DE3043858C2

DE3043858C2 - Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze für Um- und Urformwerkzeuge

Info

Publication number: DE3043858C2
Application number: DE3043858A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. DDR 2060 Waren-Müritz Eberlein; Peter Dr.-Ing. Ruddeck
Original assignee: Veb Dieselmotorenwerk Rostock LLC
Current assignee: Veb Dieselmotorenwerk Rostock LLC
Priority date: 1980-01-03
Filing date: 1980-11-21
Publication date: 1983-11-10
Also published as: FR2473065A1; GB2066849A; DE3043858A1; NL8003076A; GB2066849B; DD155701A3; IT8049400A0; SU1301862A1; BG35849A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Mangan-Aluminium-Mehrstoffbronze für Um- und Urformwerkzeuge, insbesondere für Zieh-, Biege- und Spritzgußformwerkzeuge.

Beim Umformen von Blechen treten an den aktiv wirkenden Werkzeugteilen Reibungen auf. die zu einem hohen Verschleiß führen. Diese Verschleißerscheinungen können durch Schmiermittel. Beschichten der Bleche, Einlegen von Folien und den Einsatz von NE-Legierungen für die aktiven Werkzeugteile verringert werden.

Beim Umformen von rostfreien Blechen ergaben sich zusätzliche Schwierigkeiten in der Form, daß an den aktiv wirkenden Teilen der Umformwerkzeuge beim Verwenden bekannter Werkzeugstähle Kaltaufschweißungen auftraten. Diese Kaltaufschweißungcn führten zur Riefenbildung an den Umformtcilen und damit zu einer ständigen Qualitätsverschlcchterurig derselben, die bis zum Ausschuß führen kann.

Es wurde bereits vorgeschlagen, daß zur Beseitigung des Kaltaufschwcißcns Aluminium-Bronzen mit den Zusammensetzungen 8.5 bis 11.5% Al. bis 7,0% Fe. bis 1,0% Mn, bis 2.5% Si. bis 6,5% Ni. Rest Cu oder 8,0% Al. 13.0% Mn. 2,0% Fe. 2,5% Ni, Rest Cu eingesetzt werden, die jedoch den Nachteil haben, drß sie sehr hart und spröde und dadurch mechanisch schwer bearbeitbar sind. Des weiteren ist bei dieser Legierung zur Gewährleistung ihrer Bearbeitbarkeit eine Wärmebehandlung erforderlich. Weiterhin wirkt sich nachteilig aus, daß mit dieser Legierung nur geringe Standmengen realisiert werden können.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wurde auch schon vorgeschlagen, eine Cu-Ni-Mn-Legierung mit 20% Ni und 20% Mn bzw. 30"« Ni und 30% Mn einzusetzen.

Die NE-Legierungen Cu-Ni-Mn 20/20 und Cu-Ni-Mn 30/30 sind relativ gut mechanisch bearbeitbar, müssen jedoch ebenfalls nachträglich vor dem Einsatz als aktives Werkzeugteil wärmebehandelt werden, wobei eine maßlichc bzw. geometrische Veränderung dieser Teile nicht ausbleibt.

Mittels dieser Legierung lassen sich qualitativ gute Formteile herstellen, jedoch werden keine zufriedenstellenden Standmengen erreicht. Die Anfertigung der Aktivteile bedarf eines hohen Zerspannungsprozesses, da das Grundmaterial nur als Knetwerkstoff in Form von Platten bzw. Halbzeugen zur Verfügung gestellt werden kann.

Mit den bekannten Aluminium-Bronzen mit einem Al-Gehalt über 9% lassen sich qualitativ gute Um-

Hi formteile herstellen, jedoch befriedigen die möglichen Standmengen nicht. Weiterhin können die aktiven Werkzeugteile wegen ihrer hohen Festigkeit nur mittels Spezialmaschinen und Werkzeugen bearbeitet werden.

Auch wurde schon eine Kupfer-GuS-Legierung der Zusammensetzung 9,0 bis 13,0% Mn, 7,1 bis 12,0% Zn, 1,0 bis 3,0% Fe, bis 4,0% Ni, 4,5 bis 7.0% Al, 35 und mindestens 60,0% Cu vorgeschlagen

Diese Legierung läßt zwar eine normale Bearbeitung zu, aber aufgrund ihrer geringen Festigkeit und geringen Härte können mit ihr keine befriedigenden Standmengen erreicht werden. Diese Legierung eignet sich besonders für mechanisch und chemisch beanspruchte Teile wie beispielsweise Schiffsschrauben.

:5 Schiffbauteile und Pumpenteile.

Ein besonders störendes Element zur Erreichung der notwendigen hohen Zähigkeit dieser Legierung ist der Kohlenstoff, der deshalb auf 0,03% begrenzt wird.

