DE29807800U1 - Extrusion tool - Google Patents
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(54) Titel/Title:(54) Title:
Strangpreßwerkzeug,Extrusion tool,
(71) Anmelder/in / Applicant:(71) Applicant:
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Werkzeugfabrik Singen GmbH Gottlieb-Daimler-Str.Tool factory Singen GmbH Gottlieb-Daimler-Str.
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(74) Vertreter / Agent:(74) Representative / Agent:
Dipl.-Ing. Gerhard F. Hiebsch Dipl.-Ing. Dr. oec. Niels Behrmann Heinrich-Weber-PlatzDipl.-Ing. Gerhard F. Hiebsch Dipl.-Ing. Dr. oec. Niels Behrmann Heinrich-Weber-Platz
78224 Singen78224 Singen
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B O D E N S E E P A T E N T &phgr; LAKE CONSTANCE PATENT &phgr;
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strangpreßwerkzeug - insbesondere eine scheibenartige Preßmatrize mit zumindest einem Formgebungsdurchbruch zum Strangpressen von Metall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung -- aus einem Stahlwerkstoff mit Oberflächenbeschichtung.The present invention relates to an extrusion tool - in particular a disk-like pressing die with at least one forming opening for extruding metal such as aluminum or an aluminum alloy - made of a steel material with a surface coating.
Die Härte -- beispielsweise zum Herstellen von Aluminiumprofilen verwendeter -- herkömmlicher Preßwerkzeuge ist für den industriellen Einsatz oftmals :nicht ausreichend, um eine befriedigende Verschleißfestigkeit und damit wirtschaftlich sinnvolle Standzeiten zu erreichen. Aus diesem Grund werden solche Strangpreßwerkzeuge mit bekannten Härtungsverfahren gehärtet.The hardness of conventional pressing tools -- for example those used to produce aluminum profiles -- is often not sufficient for industrial use to achieve satisfactory wear resistance and thus economically viable service life. For this reason, such extrusion tools are hardened using known hardening processes.
Aus Warmarbeitsstählen hergestellte Strangpreßwerkzeuge werden gängigerweise nach der spanenden Fertigung auf etwa 46 bis 50 HRC gehärtet und dann durch Schleifen, Senk- und Drahterodieren fertiggestellt; üblicherweise erfolgt dann eine Erprobung des Werkzeuges im Aluminiumpreßwerk und -falls notwendig -- eine Korrektur. Ist dann ein Strangpreßwerkzeug preßfertig, wird es in der vorbeschriebenen Weise durch Nitrieren auf eine Oberflächenhärte von etwa 1000 HV gebracht; die Praxis hat gezeigt, daß dieser Härtewert im praktischen Einsatz einen hinreichenden Verschleißschutz bietet.Extrusion tools made from hot-work steels are usually hardened to around 46 to 50 HRC after machining and then finished by grinding, sinking and wire erosion; the tool is then usually tested in the aluminum press and - if necessary - corrected. Once an extrusion tool is ready for pressing, it is nitrided in the manner described above to a surface hardness of around 1000 HV; practice has shown that this hardness value offers sufficient wear protection in practical use.
Zu den bekannten Nitrierverfahren gehört das Salzbad-Nitrieren mit Hilfe von Zyanidsalzen. Edeses Verfahren bringt jedoch beträchtliche Umweltprobleme, so daß dessen industrielle Zukunft fraglich ist. Das Nitrieren mittels Gas besitzt den Nachteil, daß die entstehende Härtungsschicht relativ dick ist und dadurch nur eine begrenzte Zähigkeit besitzt. Schließlich gibt es die Möglichkeit des Plasma-Nitrierens, wobei dieses Verfahren sich jedoch ins-One of the well-known nitriding processes is salt bath nitriding using cyanide salts. However, this process causes considerable environmental problems, so that its industrial future is questionable. Nitriding using gas has the disadvantage that the resulting hardening layer is relatively thick and therefore has only limited toughness. Finally, there is the option of plasma nitriding, although this process is generally
besondere für Werkzeuge mit dünnen Schlitzen als Durchbrüchen nicht eignet.particularly not suitable for tools with thin slots as openings.
Den bekannten Härtungsverfahren durch Nitrieren ist zudem der Nachteil gemeinsam, daß mit zunehmender Temperatur die Härtungsschicht abdiffundiert; bei einer Temperatur von etwa 500° C ist beispielsweise eine durch Salzbad-Nitrieren erreichte Schicht nach etwa fünfzehn Stunden nicht mehr vorhanden.The known hardening processes by nitriding also have the disadvantage that the hardening layer diffuses away as the temperature increases; at a temperature of around 500° C, for example, a layer achieved by salt bath nitriding is no longer present after around fifteen hours.
