DE3519114C2

DE3519114C2 -

Info

Publication number: DE3519114C2
Application number: DE3519114A
Authority: DE
Inventors: Masaya Miyake; Yasuhiro Saito; Matsuo Itami Hyogo Jp Higuchi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-05-29
Filing date: 1985-05-28
Publication date: 1990-06-21
Also published as: DE3519114A1; US4628178A

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs.

Für Werkzeuge, die beim Halbwarm- und Warmschmieden eingesetzt werden, sind hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schock, Verschleiß und Warmrißbil dung notwendig. Für Warmschmiedewerkzeuge, wie Gesenke und Stempel, wurde in erster Linie Gesenkstahl (SKD 61) verwendet. Aus Gesenkstahl hergestellte Schmiedewerkzeuge haben jedoch eine kurze Lebensdauer, weil sie zu Warm rißbildung neigen. Außerdem ist ihre Abmessungsgenauigkeit niedrig. Infolgedes sen müssen mit derartigen Werkzeugen geschmiedete Werkstücke nachgeschlif fen werden. Man hat versucht, solche Nachbearbeitungen von geschmiedeten Werkstücken durch Präzisionsschmieden unter Einsatz von Hochleistungs schmiedewerkzeugen überflüssig zu machen (DE-B: Lange, Meyer-Nolkemper; Gesenkschmieden, 1977, Tabellen 4.3 und 4.4). Konventionelle Schmiedewerk zeuge aus Gesenkstahl neigen in hohem Maße zu Oberflächenaufrauhung, Ver formung und Warmrißbildung. Außerdem läßt sich wegen der hohen Wärmedeh nung von Gesenkstahl keine hohe Präzision erwarten. Selbst wenn Schnellarbeits- Werkzeugstahl, wie SKH-51, benutzt wird, der hohe Härte bei hohen Temperatu ren hat, wird wegen ausgeprägter Wärmedehnung und Warmrißbildung keine lange Lebensdauer erzielt.

Hartmetall (Sinterkarbid) ist zweckmäßiger, weil seine Wärmedehnung bei hohen Temperaturen nur halb so groß wie diejenige von Stahl ist. So ist es bekannt (DE- B: Kieffer, Benesovsky; Hartmetalle, 1965, S. 186, 187, 394-396), Hartmetalle aus bis 70% WC und 15 bis 30% Co für Warmschlagwerkzeuge einzusetzen und Hartmetallplättchen auf einen Werkzeugkörper aus Stahl aufzulöten, wobei die Lötung mit Hochfrequenzerhitzung durchgeführt wird, um die Hitzeeinwirkung möglichst auf die erforderliche Stelle zu beschränken. Auch eine Hochfrequenz lötung erlaubt es jedoch nicht, gezielt nur den unmittelbaren Kontaktbereich zwi schen Stahlkörper und Hartmetallauflage aufzuschmelzen und für die Festigkeit schädliche Reaktionen zwischen dem Wolframkarbid und dem Stahl zu verhin dern. Außerdem lassen die verwendeten Hartmetalle bezüglich ihrer Wider standsfähigkeit gegenüber Wärmeschock und ihrer Zähigkeit zu wünschen übrig.

Es ist ferner ein Hartmetall bekannt (DE-OS 21 07 884), das aus Wolframkarbid und 10 bis 50 Gew.-% Bindemetallphase besteht, die ihrerseits aus 4 bis 30 Gew.-% Nickel und/oder 1 bis 25 Gew.-% Kobalt und/oder 1 bis 15 Gew.-% Molybdän und/oder 1 bis 10 Gew.-% Chrom sowie Eisen als Rest besteht.

