DE3335724C2 - Verfahren zum Borieren von Werkzeugen und Anwendung des Verfahrens auf austenitische Werkzeuge sowie Anwendung der Werkzeuge für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern - Google Patents

Verfahren zum Borieren von Werkzeugen und Anwendung des Verfahrens auf austenitische Werkzeuge sowie Anwendung der Werkzeuge für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern

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DE3335724C2 DE19833335724 DE3335724A DE3335724C2 DE 3335724 C2 DE3335724 C2 DE 3335724C2 DE 19833335724 DE19833335724 DE 19833335724 DE 3335724 A DE3335724 A DE 3335724A DE 3335724 C2 DE3335724 C2 DE 3335724C2
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Description

a) der Borierpaste werden vor der Beschichtung des Werkzeugs 1 bis 10 Gewichtsprozent Kupferpulver — bezogen auf die wasserfreien Anteile der Paste — mit einer Partikelgröße, die überwiegend unter 30 μπι liegt, zugesetzt und das Gemisch wird innig gerührt,
b) die derart mit Kupferpulver versetzte Borierpaste wird durch Änderung des Wassergehaltes auf eine Viskosität zwischen 103 und IO4 Pa ■ see eingestellt, und
c) die Wärmebehandlung wird unter Inertgasatmosphäre in einem einzigen Schritt und ohne Zwischenkühlung bei Temperaturen zwischen 8000C und 10000C durchgeführt, bis eine einphasige Schicht aus Fe;B mit einer Dicke zwischen 15 und 50 μπι erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Borarpasu mit 2 bis 5 Gewichtsprozent Kupferpulver, bezogen auf die wasserfreien Anteile der Paste, verwendet wi J.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entfettungsvorbehandiung bei gleichzeitiger Ultraschallbehandlung durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung 2 bis 4 Stunden durchgeführt wird.
5. Anwendung des Verfahrens nach Patenten spruch 1 auf einen austenitischen Werkzeugstahl, der nach dem Boriervorgang mittels eines Argon-Stroms abgekühlt wird.
6. Anwendung der nach den Patentansprüchen 1 bis 4 hergestellten borierten Werkzeuge aus Eisen und Eisenlegierungen mit einer rissefreien einphasigen Oberflächenschicht aus Fe2B für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren dieser Gattung, also zum Borieren von Werkzeugen für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern, anzugeben, durch das unabhängig vom Grundwerkstoff rissefreie, einphasige und weniger spröde Schichten aus FejB erzeugt werden können.
Durch das »Merkblatt 446« der Beratungsstelle für Siiihlverwciidung in Düsseldorf, I.Auflage 1979, ist es bekannt, Hiirtc und Verschleißfestigkeit der Oberflächen von Werkzeugen aus Eisenwerkstoffen durch Borieren zu erhöhen, so daß die Standzeiten derartiger Werkzeuge verlängert und die Ausfallzeiten der mit den Werkzeugen ausgestatteten Maschinen verringert werden können. Beim Borieren bilden sich üblicherweise zweiphasige Schichten aus FeB und Fe2B, wobei FeB einen etwa dreifach größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zudem auch noch stark von demjenigen des Grundwerks'offs abweicht. Es heißt zwar, daß eine Rißbildung in dünnen einphasigen Boridschichten aus Fe2B weitgehend unterbleiben wird, jedoch hat die Erfahrung gezeigt, daß eine RiPbildung eben doch auftritt
ίο Bei den meisten Werkzeugen, insbesondere bei solchen für die Metallbearbeitung, sowie bei Maschinenteilen ist eine Rissebildung jedoch nicht störend. Es ist sogar bekannt, daß sich in derartigen Oberflächenrissen Schmiermittel sammelt welches die Standzeit derartiger Schichten noch weiter erhöht
Unter den Borierungsmitteln haben sich solche auf der Basis von Borcarbid B4C als einzige durchgesetzt Übliche Borierungsmittel bestehen daher aus dem genannten Borcarbid als Borspender, aus Kaliumfluoroborat (KBF4) als Aktivator und aus Siliciumcarbid zur Regulierung des Borangebots.