Ist dann im Preßbetrieb die Nitrierschicht durch Diffusion verschwunden, muß der Preßvorgang unterbrochen werden; das Werkzeug wird freigebeizt, gereinigt und neu nitriert. Bei häufigem Nachnitrieren nahe der Anlaßtemperatur des verwendeten Stahles sinkt außerdem dessen Härte und Grundfestigkeit kontinuierlich ab, was zu vorzeitigem Ausfall führt. So liegt etwa bei dünnwandigen Werkzeugen die erreichbare Standzeit nur zwischen etwa 3 0 und 100 Pressungen, bevor ein erneutes -- kostenträchtiges -- Nachnitrieren notwendig wird.If the nitriding layer has disappeared through diffusion during pressing, the pressing process must be interrupted; the tool is pickled, cleaned and re-nitrided. With frequent re-nitriding close to the tempering temperature of the steel used, its hardness and basic strength also decrease continuously, which leads to premature failure. For example, with thin-walled tools, the achievable service life is only between about 30 and 100 pressings before another -- costly -- re-nitriding becomes necessary.
In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Strangpreßwerkzeug zu schaffen, mit dem nicht nur ein wirksamer und dauerhafter Verschleißschutz -- und mithin eine deutlich verlängerte Standzeit -erreicht wird, sondern auch eine gute Eignung insbesondere für dünnwandige Werkzeuge. Die Herstellung soll auf einfache Weise und ohne Belastung der Umwelt durchgeführt werden können.Knowing this state of the art, the inventor set himself the goal of creating an extrusion tool that not only provides effective and long-lasting wear protection - and thus a significantly longer service life - but is also particularly suitable for thin-walled tools. The production should be simple and without harming the environment.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Schutzanspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an.The doctrine of the independent protection claim leads to the solution of this problem; the subclaims indicate favorable further developments.
Erfindungsgemäß ist die Beschichtung des Strangpreßwerkzeuges aus einem Beschichtungswerkstoff gefertigt, der aus der Titankarbid, Titannitrid, Titanborid Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Kombinationen vonAccording to the invention, the coating of the extrusion tool is made of a coating material consisting of titanium carbide, titanium nitride, titanium boride, vanadium carbide, chromium carbide, aluminum oxide, silicon nitride and combinations of
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diesen enthaltenden Gruppe ausgewählt ist; dieser Beschichtungswerkstoff ist durch ein CVD-Gasabscheidungsverfahren auf die Oberfläche des Strangpreßwerkzeuges aufgebracht worden, dessen Grundwerkstoff vor allem ein verzugsarmer Warmarbeitsstahl ist.this coating material has been applied to the surface of the extrusion tool using a CVD gas deposition process, the base material of which is primarily a low-distortion hot-work steel.
Das thermisch aktivierte CVD-Verfahren -- Chemical Vapour Deposition -- ist an sich für das Herstellen von Einkristallen, das Imprägnieren von Fasergerüsten mit Kohlenstoff oder Keramiken sowie allgemein für das Abscheiden von dünnen Schichten -- sei es durch Aufwachsen oder durch Diffundieren von Boriden, Karbiden, Nitriden, Oxiden --bekannt .The thermally activated CVD process -- Chemical Vapour Deposition -- is known for the production of single crystals, the impregnation of fibre frameworks with carbon or ceramics and generally for the deposition of thin layers -- whether by growth or by diffusion of borides, carbides, nitrides, oxides.
Das Streßpreßwerkzeug wird durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt:The stress press tool is manufactured by a process with the following steps:
spanendes Formen des Strangpreßwerkzeuges aus einem Stahlwerkstoff in die gewünschte Gestaltung;
Härten und Fertigbearbeiten des Strangpreßwerkzeuges;
Beschichten des geformten Stahlwerkstoffes an vorbestimmten
Stellen mit wenigstens einem oben genannten Beschichtungswerkstoff mittels des sog. CVD-Verfahrens;
Härten des beschichteten Stahlwerkstoffes.machining the extrusion tool from a steel material into the desired shape;
Hardening and finishing of the extrusion tool;
Coating the shaped steel material at predetermined locations with at least one of the above-mentioned coating materials by means of the so-called CVD process; hardening the coated steel material.