Des weiteren ist ein Hartmetallwerkzeug bekannt (DE-AS 10 38 289), bei dem eine Hartmetallauflage mit einem Stahlkörper durch Heißpressen unter indukti ver Erhitzung verbunden wird, oder ein gesinterter Preßling unmittelbar aufgesin tert wird, oder auch der Stahlkörper durch Sintern hergestellt und das Hartmetall in einem Arbeitsvorgang mit aufgesintert wird. Dabei besteht das Hartmetall aus Schwermetallkarbiden und 3 bis 30 Gew.-%, oder gegebenfalls bis zu 60 Gew.-%, einer Bindemetallegierung aus Eisen, Nickel und/oder Kobalt sowie weiteren Zusätzen aus Chrom und Bor, vorzugsweise Chromborid. Entsprechend einer be vorzugten Ausführungsform besteht dabei das Schwermetall aus Wolframkarbid und einer Bindemetallegierung aus 5 bis 25% Chrom, 1,5 bis 6% Bor und Kobalt als Rest. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das Hartmetall durch Sin tern von 78% Wolframkarbid, 18% Kobalt, 0,6% Bor und 3,4%Chrom erhal ten.

Es ist bekannt (US-Z: Journal of Metals, 1983, S. 18-26), Eisenlegierungen (Stahl und Gußeisen) mit Laserstrahlen lokalisiert oberflächenzuhärten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch große Härte bei hohen Temperaturen, durch nied rige Wärmedehnung und durch Beständigkeit gegenüber Warmrißbildung und Bruch auszeichnet. Es soll ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen der Patentansprüche 1 und 5 gelöst.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen 2 bis 4 und 6.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Hochtem peraturhärte von erfindungsgemäß verwen detem Hartmetall und von konventionellen Hartmetallen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Bei spiels eines erfindungsgemäß geschweißten Schmiedewerkzeugs,

Fig. 3 eine Darstellung, die erkennen läßt, wie sich Risse bilden, wenn Hartmetall mit Stahl unter Verwendung von Elektronen strahlen verschweißt wird,

Fig. 4 eine Darstellung des geschmolzenen Be reichs und des mit Strahlen beaufschlag ten Bereiches bei der Anwendung der vorlie genden Erfindung, sowie

Fig. 5 eine Frontansicht eines mechanischen Dichtringes gemäß der vorliegenden Er findung.

Beim Halbwarm- und Warmschmieden steigt die Oberflächentempera tur eines Schmiedegesenks steil an, weil das Wekstück eine ho he Temperatur hat und aufgrund der Verformung des Werkstückes Wärme erzeugt wird. Nachdem das Werkstück aus dem Gesenk ent nommen ist, wird auf das Gesenk Schmiermittel, Kühlwasser oder Kühlöl aufgesprüht, was zu einer plötzlichen Abkühlung führt. Ein solcher Wärmeschock kann Schäden an der Oberfläche des Schmiedewerkzeugs verursachen. Beim Halbwarmschmieden wird mit Temperaturen von etwa 200°C bis 800°C gearbeitet, während beim Warmschmieden Temperaturen von etwa 800°C bis 1100°C vorliegen.

Hartmetall (Sinterkarbid) kann harte Bedin gungen, wie rasche Wärmezyklen, Korrosion durch Kühlwasser und Verschleiß durch das Werkstück, aushalten und es wurde ein Schmiedewerkzeug unter Verwendung von Hartmetall herge stellt.

Die Zähigkeit und die Widerstandfähigkeit gegenüber Warmrißbil dung lassen sich bei Hartmetall durch Erhöhen des Gehalts der Bindermetallphase steigern. Dadurch wird jedoch die Härte des Hartmetalls vermindert, die eine der Erfordernisse für ein Schmiedegesenk ist. Es wurde vorliegend angestrebt, eine Zu sammensetzung und Struktur von Hartmetall zu finden, die es erlauben, die Härte bei hohen Temperaturen (200°C bis 1100°C) im Rahmen von Halbwarm- und Warmschmiedevorgängen auf Kosten der Härte bei normalen Temperaturen hochzuhalten.

