DE2744033C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum isothermen Schmieden eines kompliziert geformten Werkstücks aus einem schwer umformbaren Werkstoff wie einer Titanlegierung oder einer Superlegierung mit einer Vorrichtung zum induktiven Beheizen, bestehend aus zwei Gesenkhälften. Sie betrifft ferner ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Werkzeuge zum isothermen Schmieden dienen zur verhältnis­ mäßig langsamen plastischen Verformung von Werkstoffen im Temperaturbereich der Superplastizität. Dabei wird das Werkzeug praktisch der gleichen hohen Arbeitstemperatur wie das zu verformende Werkstück ausgesetzt und es muß in allen Fällen für eine gleichmäßige Durchwärmung sowohl des ersteren wie des letzteren gesorgt werden. Zur Erwärmung des Werkzeuges und teilweise auch des Werkstückes sowie zur Konstanthaltung der Arbeitstemperatur werden üblicher­ weise induktive Heizvorrichtungen eingesetzt. Die Ausführung der Werkzeuge erfolgte bisher derart, daß die beiden Gesenk­ hälften je aus einem Stück aus einer Hochtemperaturlegierung auf Molybdän- oder Nickelbasis hergestellt wurden. Die oftmals komplizierten Formen mußten meist unter Zuhilfenahme der Elektroerosion aus dem vollen aus dem Werkzeugrohling heraus­ gearbeitet werden.

Derartige Vorrichtungen zum isothermen Schmieden sind aus Veröffentlichungen bekannt (z. B. D. J. Abson, F. J. Gurney, "Heated dies for forging and friction studies on a modified hydraulic forge press", Metals and Materials, Dezember 1973; GB Patent 699 687, US Pat. 36 98 219).

Nach herkömmlicher Art hergestellte einteilige Werkzeuge zum isothermen Schmieden sind teuer, da sie einen hohen Materialaufwand an zum Teil schwer bearbeitbarer Hochtem­ peraturlegierung bedingen. Komplizierte Formen mit tiefen Nuten, kleinen Krümmungsradien sowie scharfkantigen und einspringenden Ecken lassen sich nach den üblichen mecha­ nischen Bearbeitungsmethoden nicht herstellen und es müssen sehr teure Verfahren, wie beispielsweise Elektroerosion herangezogen werden. Zudem lassen sich durch lokale Ver­ schweißungen zwischen Werkstück und Gesenk unbrauchbar gewordene Werkzeuge zufolge behinderter Zugänglichkeit zur angefressenen Stelle nur mit hohen Kosten und oft gar nicht reparieren. Der Totalverlust eines ganzen Werkzeuges stellt in solchen Fällen einen wesentlichen mitbestimmenden Kosten­ faktor für die Produktion komplizierter Erzeugnisse dar.

Beim Strangpressen werden unter anderem geteilte, in einem Halter gefaßte Matrizen verwendet. Bekanntlich ist der Verschleiß beim Strangpressen besonders hoch, weshalb sich die Öffnungen der Matrizen aufweiten und diese wegen Quer­ schnittsüberschreitung der zu pressenden Profile unbrauch­ bar werden. Dem kann durch geteilte Matrizen, die ein "Nach­ setzen" ermöglichen, begegnet werden (vgl. TZ. f. prakt. Metallbearbeitung 1972, H.8.5.334).

Aus Gründen der Material­ ersparnis werden manchmal geteilte Gesenke oder Matrizen vorgeschlagen, wobei die nicht dem Verschleiß unterworfenen Teile aus billigeren Werkstoffen hergestellt werden (vgl. The Iron Age, 13. Okt. 1955, S. 102-104 und DE-AS 12 93 123). Dabei werden derartige mehrteilige Werkzeuge in der Regel gekühlt und erreichen nicht im entferntesten die Temperatur des umzuformenden Werkstücks. Es treten beträchtliche Tempe­ raturgefälle zwischen den vom heißen Werkstück berührten Flächen und den verhältnismäßig kalten Einspannstellen ein.