Diese Vorgehensweise führt zu einer Verschleißschicht für das Strangpreßwerkzeug, die ohne weitere Nachbehandlungen die Standzeit des Werkzeugs selbst überdauert. Diese überraschende Eigenschaft entsteht dank der durch das CVD-Verfahren aufgebrachten Beschichtung, die bei Temperaturen von bevorzugt mehr als 1000° C aufgebracht wird; die herkömmlichen Härtungsverfahren bleiber, grundsätzlich unterhalb Temperaturen von etwa 500 bis 600° C, also der Anlaßgrenze des verwendeten Stahlwerkstoffes.This procedure results in a wear layer for the extrusion tool that outlasts the service life of the tool itself without any further post-treatment. This surprising property is created thanks to the coating applied using the CVD process, which is applied at temperatures of preferably more than 1000° C; conventional hardening processes generally remain below temperatures of around 500 to 600° C, i.e. the tempering limit of the steel material used.
Zwar erfordert das CVD-Beschichten das Härten des fertigen Werkzeuges nach dem Beschichtungsvorgang; jedoch durch genaue Kontrolle der Fließvorgänge in den Werkzeugen und dieAlthough CVD coating requires hardening of the finished tool after the coating process, by precisely controlling the flow processes in the tools and the
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erfindungsgemäße Auswahl besonders verzugsarmer Warmarbeitsstähle zur Realisierung der Erfindung wird in überraschender und nicht vorhersehbarer Weise diese Technologie beherrschbar und bringt herausragende Härte- sowie Verschleißfestigkeitseigenschaften .Inventive selection of particularly low-distortion hot-work steels to implement the invention, this technology becomes controllable in a surprising and unforeseeable way and brings outstanding hardness and wear resistance properties .
Für die Beschichtung eignen sich -- wie bereits erwähnt -in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung insbesondere Titankarbid, Titannitrid, Titanborid, Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid sowie Silziumnitrid; je nach Werkstoff lassen sich Mikrohärten zwischen HV = etwa 2 000 und HV = etwa 4 000 erreichen. Besonders Titankarbid oder Aluminiumoxid weisen -- mittels des CVD-Verfahrens aufgebracht -- herausragende Zähigkeitseigenschaften auf, während beispielsweise Chromkarbid in besonderem Maße widerstandsfähig gegen abrasiven Verschleiß und wenig anfällig für Risse oder Poren ist. Insbesondere auch Titankarbid zeichnet sich zudem durch vorteilhafte Reibungseigenschaften aus.As already mentioned, in an advantageous development of the invention, titanium carbide, titanium nitride, titanium boride, vanadium carbide, chromium carbide, aluminum oxide and silicon nitride are particularly suitable for the coating; depending on the material, microhardnesses between HV = about 2,000 and HV = about 4,000 can be achieved. Titanium carbide or aluminum oxide in particular - applied using the CVD process - have outstanding toughness properties, while chromium carbide, for example, is particularly resistant to abrasive wear and less susceptible to cracks or pores. Titanium carbide in particular is also characterized by advantageous friction properties.
Die direkte Abscheidung der genanntem Feststoffe aus der Gasphase bringt dem vorliegenden Anwendungsgebiet der Strangpreßmatrizen zahlreiche Vorteile, die neben Verschleißfestigkeit -- also lange Standzeit -- Härte und Zähigkeit bieten:The direct deposition of the above-mentioned solids from the gas phase brings numerous advantages to the current application area of the extrusion dies, which offer not only wear resistance - i.e. long service life - but also hardness and toughness:
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• genaue und gleichmäßige Beschichtung, selbst von Werkzeugen mit komplizierter Form; durch das CVD-Prozessen inhärente Streuvermögen ist es insbesondere möglich, mit hoher Genauigkeit eine gleichmäßige Beschichtung aufzubringen;• precise and uniform coating, even of tools with a complicated shape; the scattering power inherent in CVD processes makes it possible in particular to apply a uniform coating with high precision;
• günstiges Verhältnis von Fehlerquoten und Werkzeugqualität; durch das gut beherrschbare CVD-Verfahren besteht beim erfindungsgemäßen Herstellen und Beschichten der Strangpreßmatrize beträchtliche Prozeßsicherheit und gute Reproduzierbarkeit, so daß mit geringstem Ausschuß qualitativ äußerst hochwertige Werkzeuge herstellbar sind;• favorable ratio of error rates to tool quality; due to the easily controllable CVD process, the inventive manufacture and coating of the extrusion die provides considerable process reliability and good reproducibility, so that extremely high-quality tools can be manufactured with minimal waste;
• hohe Schichthaftung; dank des metallurgischen Charakters der Verbindung wird durch das CVD-Verfahren eine sehr gute Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung erreicht.• high layer adhesion; thanks to the metallurgical nature of the connection, the CVD process achieves a very good bond between the base material and the coating.