Durch den Aufsatz von Matuschka »Borieren mit pulver- und pastenförmigen Boriermitteln — Stand der Technik«, veröffentlich in »Werkstoffe und ihre Veredelung«, 1981, Heft 5, Seiten 205 bis 209, ist es weiterhin bekannt, pastenförmige Boriermittel einzusetzen, die durch Veränderung des Wassergehalts in ihrer Viskosität einstellbar sind. Es wird auch angegeben, daß für gute Boridschichtqualitäten metallisch blanke, glatte und korrosionsschutzmittelfreie Oberflächen Voraussetzung sind. Es ist weiterhin angegeben, daß derartige Boridschichten auf höher legierten Stählen nicht einphasig, sondern zweiphasig sind und aus Fe2B und FeB bestehen. Derartige Schichten können durch Nachdiffusion in einphasige Schichten aus Fe2B umgewandelt werden, indem ein Nachglühen unter Schutzgas bei Temperaturen von beispielsweise 10000C durchgeführt wird. Derartige Nachdiffusionsvorgänge finden also bei höheren Temperaturen statt wie der eigentliche Borier-Vorgang, der bereits bei Temperaturen oberhalb 8000C durchgeführt werden kann. Eine derartige Schicht neigt zwar weniger zur nachträglichen Rißbildung, jedoch können bereits ursprünglich vorhandene Risse nicht mehr rückgängig gemacht werden.
Boricrte Werkzeuge haben auch bereits Eingang bei Maschinen für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern gefunden, jedoch sind hier zusätzliche Probleme aufgetaucht: Bei der Glasherstellung haben sich die unvermeidbaren Risseniuster auf den Werkzeugobcrflächen als extrem störend erwiesen. Während die Risse auf dem Werkzeug selbst bei Zuhilfenahme optischer Hilfsmittel nicht oder kaum sichtbar sind, bilden sich auf der Oberfläche der mit diesen Werkzeugen hergestellten Gläser komplementäre Rissemuster aus, die etwa lOmal stärker ausgebildet sind als auf dem betreffenden Werkzeug. Dies ist bei Gebrauchsgläsern optisch störend; bei technischen Gläsern wird eine mangelnde Festigkeit zumindest vermutet. Es wird angenommen, daß die wesentlich deutlichere Ausbildung der Risscmuster auf den Glasoberflächen durch unterschiedlichen Wärmeübergang zwischen Glas und Werkzeug hervorgerufen wird, da der Wärmeübergang naturgemäß an der Stelle der Risscbildung gestört ist. Dieser Effekt läßt sich auch nicht durch eine zweite Wärmebehandlung
to des Werkzeugs, d. h. durch die Umwandlung in einphasiges FcjB beseitigen.
Hinzu kommt, daß durch die hohe Sprödigkeit tier Boridschichten bei Werkzeugen für die Glasherstellung
an den besonders hoch beanspruchten Stellen (Kanten) sehr frühzeitig Ausbrüche aus der Boridschicht stattfinden, wodurch das Werkzeug nach kurzer Zeit unbrauchbar wird. Selbst Werkzeuge mit Boridschichten haben also sehr ungünstige Standzeiten. So sind beispielsweise bei sogenannten Glasstempeln Standzeiten von etwa 12 Stunden zu beobachten, während Ringe beispielsweise an sogenannten Blasköpfen Standzeiten von zwei bis drei Tagen haben, jeweils einen D'ei-Schichten-Betrieb vorausgesetzt Die kurzen Standzeiten sind nicht zuletzt auch darauf zurückzuführen, daß die oben beschriebenen Risse sich beim Beirieb ständig vergrößern. Die Glasindustrie leidet also durch die Wechselwirkung Glas-Werkzeug besonders unter hohen Stillstandszeiten für das Auswechseln der Werkzeuge sowie unter hohen Werkzeugkosten.
Durch den Aufsatz von Fichtl/Hoideried/Riedl »Möglichkeiten zur Beeinflussung der Beständigkeit von Boridschichten auf Stahl«, veröffentlich in ZwF 77 (1982), Seiten 90 bis 95, sind Versuche bekannt, die Beständigkeit von Boridschichien auf unlegierten Stählen durch zusätzliche Eindiffusion von Metallen wie Chrom, Aluminium, Nickel und Metallen der Gruppen IVA bis VIIA und VIII zu verbessern. Bei der Versuchsauswertung ergab sich jedoch, daß zum Teil die Metalle im Grundwerkstoff und in der Boridschicht nicht nachweisbar waren und daß in zahlreichen Fällen eine 2-phasige Boridschicht erzielt wurde, wobei die Härte der äußeren Phase auch noch sehr gering war. Soweit überhaupt 1-phasige Schichten erzeugt wurden, war dies nur im Einsatzverfahren mit pulverförmigem Borierwerkstoff sowie mit einer komplizierten Verfahrensführung möglich. Es ist auch nicht angegeben, ob es durch die bekannten Diffusionsverfahren möglich war, überhaupt rissefreic Boridschichten zu erzeugen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Kombination der Verfahrensschritte nach dem Kennzeichendes Patentanspruchs 1.
