

Bei sonst unveränderten Bedingungen betrug der Wasserstoffdruck am Eintritt in die Preßform 1,7 bar und die Durchflußmenge des Wasserstoffs entsprach dem Achtzehnfachen der stöchiometrischen Menge. Der Sauerstoffgehalt im Werkstoff sank auf 0,02 Gew.-%. Bei den Elektroerosionsversuchen wurden folgende Resultate erhielt: Durchschnittsleistung 113mmVmin, relativer Verschleiß an den ersten vier Stufen 13%, mittlerer relativer Verschleiß an der vorletzten Stufe 3,6% und an der letzten Stufe 53%.

In allen Fällen war die Festigkeit der Werkzeugelektrode und ihre Lebensdauer wesentlich erhöht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   t. Verfahren zur Herstellung eines porösen Werkstoffs für Werkzeugelektroden zur elektroerosiven Metallbearbeitung, bei dem man ein Metallpulver in eine geschlossene Preßform füllt, diese auf eine Temperatur von 0,3 bis 0,5 der Schmelztemperatur des Metallpulvers erhitzt, wobei ein Reduktionsgas durch die Masse des in der Preßform befindlichen Pulvers gepumpt wird, diese Temperatur während einer Zeit hält, die zur vollständigen Reduktion der im Pulver enthaltenen Oxide erforderlich ist, die Preßform weiter auf eine Temperatur von 0,6 bis 0,9 der Schmelztemperatur des Metallpulvers erhitzt und sodann Preß-Dinck anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Reduktionsgases am Eintritt in die Preßform von etwa 1,2 bis etwa 1JS bar beträgt und daß die Gesamtmenge des Reduktionsgases, das in der Periode des Haltens bei einer Temperatur von 0^3 bis 04 der Schmelztemperatur des Pulvers durch die Masse des in der Preßform befindlichen Pulvers durchgepumpt wird, mindestens das Zweifache der stöchiometrischen Menge beträgt
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Reduktionsgases zur stöchiometrischen Menge desselben von etwa 2 bis etwa 20 beträgt
3. 3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsprodukte und der Oberschuß des Reduktionsgases unter vollständiger Isolie ung derselben vom Arbeitsraum der Heizkammer aus der Preßfom entfernt werden.
4. 4. Poröses Werkstück für eine Elektroerosions-Werkzeugelektrode, erhalten ^ach dem Verfahren gemäß Ansprüchen I bis 3, gekennzeichnet durch eine Porigkeit bis zu 15 bis 25% seines Volumens bei einer Porengröße von etwa 10 bis etwa 40 μτη und durch einen Sauerstoffgehalt von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 0,1 Gew.-%.
5. 5. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Kupfer besteht und Sauerstoff in einer Menge von 0,02 bis 0,05 Gew.-% enthält.