Beim isothermen Schmieden ist zu beachten, daß der im super­ plastischen Zustand vorliegende Werkstoff das Werkzeug ver­ gleichsweise lange, d. h. über Zeitdauer von Minuten oder gar Stunden beansprucht, wobei er die Tendenz zeigt, in feine Ritzen und Fugen einzudringen und das Werkzeug örtlich zu sprengen. Die Herstellung eines Gesenks für iso­ thermes Schmieden stellt daher unvergleichlich höhere Anfor­ derungen an den Konstrukteur als ein Werkzeug - ob geteilt oder ungeteilt - für gewöhnliches Schmieden oder für Strang­ pressen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum isothermen Schmieden eines kompliziert geformten Werkstücks aus einem schwer umformbaren Werkstoff wie einer Titanlegierung oder einer Superlegierung anzugen, welches sich unter Vermeidung hoher Material- und Bearbeitungskosten selbst bei Ausführung komplizierter Formen auf einfache Weise mittels herkömmlicher Verfahren herstellen läßt. Das Werkzeug soll eine hohe Standzeit besitzen, sich mit einfachen Mitteln unterhalten und instandstellen lassen und eine möglichst hohe Gesamtlebensdauer besitzen. Ferner soll sich das Werk­ zeug im Betrieb mittels induktiver Heizung möglichst rasch und gleichmäßig in allen Querschnitten auf die Arbeits­ temperatur bringen und auf derselben absolut konstant halten lassen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß im Werkzeug der eingangs definierten Art mindestens die kompliziert geformte Gesenkhälfte aus einzelnen sektorartigen Stücken von gleicher oder unterschiedlicher Form mit radial oder schief oder bogenförmig verlaufenden Flanken und einem diese Stücke zusammenhaltenden Ring zusammengesetzt ist, und daß mindestens die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten einzelnen sektorartigen Stücke an ihren Berührungsflächen oder allseitig mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht aus Al₂O₃, MgO, SiO₂, CeO₂ oder Y₂O₃ oder Mischungen von mindestens zweien der vorgenannten Stoffe mit einer Dicke von 0,01 bis 500 µm versehen sind.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bestehen die mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehenen, dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten Bauelemente aus einem Werkstoff höherer Warmfestigkeit und höheren Verschleiß­ wiederstandes als die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauteile.

Der der Erfindung zugrunde liegende maßgebende Leitgedanke besteht darin, das Werkzeug in einzelnen, leicht bearbeit­ baren Teilen auszuführen, wobei der Werkstoff den jeweiligen Arbeitsbedingungen optimal angepaßt werden kann, und die einzelnen Bauteile mit einer Isolierschicht zu versehen, so daß bei der induktiven Erwärmung keine Gefahr der ört­ lichen Verschweißung und damit der ungleichmäßigen Tempe­ raturverteilung besteht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend zum Teil durch Figuren näher erläuterten Aus­ führungsbeispielen. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine radial unterteilte Gesenkhälfte,

Fig. 2 einen Grundriß und Teil-Querschnitt durch eine radial unterteilte Gesenkhälfte,

Fig. 3 den Grundriß einer schiefwinklig unterteilten Gesenk­ hälfte,

Fig. 4 den Grundriß einer bogenförmig unterteilten Gesenk­ hälfte,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine obere und eine untere Gesenkhälfte und

Fig. 6 die perspektivische Darstellung eines sektorförmigen einzelnen Bauelements einer unterteilten Gesenkhälfte.

In Fig. 1 ist in schematischer Form der Längsschnitt durch eine radial unterteilte Gesenkhälfte dargestellt. Dabei kann diese Gesenkhälfte sowohl als Ober- wie als Unterge­ senk Verwendung finden. Als Beispiel für das Werkstück ist ein zentralsymmetrischer, radial angeordnete Rippen auf­ weisender Körper (Verdichterrad) gewählt. Die aus einzelnen Sektoren 2 bestehenden hochwarmfesten und verschleißfesten Bauteile, welche in Arbeitsstellung dem zu schmiedenden Werk­ stück direkt zugewandt sind, weisen an ihren Flanken Kehlen auf, so daß zwei benachbarte Sektoren 2 je eine radial stehende Nut bilden. Die Sektoren 2 sind allseitig mit einer Isolierschicht 3 versehen, so daß sie untereinander keinen elektrischen Kontakt haben. Die Gesamtheit der Sektoren 2 wird durch einen Ring 1 zusammengehalten. Die Isolier­ schicht 3 kann auch auf die Berührungsflächen der Sektoren 2 unter sich und diejenigen mit dem Ring 1 beschränkt sein. Bedingung ist lediglich, daß jeder Sektor während des Ar­ beitsvorganges durch induzierte Ströme für sich erwärmt wird und sich keine schädlichen Brücken, die zu Verschweißungen führen können, zwischen benachbarten Bauteilen des Werkzeuges oder Bauteilen und dem Werkstück bilden. Solche Verschweißungen würden zu einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkzeuges und mittelbar auch des Werkstückes führen. Ein Anfressen des Werkstückes während des Schmiedens muß unter allen Umständen vermieden werden.