Gegenüber von Biege- und Ziehwei-kzeugen werden Spezialformwerkzeuge der Umformtechnik vorwiegend aus Al-Werkstoffen hergestellt. Dieser Werkstoff hat ungünstige Verschleißwerte, die nur relativ niedrige Standzeilen zulassen. Erhöhte ökonomische Kosten einschließlich zusätzlicher Fertigungskapazitäten für die Herstellung von Ersatzwerkzeugen müssen dafür einkalkuliert werden.

Für den genannten Anwendungsbereich ist auch die Aluminium-Mchrstoffbronze »Inoxyda« [Techni-

M) sehe Rundschau Sulzer 3/1969, S. 117ΓΓ] bekannt. Diese Legierung besitzt eine hohe Festigkeit und Härte, was mit der nachstehenden chemischen Zusammensetzung erreicht wird: 0,5 bis 2,0% Mn, bis 5.0% Fe. bis 5,0% Ni, 9,0 bis 15,0% Al, Rest Cu.

Durch den recht hohen Anteil der Kappa-Phase im Gefüge beträgt die Dehnung dieser Legierung für Werkzeuge nur ca. 2%. Die Festigkeit ist groß wie auch die Kavitationsbeständigkeit besser ist als bei rostfreien 18/8-CrNi-Stählen und den 13%-Cr-Stählen. Auch zeigt sie ein gutes Gleh-Verschleißverhalten.

Als Nachteil ist jedoch festzustellen, daß der hohe Al-Gehalt insgesamt zu einer hohen Härte führt bzw. harte Stellen im Guß verursacht, der zu einem erhöh-

« ten Bearbeitungsaufwand (zusätzliches Weichglühen) führt. Außerdem sind die Gießeigenschaften bei dieser Legierung nicht günstig.

In den Mn-Al-Mehrstoffbronzen hat sich immer wieder gezeigt, daß die Zähigkeit durch schädliche

w) Beimengungen, wie Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel, unter technisch vertretbare Grenzen sinkt.

Für Umformwerkzeuge ist eine hohe Festigkeit neben einer gewissen Zähigkeit zur Erreichung hoher Standmengen notwendig. Das relativ teure Sparstoffelement Zinn erhöht bis I % Zugabe die Festigkeit der Legierung dieser Gattung, ohne die Dehnung wesentlich zu senken. Aber der hohe Preis und das geringe

Vorkommen verbietet den umfassenden Einsatz dieses Elementes.

Es ist das Ziel der Erfindung, die angeführten Mangel und Nachteile der bekannten Legierungen durch den Einsatz eines geeigneten Werkstoffs auszuschalten, d. h., vor allem sind die Zähigkeit, die Gießeigenschaft und die Bearbeitbarkeit wie z. B. erhöhte Zerspanbarkeit ohne zusätzliches Weichglühen der Werkzeuge zu verbessern. Ebenso soll eine nachträgliche Wärmebehandlung der fertigbearbeiteten Werkzeuge vermieden werden, um damit maßliche bzw. geometrische Veränderungen auszuschließen. Des weiteren ist die Legierung so zu gestalten, daß höhere Standmengen realisierbar sind, ohne daß eine Einschränkung hinsichtlich der Qualität des Umformbzw. Spritzgutes eintritt. Zu diesem Zweck ist gleichermaßen das Verschleißverhalten durch hohe Festigkeit, Härte und relativ hohe Zähigkeit der Legierung zu verbessern.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Legierung für Fertigungsrrüilsl der Um- und Urformtechnik, insbesondere für Zieh-, Biege- und Spritzgußformwerkzeuge auf der Basis einer Mn-AI-MehrstofT-bronze zu entwickeln, die vorzugsweise folgende Nachteile ausschließt:

- Hoher Zerspanungsaufwand durch Herausarbeitung der Formteile aus Halbzeugen

- Schwierige Bearbeitbarkeit bei Verwendung von Al-Legierungen mit einem Anteil von mehr als 9% Al bzw. hohem Ni- und Mn-Antcil

- Geringe Standmenge durch zu geringe Härte und Festigkeit bei Al-.\5iteilen unter 7%

- Kaltaufschweißung auf den aktiv wirkenden Werkzeugteilen während des Fektigun£,prozesses

- Riefenbildung auf dem Umformgut

- Notwendige Wärmebehandlung de-* aktiv wirkenden Werkzeugteile

- Zu geringe Dehnungswerte (= 2%)

- Schlechte Schmelz- und Gießeigenschaften

- Zu großer Anteil der Kappa-Phase im Gefüge

- Zu großer Cu-Anteil in der Zusammensetzung
Insbesondere sollen damit erreicht werden:

- Günstigere Gießbarkeit

- Gute Gleiteigenschaften

- Hohe Verschleißfestigkeit

- Gute Wärmeleitfähigkeit

- Große Standmenge

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Legierung eine Zusammensetzung von 9,0 bis 11,0% Mangan, 7,5 bis 10,0% Zink, 7,5 bis 9,0% Aluminium, 2,0 bis 4,0% Eisen, 1,5 bis 3,0% Nickel, 0,03 bis 0,2% Kohlenstoff, Rest Cu aufweist.