Es ist dabei besonders vorteilhaft eine Borierpaste mit 2 bis 5 Gewichtsprozent Kupferpulver, bezogen auf die wasserfreien Anteile der Paste, zu verwenden. Beim Ausführungsbeispiel hat sich ein Kupferanteil von 3,5 Gewichtsprozent als optimal erwiesen.
Es wurde überraschend festgestellt, daß bei der Anwesenheit vor: Kupfer in der Borierpaste, das selbst nicht in merklichem Umfang in die Boridschicht eindringt, Schichten entstehen, die zwar hochgradig verschleißfest, nicht aber so spröde wie die bisherigen Schichten sind. Frühzeitige Abplatzungen bzw. Ausbrüche an den Werkzeugen traten hierbei nicht mehr auf. In ursächlicheiri Zusammenhang damit dürfte die Tatsache stehen, daß feirn Vorhandensein von Kupfer in der Borierpaste Boidschichten mit wesentlich kleineren Krislallen entstehen, was sich unter dem Elektronenmikroskop deutlich feststellen läßt. Vor allem aber entstehen einphasige FejB-Schichten in einem einzigen Arbeitsgang, die auCh noch frei von Rissen sind. Bezüglich der Bedeutung dieses Sachverhalts muß man sich vor Augen halten, daß die bisher unvermeidbaren Risse, die ohnehin schon lOfach stärker auf der Glasoberfläche wahrnehmbar waren, sich durch den Gebrauch des Werkzeugs noch vergrößern, so daß schon durch diese Tatsache die Standzeit von Werkzeugen, die nach dem bekannten Verfahren boriert wurden, begrenzt war. Bei Werkzeugen, die nach dem Erfindungsgegenstand hergestellt sind, konnte die Standzeit von 12 Stunden auf zwei bis drei Monate und bei den sogenannten Ringen von Blasköpfen von zwei bis drei Tagen auf sieben bis zehn Tage erhöht werden, jeweils einen Drei-Schichten· Betrieb vorausgesetzt
Gleichfalls von erheblicher Bedeutung ist die Einstellung einer ganz bestimmten Viskosität vor dem Auftragen der Borierpaste und deren Trocknen auf der Werkstückoberfläche. Eine zu trockene Borierpaste führt ganz offensichtlich nicht zu einer guten Verbindung mit der Werkstückoberfläche. Eine zu wasserhaltige Borierpaste neigt zum Herabfließen unmittelbar nach dem Auftragen (durch Spritzen oder Anstreichen), so daß ungleichmäßige Schichtdicken der Borierpaste die Folge sind. Die Einstellung einer Viskosität innerhalb des angegebenen Viskositätsbereichs führt hingegen zu einer tadellosen Verarbeitbarkeit der Paste und letztendlich zu einem sehr homogenen Boriervorgang.
Weiterhin ist der Entfettungsvorgang von ganz erheblichem Einfluß auf die Qualität bzw. Einphasigkeit der Boridschicht Es genügt nicht, daß die Werkstücke, die in der Regel spanabhebend bearrr;tet wurden, nur metallisch blank sind. Durch den Bearbciiungsvorgang befindet sich unvermeidbar sogenanntes Schneidöl auf der Werkstückoberfläche. Es konnte durch Vergleich von nicht-entfetteten und hochgradig entfetteten Werkstücken festgestellt werden, daß bei den fetthaltigen Werkstücken noch ein merklicher FeB-Anteil vorhanden war. Es wird vermutet, daß durch das Verkoken des Schneidöls beim Boriervorgang freier Kohlenstoff entsteht, der die Bildung von FeB und damit die Rissebildung begünstig. Eine hochgradige Entfettung, die bevorzugt bei gleichzeitiger Ultraschallbehandlung durchgeführt wird, verhindert jedenfalls die Ausbildung einer Zwei-Phasen-Schicht
Schließlich wird die Wärmebehandlung in einem einzigen Schritt und ohne Zwischenkühlung bei Temperaturen zwischen 8000C und 1000°C ausgeführt, wodurch eine einphasige Schicht aus Fe2B mit einer Dicke zwischen 15 und 50 μπι erhalten wird. Durch einen Verricht auf eine zweite Wärmebehandlung, die auch noch bei einer höheren Temperatur durchgeführt werden müßte, findet nicht nur eine erhebliche Einsparung von Energie statt, sondern die Maßhaltigkeit der Werkzeuge bleibt wesentlich besser erhalten, weil die Gefahr eines Wärmeverzuges bei der zweiten Temperaturbehandlung nicht mehr vorhanden ist Hierbei muß man sicn vor Augen halten, daß eine Nacharbeitung des Werkstücks durch Schleifen wegen der großen Oberflächenhärte nicht oder nur mit ganz besonderen Werkzeugen auf Diamantpulverbasis möglich ist Durch einen solchen Schleifvorgang würde aber die ohnehin bereits recht dünne Schicht noch weiterhin in ihrer Stärke verringert. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgimäPrn Verfahrens ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen. Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf die Anwendung des Verfahren nach Va tentanspruch I auf einen austenitischen Werkzeugstahl, der nach dem Boriervorgang mittels eines Argonstroms abgekühlt wird. Schließlich bezieht sich die Erfindung noch auf die Anwendung der nach den Patentansprüchen 1 bis 4 Hergestellten borierten Werkzeuge aus Eisen und Eisenlegierungen mit einer rissefreien, einphasigen Oberflächenschicht aus Fe2B für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1
es und 2 sowie aer Verfahrensbeispiele 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Seitenansicht auf einen Preßstempel einer Glasform mit einer erfindungsgemäßen Boridschicht
Fig. 2 einen Radialschnitt durch einen Arbeitsring eines Blaskopfes.