Fig. 2 stellt den der Fig. 1 entsprechenden Grundriß mit einem als Teil-Querschnitt gezeichneten Ausschnitt dar. 4 ist die radiale Berührungsfläche benachbarter Sektoren 2. Die übrigen Bezugszeichen können der Fig. 1 entnommen werden. Es versteht sich von selbst, daß die Sektoren 2 unter sich nicht identisch zu sein brauchen und beispielsweise auch unterschiedliche Zentriwinkel aufweisen können. Die radialen Berührungsflächen 4 können auch in axialer Richtung gestuft ausgeführt sein, so daß sich in tangentialer Richtung eine Überlappung benachbarter Sektoren 2 ergibt. In jedem Fall kann die Unterteilung der Gesenkhälfte beliebig sein und läßt sich der Gesenkform des Werkstückes optimal anpassen.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen je einen Grundriß von weiteren Ausführungsbeispielen der geteilten Gesenkhälfte. Die Sektoren 2 haben schief gestellte bzw. bogenförmig verlaufende Flanken, wodurch sich ebensolche Berührungsflächen 4 bzw. 5 ergeben. Derartige Formen kommen beispielsweise bei Turbinen- und Verdichterrädern mit nicht radial verlaufenden Schaufeln vor. Sie lassen sich auf einfache Weise auf Ko­ pierfräsmaschinen und Profilschleifmaschinen herstellen. Ein besonderer Vorteil nicht radial stehender Berührungsflächen benachbarter Sektoren 2 besteht darin, daß sie sich bei unterschiedlicher Wärmedehnung freier bewegen können, ohne zu klemmen.

In Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch eine obere und eine untere Gesenkhälfte dargestellt. Die obere Gesenkhälfte, welche die kompliziertere Negativform eines Verdichterrades darstellt, ist sowohl in radialer wie in axial fortschreitender Richtung mehrfach unterteilt. Die Sektoren 2 werden am äußeren Unfang durch den Ring 1 zusammengehalten, während die Nabenpartie durch die Hülse 7 und den Auswerfer 8 begrenzt wird. Der in axialer Richtung anschließende, nicht näher bezeichnete Gesenkträger ist ebenfalls unterteilt, wobei in Anbetracht der erforderlichen Wärmedämmung verschiedene, in diesem Zusammenhang nicht näher interessierende Werkstoffe Verwendung finden. Entsprechend der einfachen ebenen Begren­ zungsfläche des Werkstückes besteht die untere Gesenkhälfte 9 aus einem einzigen Stück, das sich auf den Stempel 10 ab­ stützt. Selbstverständlich kann nach Bedarf die untere Gesenk­ hälfte ebenfalls geteilt ausgeführt sein.

In Fig. 6 ist ein sektorförmiges einzelnes Bauelement ent­ sprechend der unterteilten Gesenkhälfte nach Fig. 5 per­ spektivisch dargestellt. An der Flanke geht die radial stehende ebene Berührungsfläche 4 in die profilierte Schaufelfläche 11 (Negativform) des Verdichterrades über. Je zwei derartige Flächen 11 von benachbarten Sektoren 2 bilden die Nut, in welche das Material des Werkstückes beim Schmiedevorgang fließt.

Die elektrisch isolierende Schicht 3 besteht in allen Fällen vorzugsweise aus den Oxyden des Aluminiums, Magnesiums, Siliziums, Cers oder Yttriums oder aus Mischungen mindestens zweier der vorgenannten Oxyde und weist eine Dicke von 0,01 bis 500 µm auf. Die Isolierschicht 3 kann durch Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Kathodenzerstäubung auf das einzelne Bauelement (beispielsweise Sektor 2) aufgebracht sein.

Im Falle daß der Ring 1 ebenfalls zum formgebenden Teil des Gesenks gehört (im Gegensatz zu Fig. 1 und Fig. 5), wird er vorzugsweise aus dem gleichen Material angefertigt wie die Sektoren 2, so daß alle Bauelemente aus einem einheit­ lichen Werkstoff bestehen. Ist jedoch das Gesenk von kompli­ zierter Form und besteht eine Aufgabentrennung zwischen eigentlich formgebenden und bloß der Halterung dienenden Bauelementen, so wird in vorteilhafter Weise für die ersteren ein Werkstoff höherer Warmfestigkeit und höheren Verschleiß­ wiederstandes gewählt als für die dem zu schmiedenden Werk­ stück abgewandten Bauelemente.