Fig. 1 zeigt die Hochtemperaturhärte für verschiedene Werkstof fe. Die Linie A gilt für das im Rahmen der vorliegenden Erfin dung verwendete Hartmetall, B für ein konventionelles WC-Co- Hartmetall, die Kurve C für Schnellarbeits-Werkzeugstahl SKH9 sowie die Kurve D für Gesenkstahl SKD61.

Der Kohlenstoffgehalt des Stahlkörpers des Schmiedewerkzeugs sollte vorzugsweise nicht unter 0,2% und nicht über 0,5% liegen. Bei einem nicht innerhalb dieses Berei ches liegenden Kohlenstoffgehalt läßt die Bindefestigkeit des resultierenden Schmiedewerkzeuges zu wünschen übrig.

Der Gehalt der Bindemetallphase in dem Hartmetall beträgt 15 bis 35 Gew.-%. Bei einem Gehalt von we niger als 15% hat das Hartmetall keine ausreichende Zähigkeit. Im Falle eines Gehalts von mehr als 35% wird keine für ein Schmiedegesenk ausreichende Härte erzielt.

Die Hauptbestandteile der Binderphase sind Nickel und/oder Kobalt. Mindestens ein Element der aus Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Wolfram (W) bestehenden Gruppe bildet in der Binderphase eine Mischkristallphase. Der Gehalt der Mischkristallphase in der Binderphase beträgt 0,5 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Bindemetallphase. Bei einem Gehalt von mehr als 10% würde die Mischkristallphase die Zähigkeit des Hartmetalls herabsetzen. Ein Gehalt von weniger als 0,5% ist unzureichend, um die Hochtemperaturhärte zu steigern.

Ein Zusatz von 0,1 bis 5 Gew.-% (bezogen auf die Binderphase) Aluminium, Silizium, Magnesium und/oder Kalzium kann vorgesehen sein, um die Hochtemperaturhärte des Hartmetalls heraufzusetzen. Bei einem Gehalt von weniger als 0,1% würde der Zusatz nicht ausreichend wirkungsvoll sein. Bei einem Gehalt von mehr als 5% hätte das Hartmetall unzureichende Zähigkeit.

Zur Steigerung der Oberflächenhärte und der Lebensdauer erwies es sich ferner als zweckmäßig, die Hartmetallauflage mit einer einlagigen oder mehrlagigen Deckschicht aus TiC, TiN, TiCN, TiCO, TiCNO, Al₂O₃, AlON, AlN, Si₃N₄, SiC, BN und/oder C zu versehen.

Des weiteren sollte die kristalline Korngröße der Binder phase kleiner als 0,3 mm sein, um die Lebensdauer des mit Hart metall versehenen Schmiedewerkzeuges zu erhöhen.

Fig. 2 zeigt ein typisches Beispiel eines Schmiedewerkzeugs nach der Erfindung mit einer Hartmetallauflage1 der vorstehend erläuterten Zusammensetzung im Bereich des mit dem Werkstück in Kontakt kommenden Teils und einem Stahlkörper 2 im übrigen Teil. Hartmetall und Stahl werden in einem Bereich 3 mittels Elektro nenstrahlen miteinander verschweißt.

Eine 0,1 bis 1 mm dicke Metallzwischenschicht aus Nickel, Kobalt, Eisen oder deren Legierungen oder aus einem Hartlötwerkstoff kann zwi schen der Hartmetallauflage und dem Stahlkörper eingefügt sein.

Um die Hartmetallauflage mit dem Stahlkörper ohne gemeinsames Erhitzen zu verbinden, wird mittels eines Elektronenstrahls oder Laserstrahls nur der Kontaktbereich zwischen beiden auf geschmolzen. Beim Aufschmelzen mit derartigen Hochenergiestrah len wird der mit dem Strahl beaufschlagte Bereich rasch auf 5000 bis 10 000°C erhitzt. Dies führt zur Ausbildung eines stei len Wärmegradienten zwischen dem aufgeschmolzenen Teil und dem Bereich, der 1 mm oder mehr von dem aufgeschmolzenen Bereich wegliegt. Der Wärmegradient kann zur Rißbildung in dem Hartme tall führen.