Bezogen auf die vorgeschlagene Legierungszusammensetzung ist festzustellen, daß der Kohlenstoff sich in das kristalline Gitter der Legierung als Einlagerungsmischkristall einlagert und damit die Gitterverspannung erhöht, ohne jedoch durch seine absolute Begrenzung die Zähigkeit erheblich zu verringern. Er fördert die martensitische Gefügeausbildung und führt zur Steigerung der Bruch- und Verschleißfestigkeiten. Der erhöhte C-Gehalt bewirkt außerdem, daß weniger reines und damit billigeres Ausgangsmaterial eingesetzt werden kann.
Ausfuhrungsbeispiel:

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung an mehreren Ausführungsvarianten nochmals verdeutlicht werden.

Lcgierungs-	15	Mechan. Eigen	Bruchfestig	Varianten	HI
element I	schaften (gemes	keit N/mm² 700-720	II	vorzugsw. f.
vorzugsw. f.	sen an Sandguß- I	^!5 Bruchdehnung	vorzugsw. f.	Tiefziehwerk
Spritzgußform-	^!0 proben) vorzugsw. Γ.	% 10- 8	Biegewerk	zeuge
5 werkzeuge	Spritzguß-	Härte HB 200-220	zeuge	10,5
Mn 11,0	fnrmwerk?	Wärmeleitfä	9,5	9,0
Zn 10,0	8,2	8,5
Al 7,5	7_V7	3,0
ίο Fe 3,5	2,2	2,0
Ni 2,0	L6	0.1
C 0,08	0,2	Rest
Cu Rest	Rest

Varianten
	III
II	vorzugsw. I.
vorzugsw. f.	Tiefziehwerk-
Biegewerk-	zeuee
7e«ge
	780-850
740-770
	8- 3
6- 4	200-300
210-240
	84 W/(mk)
higkeit 84W/(m-k) 84W/(m-k) m

Durch die Verwendung der vorgeschlagenen Mn-Al-Mehrstoffbronze für Zieh-, Biege- und Spritzformgußwerkzeuge der Um- und Urformtechnik ergeben sich folgende Vorteile:

- Herstellung von Werkzeugrohlingen im Gießverfahren gegenüber dem zerspanungsaufwendigen Herausarbeiten der Formteile aus Halbzeugen.

- Bearbeitung der Rohlinge mit nonrilen Werkzeugen und Maschinen ist möglich

- Wegfall der bisher notwendigen Wärmebehandlung der Aktivteile, Vermeidung maßlicher bzw. geometrischer Veränderungen durch eine nachträgliche Wärmebehandlung der Aktivteile.

- Mögliche Nachbearbeitung der Aktivteile zur Beseitigung geringer Verschleißerscheinungen

- Verlustarme Metallrückgewinnung durch sortenreines Wiedereinschmelzen nicht mehr gebrauchter

so Aktivteile und der bei der Bearbeitung anfallenden Späne

- Geringerer Kupfer-Anteil in der Zusammensetzung

- Einsatz von verunreinigtem und damit billigerem Einsatzmaterial

- Bessere Schmelz- und Gießeigenschaften des Materials

- Geringerer Kappa-Phasen-Anteil im Gefüge

- Hohe Zähigkeit (Bruchdehnung) des Werkstoffs und damit größere Verschleißfestigkeit in höheren Standmengen

- Gute Gleiteigenschaften

- Gute Wärmeleitfähigkeit

Die probeweise Verwendung der vorgeschlagenen

Legierung hat gezeigt, daß bei der Verarbeitung von

rostfreien Stahlformteilen für Waschmaschinen Standmengen von über 300 000 Stück erzielt werden können.

Claims

Patentanspruch:

Mangan-AIuminium-Mehrstoffbronze für Fertigungsmittel der Uniform- und Urformtechnik, insbesondere für Zieh-, Biege- und Spritzgußformwerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 9,0 bis 11,0% Mangan, 7,5 bis 10,0% Zink, 7,5 bis 9,0% Aluminium, 2,0 bis 4,0% Eisen, 1,5 bis 3,9% Nickel. 0,03 bis 0,2% Kohlenstoff und Kupfer als Rest besteht.