Die thermisch-mechanisch höchstbeanspruchten Bauelemente werden vorzugsweise aus Molybdänlegierungen des Typs TZM hergestellt. Derartige Legierungen enthalten meistens 0,4- 0,55% Ti, 0,06-0,12% Zr und 0,01-0,04% C, Rest Mo. Auch Legierungen mit höherem Titangehalt können Verwendung finden wie beispielsweise 1,0-1,4% Ti, 0,25-0,35% Zr und 0,07-0,13% C, Rest Mo. Ferner eignet sich dazu eine Legierung mit 1,0-1,12% Hf, 0,06-0,0675% C, Rest Mo. Da Molybdän bei höheren Temperaturen stärker zu Oxydation neigt, kommen derartige Werkzeuge durchweg in sauerstoff­ armer oder -freier Atmosphäre zur Verwendung. Bevorzugt wird Argon als Schutzgas eingesetzt.

Für die hochbeanspruchten Bauelemente des Werkzeuges werden nebst TZM des niedrigeren Preises wegen außerdem bevorzugt Nickellegierungen hoher Dauerstandfestigkeit und Lebens­ dauer verwendet. Derartige Nickellegierungen vom Typ IN 100 oder 713 LC haben beispielsweise folgende Zusammensetzungen:

 0,18%C 10,0%Cr  3,0%Mo 15,0%Co  4,7%Ti  5,5%Al  0,014%B  0,06%Zr  1,0%V Rest Ni

 0,05%C 12,0%Cr  4,5%Mo  2,0%Nb  0,6%Ti  5,9%Al  0,01%B  0,1%Zr Rest Ni

Für die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauele­ mente der Gesenke, welche geringerem Verschleiß und auch geringerer spezifischen mechanischen Beanspruchung unter­ worfen sind, werden für höhere Ansprüche vorzugsweise Nickel­ legierungen des Typs Ni 115 oder Inc 625 folgender Zusammen­ setzungen eingesetzt:

 0,15%C 15%Cr 15%Co  3,5%Mo  4,0%Ti  5,0%Al Rest Ni

 0,05%C  0,15%Mn  0,3%Si 22%Cr  9%Mo  4%Nb  3%Fe  0,2%Ti  0,2%Al Rest Ni

Beispiel für das Herstellungsverfahren

Ein der Fig. 5 eintsprechendes Gesenk zum isothermen Schmieden eines Verdichterrades aus einer Titanlegierung des Typs Ti 6 Al 4V wurde wie folgt hergestellt:
Für sämtliche Bauelemente des Gesenkoberteils, welche hohen thermo-mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wurde eine Molybdänlegierung des Typs TZM folgender Zusammensetzung gewählt:

0,5%Ti 0,08%Zr 0,02%C Rest Mo

Der Ring 1 und die Hülse 7 wurden durch Drehen, die Sektoren 2 durch Drehen und Fräsen bearbeitet. Insbesondere die pro­ filierte Schaufelfläche 11 (Fig. 6) wurde durch Kopierfräsen hergestellt. Die Sektoren 2 wiesen radial stehende Berührungs­ flächen 4 (Fig. 2 und Fig. 6) auf. Nach der Feinbearbeitung wurden die Oberflächen der Bauelemente poliert und anschließend unter Alkohol in einem Ultraschallbad entfettet und gereinigt. Die zu isolierenden, mit den Sektorflächen in Berührung stehenden Oberflächen des Ringes 1 und der Hülse 7 sowie die gesamte Oberfläche der Sektoren 2 wurden hierauf mit einer Isolierschicht 3 (Fig. 1 und Fig. 2) versehen. Dieser Verfahrensschritt wurde mittels Kathodenzerstäubung von Aluminiumoxyd durchgeführt. Ein Target aus hochreinem, 99,98 prozentigem Al₂O₃ mit einer Dichte von 98% des theoretischen Wertes wurde in einer Kathodenzerstäubungsanlage unter Argon­ atmosphäre und einem Druck von 10^-4 Torr bei einer Leistungs­ dichte von 0,17 kW/cm² Targetfläche zerstäubt. Der Abstand der Oberfläche des zu beschichtenden Bauelementes vom Target betrug 30 cm. Nach einer Stunde betrug die Dicke der aufge­ brachten Al₂O₃-Isolierschicht 3 0,1 µm. Auf diese Art und Weise lassen sich auch größere Schichtdicken, beispiels­ weise 1 µm erzielen, was eine Zerstäubungsdauer von 10 Stunden erfordert. Die erforderliche Schichtdicke hängt von der Form und Fertigungsgenauigkeit sowie der erzielbaren Ober­ flächengüte der einzelnen Bauelemente des Gesenkes ab. Nach Beendigung des Aufbringens der Isolierschicht 3 waren die einzelnen Teile ohne weitere Oberflächenbearbeitung zum Zusammenbau und zum Einsatz des Werkzeuges bereit.