Für die erfindungsgemäßen Strangpreßmatrizen werden zähe, hochwarmfeste Stähle verwendet, die etwa mit Cr,Mo oder mit Wolfram legiert sind, und die beispielsweise durch ESU (Elektroschlacke-Umschmelzen) für hohe Zähigkeit erschmolzen sind.For the extrusion dies according to the invention, tough, high-temperature-resistant steels are used which are alloyed with Cr, Mo or tungsten, for example, and which are melted for high toughness by ESU (electroslag remelting), for example.
Die vorerwähnten Beschichtungsmaterialien, beliebige Kombinationen von diesen, auch mehrschichtig, oder aber alternative, geeignete Werkstoffe, werden dann mittels eines CVD-Prozesses bei Temperaturen zwischen etwa 700 und etwa 1050° C für eine Dauer zwischen 5 und 6 Stunden abgeschieden.The aforementioned coating materials, any combination of these, including multi-layered, or alternative, suitable materials, are then deposited using a CVD process at temperatures between about 700 and about 1050° C for a duration of between 5 and 6 hours.
Das so erzeugte Werkzeug wird nach diesem Beschichtungsvorgang erneut gehärtet.The tool produced in this way is hardened again after this coating process.
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Bevorzugt ist auch die verwendete Stahllegierung so gewählt, daß durch den mit dem CVD-Beschichtungsprozeß verbundenen Temperaturanstieg kein wesentlicher Verzug auftritt. Als zur Erfindung gehörig ist zudem anzusehen, daß ein allfälliger Verzug bereits bei der Konstruktion des Werkzeuges aufgrund des erwarteten Fließverhaltens des Werkstoffes einbezogen wird.Preferably, the steel alloy used is also selected so that no significant distortion occurs due to the temperature increase associated with the CVD coating process. It is also considered part of the invention that any distortion is already taken into account in the design of the tool due to the expected flow behavior of the material.
Entsprechendes gilt für das konkrete Strangpressen -- etwa von Aluminiumprofilen -- mit Hilfe eines derartigen, erfindungsgemäß hergestellten Werkzeuges. Hier ist es als von der Erfindung mitumfaßt anzusehen, daß auch das Fließverhalten des Aluminiums berücksichtigt wird und als solches in Gestaltung und Härtung der Strangpreßmatrize eingeht. Dabei ist es besonders bevorzugt, eine Berücksichtigung dieses Fließverhaltens im Wege einer voraufgehenden Simulationsrechnung vorzunehmen.The same applies to the actual extrusion -- for example of aluminum profiles -- using a tool of this kind manufactured according to the invention. Here, it is to be regarded as part of the invention that the flow behavior of the aluminum is also taken into account and as such is included in the design and hardening of the extrusion die. It is particularly preferred to take this flow behavior into account by means of a preliminary simulation calculation.
Im Ergebnis wird dann nicht nur eine beträchtlich erhöhte Standzeit erreicht; auch eine Wartung der Werkzeuge, wie eingangs geschrieben, ist praktisch nicht mehr notwendig. Darüber hinaus wird vorteilhaft durch die mittels des erfindungsgemäßen CVD-Verfahrens aufgebrachten Beschichtungswerkstoff e eine geringere Reibung erreicht, wodurch die Verarbeitungs- bzw. Preßgeschwindigkeit der Strangpreßmatrize wird und eine bessere Profilqua.lität möglich wird.As a result, not only is a significantly increased service life achieved, but maintenance of the tools, as mentioned above, is practically no longer necessary. In addition, the coating materials applied using the CVD process according to the invention advantageously achieve lower friction, which increases the processing or pressing speed of the extrusion die and enables better profile quality.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; deren einzige Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung 10 zum Strangpressen von Profilen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment and from the drawing; the only figure of which shows a schematic longitudinal section through a device 10 for extruding profiles.
Eine Anlage zum Verarbeiten eines· Preßbolzens 12 aus Leichtmetall -- insbesondere aus einer Aluminiumlegierung - weist an einer ansonsten nicht dargestellten Presse einen Preßstempel 14 mit Preßscheibe 16 auf, der in Preßrichtung &khgr; in den Preßkanal 18 eines Rezipienten oder Aufnehmers 20 eingeschoben ist.A system for processing a pressing billet 12 made of light metal -- in particular of an aluminum alloy - has a pressing ram 14 with a pressing disk 16 on a press (not otherwise shown), which is inserted in the pressing direction x into the pressing channel 18 of a recipient or receiver 20.