Außerdem hat bei einer derartigen Verbindung die Schweißraupe die Neigung, zur Stahlseite hin auszubrechen. Infolgedessen besteht die Gefahr, daß die Kontaktfläche zwischen dem Stahl und dem Hartme tall als Riß verbleibt, ohne daß es dort zu einer Verschweißung kommt.

Fig. 3 zeigt schematisch Risse 6, 7, die gebildet werden, wenn die Hartmetallauflage 1 und der Stahlkörper 2 miteinander verschweißt werden. Zu dem Riß 6 kann es aufgrund des Wärmegradienten kommen, wenn der Elektronenstrahl 4 auf die Kontaktfläche 3 gerichtet wird. Ein Riß der bei 7 dargestellten Art bildet sich in der Hartmetallauflage aufgrund der Wärmespannung aus, wenn mittels des Elektronen strahls bevorzugt der Stahlkörper 2 aufgeschmolzen wird.

Es wurden die optimalen Bedingungen zur Verbindung von Hartmetall mit Stahl untersucht, wo erhebliche Spannungen aufgrund des großen Unterschiedes der Schmelzpunkte auftreten. Dabei wurde ein zweistufiges Verfahren gefunden, bei dem der innerhalb eines ge wissen Bereiches von der Grenzfläche liegende Teil vorerhitzt und die Grenzfläche dann erhitzt wird.

Durch das Vorwärmen wird die Rißbildung aufgrund eines steilen Wärmegradienten verhindert. Die Temperatur ist hoch in dem ge schweißten Bereich und niedrig im nichtgeschweißten Bereich. Die ser Temperaturunterschied führt zur Ausbildung eines elektrischen Stromes, der die zum Schweißen verwendeten Elektronenstrahlen ab lenkt. Dies hat zur Folge, daß die Schweißraupe von der Kontakt fläche wegwandert. Es zeigte sich, daß das Vorerhitzen auch das Weglaufen der Schweißraupe verhindert.

Es wurde gefunden, daß eine einwandfreie Bindung hergestellt werden kann, indem unfokussierte Elektronen- oder Laserstrahlen innerhalb eines Bereiches von 10 mm zu beiden Seiten der Kontaktfläche aufgebracht werden und dann fokussierte Elektronen- oder Laserstrahlen auf die Hartmetallauflage in geringem Abstand von der Kontaktfläche gerichtet werden. Während des Vorwärmens sollten Elektronenstrahlen vorzugsweise auf die Hartmetallseite aufgebracht werden, um die Wärme spannungen zu vermindern.

In Fig. 4 ist bei 8 der mit Strahlen beaufschlagte Bereich an gedeutet, während mit 9 die Oberfläche bezeichnet ist, auf wel cher die Schweißraupe ausgebildet wird. Wenn in dem zweiten Verfahrensschritt fokussierte Elektronen- oder Laserstrahlen auf die Hartmetallseite auftreffen, tritt kein steiler Wärmegradient auf, weil das Hartme tall eine bessere Wärmeleitfähigkeit hat, so daß Risse aufgrund von Wärmespannungen nicht ausgebildet werden. Wenn die Strahlen auf die Kontaktfläche gerichtet würden, würden sie in Richtung auf die Stahlseite abgelenkt; Stahl würde gegenüber dem Hartme tall bevorzugt aufgeschmolzen werden. Weil die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ungefähr die Hälfte derjenigen von Hartmetall beträgt, reicht die Wärmediffusion zu der Hartmetallseite nicht aus. Infolgedessen würde ein steiler Wärmegradient auftreten, der die Rißbildung fördert.