In F i g. I ist ein Preßstempel 1 einer Glasform dargestellt, der als Rotationskörper ausgebildet ist. Der Preßstempel besteht aus den Teilen 2 und 3, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und durch ein konisches Übergangsstück 4 miteinander verbunden sind. Die gesamte Oberfläche dieses Werkzeugs ist mit einer 25 μΓη dicken Schicht aus FejB überzogen. Dies ist in stark vergrößertem Maßstab anhand eines Teilausschnitts im Kreis 5 dargestellt, und zwar ist auf dem Grundwcikr'off 6 die FejB-Schicht 7 angebracht, die mit dem Grundwerkstoff 6 eine Art Verzahnung bildet, die jedoch in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Eine besonders gefährdete Zone dieses Werkzeugs liegt im Bereich der Umlaufkante 8. Das Werkzeug ist beim Betrieb mittels eines Stempelschaftes 9 mit dem Antrieb einer Glasmaschine verbunden.
F i g. 2 zeigt den zentralen Teil eines Arbeitsringes 10 für einen sogenannten Blaskopf. Dieser Arbeitsring ist gleichfalls ein Rotationskörper mit einer zylindrischen Bohrung 11, die sich in einer Kegelfläche 12 fortsetzt. Die besonders gefährdete Stelle liegt hier im Bereich der Umlaufkante 13.
Beispiel I
Ein Kilogramm einer handelsüblichen Borierpaste mit der Zusammensetzung 49% SiC: 3% B4C; 8% KBF4. Rest H2O und ein anorganisches Verdickungsmittel jo wurde auf seinen Wassergehalt untersucht: Es enthielt 650 g Trockenmasse. Die Paste wurde mit 23 g Kupferpulver mit einer Partikelgröße unter 30 μνη versetzt, so daß sich ein Kupfergehalt von 3,5 Gew.-%, bezogen auf die Trockenmasse, ergab. Die Paste wurde mittels eines Rührers homogenisiert. Nachfolgend wurde die Viskosität bestimmt, die je nach Lagerdauer der Paste unterschiedlich sein kann, also einen Wasserüberschuß oder Wassermangel aufweisen kann. Im vorliegenden Fall ergab sich ein Wassermangel, d. h. eine zu hohe Viskosität von 105 Pa · see. Durch Zusatz von 45—60cmJ Wasser und weiteres intensives Rühren wurde die Viskosität auf \0' Pa · see eingestellt. Die Bestimmung der Viskosität erfolgte durch ein Fallkörper-Viskosimeter.
Eine für die Praxis durchaus geeignete Messung der Viskosität besteht darin, daß man einen Rundstab von 5 mm Durchmesser auf eine Länge von 30 mm in die Borierpaste eintaucht und wieder herauszieht. Bildet sich am unteren Ende des senkrecht gehaltenen Rundstabes ein Pastenstrang von 40—50 mm Länge, so entspricht diese Viskosität mit ausreichender Genauigkeit der oben in Pa · see angegebenen Viskosität Diese Viskosität kann durch Wasserzusatz oder Wasserentzug (durch Verdampfen) eingestellt werden. Die kupferhaltige Borierpaste befand sich nunmehr in einem gebrauchsfertigen Zustand.