An der stempelfernen Mündung 15 des Preßkanals 14 findet sich in einem Werkzeughalter 22 ein Kammerwerkzeug 24 mit Werkzeugkragen 26 sowie einer in Preßrichtung &khgr; anschließenden -- etwa scheibenartigen -- Matrize 28. Letztee enthält einen zentrischen Formdurchbruch 30, der in Längsachse M der Vorrichtung 10 angeordnet ist und das freie Formende eines Dornes 32 aufnimmt.At the mouth 15 of the press channel 14 remote from the punch, there is a chamber tool 24 with a tool collar 26 and a matrix 28 - approximately disk-like - which adjoins it in the pressing direction x. The matrix contains a central mold opening 30 which is arranged in the longitudinal axis M of the device 10 and receives the free mold end of a mandrel 32.
An die freie Matrizenstirn 29 schließt in Preßrichtung &khgr; ein von einem Umfangsring 34 umgebener Zwischenring 36 an, zwischen dem und einem Querhaupt 40 eine Druckplatte 3 8 vorgesehen ist. Das in jenem Formdurchbruch 3 0 entstandene in der Zeichnung vernachlässigte -- Strangpreßprofil wird durch zentrische Durchbrüche 35,37,39 in dem Zwischenring 36 der Druckplatte 38 und dem Querhaupt 40 abgezogen.An intermediate ring 36 surrounded by a circumferential ring 34 is connected to the free die face 29 in the pressing direction x, between which and a crosshead 40 a pressure plate 38 is provided. The extruded profile created in that mold opening 30 - neglected in the drawing - is drawn off through central openings 35, 37, 39 in the intermediate ring 36 of the pressure plate 38 and the crosshead 40.
Das Werkzeug 24,28,32 ist aus einem verzugsarmen Warmarbeitsstahl geformt sowie mit einer -- nach dessen spanabhebender Bearbeitung -- mit einer in der Zeichnung nicht erkennbaren Verschleißschicht versehen; dies erfolgt durch das an sich bekannte (Chemical Vapour Deposition) CVD-Verfahren bei über 10000C. Das Werkzeug 24,28,32 wird zum Beschichten auf etwa 10000C erwärmt und dann mit Titan-, Vanadium- oder Chromcarbid, mit Aluminiumoxid, Titan- oder Siliziumnitrid beschichtet.The tool 24,28,32 is formed from a low-distortion hot-work steel and - after machining - is provided with a wear layer that is not visible in the drawing; this is done by the known (Chemical Vapor Deposition) CVD process at over 1000 0 C. The tool 24,28,32 is heated to about 1000 0 C for coating and then coated with titanium, vanadium or chromium carbide, with aluminum oxide, titanium or silicon nitride.
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Als CVD-Reaktionen werden chemische Reaktionen bezeichnet, bei denen die Ausgangsprodukte als Gase oder Dämpfe vorliegen,
das Hauptprodukt als Festkörper ausgeschieden wird und die Nebenprodukte gasförmig sind. Beispielhaft sei hier die
Bruttoreaktionsgleichung für Titannitrid nach dem Hochtemperatur-CVD-Verfahren
dargestellt, worin
(g) = gasförmig sowie (s) = fest:CVD reactions are chemical reactions in which the starting products are present as gases or vapors, the main product is precipitated as a solid and the byproducts are gaseous. As an example, the overall reaction equation for titanium nitride according to the high-temperature CVD process is shown here, in which
(g) = gaseous and (s) = solid:
H2 H2
TiCl4 (g) + 1/2N2 (g) + 2 H2 (g) -> TiN(s) + 4HCl (g)TiCl 4 (g) + 1/2N 2 (g) + 2 H 2 (g) -> TiN(s) + 4HCl (g)
850-10000C.850-1000 0C .
Dabei wird das reduzierende Trägergas (H2) im Überschuß zugegeben .The reducing carrier gas (H 2 ) is added in excess.
Anschließend erfolgt ein Härten des Grundwerkstoffes, nämlich das Abschrecken des Werkzeugstahles und dessen Anlassen, um hohe Härte zu erzielen.The base material is then hardened, namely quenching the tool steel and tempering it in order to achieve high hardness.
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