In der zweiten Verfahrensstufe treffen energie reiche Elektronen- oder Laserstrahlen auf eine Stelle auf, die in Richtung Hartmetallauflage 0,1 bis 1,0 mm und vor zugsweise 0,2 bis 0,7 mm, von der Kontaktfläche zwischen dem Hartmetall und dem Stahlkörper entfernt ist. Wenn die Auftreffstelle weniger als 0,1 mm von der Kontaktfläche entfernt liegt, wird der Stahl gegenüber dem Hartmetall aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes bevorzugt aufgeschmolzen. Bei einem Abstand von mehr als 1 mm ist die Wärmemenge zum Aufschmelzen des Stahles unzureichend.

Zu den erfindungsgemäßen Schmiedewerkzeugen gehören Gesenke, Stempel, Auswerfer, Ausstoßerstifte, Scherenmesser und Walzen.

Die nachstehenden Beispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Einem WC-Pulver mit einer Teilchengröße von 6 µm wurden Co und/oder Ni sowie Cr, Mo und/oder W in dem in der Tabelle 1 angegebenen Mischungsverhältnis zugesetzt, und das Gemisch wurde in Wasser gemahlen. Aus dem gemahlenen Gemisch wurde ein zylind rischer Körper mit einem Außendurchmesser von 100 mm, einem In nendurchmesser von 40 mm und einer Höhe von 80 mm geformt. Der Körper wurde in Vakuum bei 1400°C gesintert. Das so erhaltene Hartmetall wurde zur Herstellung eines Schmiedegesenks benutzt, das verwendet wurde, um eine Stahlstange von 35 mm Durchmesser zu stauchen, die auf 1200°C erhitzt und geschnitten wurde. Die Beziehungen zwischen dem Mischungsverhältnis und der Lebensdauer des Schmiedegesenks (d. h., wieviele Werkstücke geschmiedet wur den) ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Die Ergebnisse zeigen, daß durch das Vorhandensein von Cr, Mo, oder W in der Binderphase als Mischkristallphase die Lebensdauer gesteigert wird.

Tabelle 1

Beispiel 2

Bei dem Experiment (1) des Beispiels 1 wurden der Binderpha se Al, Si, Mg oder Ca in dem in der Tabelle 2 angegebenen Mi schungsverhältnis zugesetzt. Die Tabelle 2 läßt ferner die Bezie hung zwischen dem Mischungsverhältnis und der Lebensdauer erken nen. Es ist festzustellen, daß durch den Zusatz eines derartigen Elements die Lebensdauer gesteigert wird.

Tabelle 2

Beispiel 3

Die im Experiment (2) des Beispiels 1 erhaltene Hartmetallauflage wurde mittels Elektronenstrahlen mit einem Stahlkörper (SKD61) verschweißt, um ein Schmiedegesenk herzustellen. Zu Vergleichszwecken wurde ein wei teres Schmiedegesenk hergestellt, indem die gleiche Hartmetallauflage mit einem Stahlkörper hartverlötet wurde. Diese Schmiedegesenke wurden hin sichtlich ihrer Lebensdauer miteinander verglichen. Die Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse.

Tabelle 3

Beispiel 4

Die im Experiment (1) des Beispiels 1 erhaltene Hartmetallauflage wurde mit TiC, TiN, TiCO oder Al₂O₃ beschichtet. In der Tabelle 4 ist die Lebensdauer von Schmiedegesenken wiedergegeben, die unter Verwendung von derart beschichteten Hartmetallauflagen hergestellt wurden. Es ist zu erkennen, daß die Beschichtung mit einer der genannten Verbindungen die Lebensdauer weiter steigert.

Tabelle 4

Beispiel 5

In den Experimenten (1) bis (3) des Beispiels 1 wurde das Hartme tall während des Sinterns zwecks Kornfeinung abgeschreckt. Dadurch wurde die Lebensdauer der Schmiedegesenke um etwa 20% gesteigert.