Beispiel 2
Werkzeuge nach den Fig. 1 und 2 wurden in einem Entfettungsbad aus einem handelsüblichen Lösungsmittel unter gleichzeitiger Ultraschallbehandlung für die Dauer von zwei Minuten gründlich entfettet
Ein Preßstempel nach Fig. 1. bestehend aus dem üblichen, hierfür verwendeten Werkstoff, wurde in kaltem Zustand mit der Borierpaste nach Beispiel 1 überzogen, bis eine Schichtdicke von 3 mm erreicht war. Der Überzug wurde in einem Trockenschrank mit Luftumwälzung bei 35°C getrocknet. Alsdann wurde der Prcßstempel in einen Glühofen eingebracht und innerhalb einer Zeitspanne von 40 Minuten auf eine Temperatur von 900" C aufgeheizt. Während der gesamten Zeit wurde der Glühofen mit Argon in einer solchen Menge versorgt, daß ein geringfügiger Überdruck im Ofenraum herrschte. Beheizung und Argonzufuhr wurden für die Dauer von 180 Minuten fortgesetzt. Danach wurde der Preßstempel aus dem Glühofen entnommen und innerhalb eines kastenförmigen Rahmens mittels einer Argondusche abgekühlt, bis seine Temperatur unterhalb 600°C lag.
Ein Schnitt durch das Werkzeug sowie die Anfertigung eines Schliffbildes zeigten unter dem Mikroskop, daß eine einphasige Schicht aus Fe2B entstanden war, die eine sehr geschlossene, d. h. rissefreie Oberfläche aufwies. Auch die mikroskopische Untersuchung weiterer Oberflächenteile ergab, daß das ansonsten iihlirhp Rissemuster völlig fehlte.
Der Einsatz eines nach dem gleichen Verfahren hergestellten Preßstempcls in einer Glasmaschine zeigte von Anfang an eine einwandfreie Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Gläser. Eine Verschlechterung der Eigenschaften des Werkzeuges war auch innerhalb der nächsten zwei Monate bei einem Drei-Schichtcn-Bctriob nicht zu beobachten; insbesondere blieb die ansonsten TM beobachtende Ausbildung eines sich ständig vergrößernden Rissemusters auf der Glasoberflächc aus.
Es konnte weiterhin festgestellt werden, daß ein Ausbrechen von Oberflächenteilen ir,"> Bereich der stark gefährdeten Umlaufkante 8 (F i g. 1) ausblieb.
Beispiel 3
Ein gemäß Beispiel 2 gereinigter Arbeitsring für einen Blaskopf nach Fig. 2 aus einem üblichen, hierfür geeigneten Werkstoff wurde in vollständig analoger Weise wie der Preßstempel gemäß Beispiel 2 mit einer 3 mm starken Schicht aus der Borierpaste nach Beispiel 1 überzogen und getrocknet.
Ein solcher Arbeitsring wurde in einen mit Argon beschleierten Glühofen eingesetzt und innerhalb einer Zeitdauer von 30 Minuten auf eine Temperatur von 920°C aufgeheizt. Diese Temperatur wurde für eine Dauer von 240 Minuten eingehalten, wobei die Beschlcierung des Glühofens mit Argon fortgesetzt wurde. Im Anschluß daran wurde der Arbeitsring dem Ofen entnommen und gleichfalls innerhalb eines kastenförmigen Rahmens mit Argon abgekühlt, bis eine Tempc. ntur von etwa 600°C unterschritten wurde. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die gleichen Untersuchungen wie an dem Preßstempel nach Beispie! 2 vorgenommen. Es zeigte sich eine einphasige Schicht aus FejB mit einer vollkommen geschlossenen, d. h. rissefreien Struktur, und zwar sowohl anhand eines Schnittes bzw. Schliffbüdes als auch anhand einer Untersuchung der Oberfläche mittels eines Mikroskops. Beim praktischen Gebrauch eines nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Arbeitsringes stellte sich eine Standzeit von 9 Tagen bei einem Drei-Schichten-Betrieb heraus, ohne daß das Werkzeug vorzeitig Ausbrechungen an der gefährdeten Umlaufkante oder das gefürchtete Rissemuster auf den Glasoberflächen zeigte.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Borieren von metallisch blanken •Werkzeugen aus Eisen und Eisenlegierungen für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern unter Verwendung einer wäßrigen, hinsichtlich der Viskosität einstellbaren, Borkarbid (B4C) enthaltenden Borierpaste und durch Erwärmen der mit der Borierpaste beschichteten und getrockneten Werkzeuge auf Boriertemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte kombiniert werden:
DE19833335724 1983-10-01 1983-10-01 Verfahren zum Borieren von Werkzeugen und Anwendung des Verfahrens auf austenitische Werkzeuge sowie Anwendung der Werkzeuge für die Herstellung von Hohl- und Preßgläsern Expired DE3335724C2 (de)

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