Die Formen des Werkzeuges sind nicht auf die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es versteht sich von selbst, daß auch Gesenke anderer Geo­ metrie auf diesem Prinzip aufgebaut sein können. Insbesondere sind auch Werkzeuge mit quadratischem, rechteckigem, sechseckigem und achteckigem Umriß ausführbar. Zudem braucht das zu schmiedende Erzeugnis nicht zetralsymmetrisch zu sein.

Das Werkzeug kann grundsätzlich für alle metallischen Werk­ stoffe, welche einen superplastischen Zustand und Tempe­ raturbereich aufweisen und sich wirtschaftlich isotherm verformen lassen, Verwendung finden. Dies gilt in ganz besonderem Maße für schwer umformbare Werkstoffe wie Titanlegie­ rungen, ferner für warmfeste Nickellegierungen (Superlegie­ rungen).

Durch das erfindungsgemäße neue Werkzeug zum isothermen Schmieden komplizierter Werkstücke aus schwer umformbaren Werkstoffen wurden Mittel zur Warmverformung von metallischen Werkstoffen geschaffen, welche allen Forderungen der indu­ striellen Praxis weitestgehend nachkommen. Durch optimale Unterteilung der Gesenkhälften, sinngemäße Abstufung der für die einzelnen Bauelemente erforderlichen Werkstoffe und Aufbringung einer elektrisch isolierenden Schicht auf die Oberfläche derselben ist eine gleichmäßige Durchwär­ mung sowohl des Werkzeuges wie des Werkstückes gewärleistet. Der erfindungsgemäße Aufbau des Werkzeuges bürgt für kostensparende, einfache Herstellung, Vermeidung von zerstörenden Verschweißungen und Anfressungen benachbarter Werkzeugteile im Betrieb, einfachen Unterhalt, wirtschaft­ liche Instandsetzung, hohe Standzeit und lange Lebensdauer.

Claims (3)

1. Werkzeug zum isothermen Schmieden eines kompliziert ge­ formten Werkstücks aus einem schwer umformbaren Werk­ stoff wie einer Titanlegierung oder einer Superlegierung mit einer Vorrichtung zum induktiven Beheizen, bestehend aus zwei Gesenkhälften, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die kompliziert geformte Gesenkhälfte aus einzelnen sektorartigen Stücken von gleicher oder unter­ schiedlicher Form mit radial oder schief oder bogenförmig verlaufenden Flanken und einem diese Stücke zusammen­ haltenden Ring zusammengesetzt ist, und daß mindestens die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten einzelnen sektorartigen Stücke an ihren Berührungsflächen oder allseitig mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht aus Al₂O₃, MgO, SiO₂, CeO₂ oder Y₂O₃ oder Mischungen von mindestens zweien der vorgenannten Stoffe mit einer Dicke von 0,01 bis 500 µm versehen sind.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten sektor­ artigen Stücke der unterteilten Gesenkhälfte aus einem Werkstoff höherer Warmfestigkeit und höheren Verschleiß­ widerstandes als die dem zu schmiedenden Werkstücke abge­ wandten Teile bestehen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges nach Anspruch 1, wobei die Teile der Gesenkhälften durch Gießen und/oder Schmieden in die rohe Gestalt gebracht und durch mechanische Bearbeitung in die endgültige Form übergeführt und zusätzlich die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten sektor­ artigen Stücke einzeln einer Feinbearbeitung durch Schleifen und/oder Polieren unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die sektorartigen Stücke daraufhin mit einer elek­ trischen Isolierschicht aus Al₂O₃, MgO, SiO₂, CeO₂ oder Y₂O₃ von 0,01 µm bis 50 µm Dicke mittels Kathodenzer­ stäubung oder von 20 µm bis 500 µm Dicke mittels Plasma­ spritzen oder Flammspritzen versehen werden.