Beispiel 6

Ein Ring 1 aus Hartmetall (Außendurchmesser 50 mm, Innendurch messer 40 mm, Dicke 15 mm) wurde mit einem rostfreien Stahlkörper 2 verbun den, um eine mechanische Dichtung der in Fig. 5 veranschaulichten Art zu erhalten. Das verwendete Hartmetall wies 10% WC, 1% Co und Cr auf. Der Hartmetallring wurde zu Vergleichszwecken mit einem rostfreien Stahlkörper hartverlötet. Aufgrund von Wärmedehnung bildete sich ein Riß an dem Hartmetallring aus.

Sodann ließ man unfokussierte Elektronenstrahlen (100 kV, 8 mA) auf beiden Seiten der Kontaktfläche innerhalb eines 5 mm von der Kontaktfläche wegliegenden Bereiches auftreffen, worauf fokussierte Elektronenstrahlen (150 kV, 30 mA) auf den 0,5 mm von der Grenzfläche wegliegenden Teil der Hartmetallauflage gerichtet wurden. Sowohl die Hartmetallauflage als auch der Stahlkörper wurden aufgeschmolzen und einwandfrei miteinander verbunden. Die Schweiß raupe hatte eine Breite von 3 mm und eine Tiefe von 15 mm. Es wurde kein Riß gefunden.

Wenn die benachbart der Verbindungsstelle liegenden Bereiche nicht mit unfokussierten Elektronenstrahlen vorgeheizt wurden, wurden die Strahlen in Richtung auf die Seite des rostfreien Stahlkörpers abgelenkt; eine Schweißraupe wurde auf der Seite des rostfreien Stahlkörpers ausgebildet; ein Riß entstand auf der Seite der Hart metallauflage.

Beispiel 7

In der gleichen Weise, wie oben ausgeführt, wurde eine Hartmetallauflage (WC-10% Co-10% Ni) mit den folgenden Stahlkörpern mit unterschiedli chenKohlenstoffgehalten verbunden, um einen Stempel herzustel len. Die so erhaltenen Stempel wurden bei 1050°C getestet. die Lebensdauer ist in der Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 5

Diese Ergebnisse zeigen, daß die Stempel mit Stählen, die einen Kohlenstoffgehalt von 0,2 bis 0,5% aufweisen, eine lange Lebens dauer haben.

Claims

1. Werkzeug zum Halbwarm- und Warmschmieden mit einem Stahlkörper und einer damit verbundenen Hartmetallauflage, die aus Wolframcarbid und ei ner Binderphase besteht, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Hartmetallauflage mit dem Stahlkörper unter Aufschmelzen nur des Kontaktbereiches mit Elektronen- oder Laserstrahlen verbunden ist,
- die Hartmetallauflage aus 15 bis 35 Gew.-% Binderphase besteht und
- die Binderphase aus
- ○ 0,5 bis 10 Gew.-% einer Mischkristallphase mit Chrom, Molyb dän und/oder Wolfram,
- ○ ggf. 0,1 bis 5 Gew.-% Aluminium, Silizium, Magnesium und/oder Calcium und
- ○ Nickel und/oder Cobalt als Rest besteht.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlkörper 0,2 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff enthält.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartme tallauflage mit dem Stahlkörper über eine 0,1 bis 1 mm dicke Metallzwischen schicht verbunden ist.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallauflage eine Deckschicht aus TiC, TiN, TiCO, TiCNO, Al₂O₃, AlON, AlN, Si₃N₄, SiC, BN und/oder C aufweist.

5. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden der Hartmetallauflage mit dem Stahlkörper unfokussierte Elektronen- oder Laserstrahlen auf einer Stelle auftreffen, die in Richtung Hartmeteallauflage 0,1 bis 1,0 mm von der Kontakt fläche entfernt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall beim Sintern abgeschreckt wird.