DE581108C - Werkzeug oder Arbeitsgeraet zur Formgebung erhitzter Werkstoffe - Google Patents

Description

In der Metalltechnik gewinnen die Verfahren zur Warmverformung von Werkstoffen zunehmend an Bedeutung. Es sei nur hingewiesen auf das Ziehen und Pressen erhitzter Metalle mittels Gesenken, Ziehsteinen, Strangpressen u. dgl. m. Mit gewisser Berechtigung darf in den Begriff »Warmverformung« auch einbezogen werden die Bearbeitung von Werkstoffen durch Spanabhebung, wenn diese mit solchen Arbeitsgeschwindigkeiten erfolgt, daß- eine kräftige Erhitzung des Werkstücks bis zum bildsamen Zustande unvermeidlich ist. Da für Vorgänge zwischen Werkzeug und Werkstoff bei den ,verschiedenen Arten der Warmformgebung im wesentlichen die gleichen wissenschaftlichen und technischen Prinzipien maßgebend sind, seien hier nur die Preß- und Spritzverfahren als Beispiele angeführt, da bei ihnen wegen der hohen Arbeitstemperaturen die erwähnten Wechselbeziehungen besonders kraß in die Erscheinung treten. Diese hohe Arbeitstemperatur, bei der der Werkstoff dicht unter seinem Schmelzpunkt beeindruckt wird, bedeutet eine außerordentliche Beanspruchung der verwendeten Werkzeuge und Arbeitsgeräte, der Preßstempel, Ziehdüsen, Preßmatr'izen, Preßdorne, Walzstopfen u. dgl. Einmal unterliegen auch sie bei der hohen Temperatur in gewissem Grade der Erweichung und dadurch einem Verschleiß in reibender Berührung mit dem bewegten Werkstoff, und ferner besteht mit zunehmender Temperatur die Gefahr der Lösung des Werkzeugmaterials im Werkstoff. Es ist also zu unterscheiden zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen Arten des Verschleißes, nämlich einem, der rein mechanisch das Werkzeug abnutzt, und einem zweiten, der durch Legierungsangriff das Werkzeug allmählich im heißen Werkstoff löst. Während es nun praktisch geglückt ist, den mechanischen Verschleiß dadurch auf ein Mindestmaß zu beschränken, daß man die Werkzeuge oder Arbeitsgeräte, z. B. Warmziehringe, aus Metallen herstellt, die, wie die Stellite oder 4-5 Hartmetalle, auch bei hohen Arbeitstemperaturen ihre Härte im Gegensatz zu Stählen beibehalten, hat der Legierungsverschleiß und damit auch seine Bekämpfung bisher kaum Beachtung gefunden, weil als Werkstoffe bisher nur solche wie Kupfer, Messing, Bronze und Leichtmetalle in Frage kamen, deren ^ Verformungstemperaturen soweit unter den Legierungstemperaturen der vornehmlich aus Stahl bestehenden Werkzeuge liegen, daß deren Verschleiß durch Legierung mit dem Werkstoff unbeachtlich ist.

Wohl zu berücksichtigen ist dieser Einfluß jedoch, wenn es sich um die Warmverformung von Eisen, Stahl oder anderen Werkstoffen mit hohen Verformungstemperaturen handelt. Obwohl neben Werkzeugen und Geräten aus Stahl auch solche aus Wolfram- und anderen Hartlegierungen versuchsweise

verwendet wurden, die zweifellos bei den hohen Arbeitstemperaturen noch eine überlegene Härte und genügende Zähigkeit zur Aufnahme der Arbeitsbeanspruchung besaßen, ergab sich doch ein ungewöhnlich schneller Verschleiß besonders der Teile, an denen infolge erhöhten Druckes des Werkstoffes die Legierungsneigung besonders groß war. Diesen auf Legieren des Werkzeugs mit dem Werkstoff beruhenden Verschleiß zu verringern, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Sie wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem eigentlichen Kern des Werk-¹S zeugs oder Arbeitsgeräts eine Oberflächenschicht hergestellt wird, die sich mit dem Werkstoff bei der Arbeitstemperatur gar nicht oder doch erheblich schwerer legiert, als es der Kernstoff des Werkzeuges in Berührung mit dem Werkstoff tun würde. Diese Oberflächenschicht oder Arbeitsfläche kann aus einem zusammengesetzten Stoff bestehen, der als solcher nicht mit dem Werkstoff legierungsfähig ist, während seine Komponenten ^a5 sich mit dem Werkstoff leicht legieren können. Als Beispiel sei Siliciumcarbid erwähnt, das sich dem Werkstoff Eisen gegenüber metallurgisch völlig träge verhält, während seine Einzelkomponenten in ungebundener Form sich leicht mit Eisen legieren. Der Grund liegt darin, daß sowohl das Silicium zum Kohlenstoff als auch der Kohlenstoff zum Silicium eine weit höhere Bindungsaffinität hat, als es diese Elemente dem Eisen gegenüber besitzen.

In anderer Weise kann die Arbeitsfläche dadurch verhältnismäßig schwer legierbar gemacht werden, daß sie, wenigstens in ihrer äußersten Schicht, hoch mit einem Stoff angereichert wird, der sich mit dem Werkstoff praktisch überhaupt nicht legiert. Um z. B. Wolframdrähte heiß zu ziehen, könnte man sich einer Ziehdüse aus einer Molybdän-, legierung bedienen, die an sich über die nötige Härte bei der hohen Ziehtemperatur verfügt. Die nahe metallurgische Verwandtschaft von Wolfram und Molybdän führt aber bereits bei diesen Temperaturen zu einem Legierungsprozeß und damit einem Verschleiß der Molybdändüse. Tn diesem Falle ist auf dem Kernstoff aus einer Molybdänlegierung eine Oberflächenschicht vorteilhaft, die in hohem Grade, zu 60 °/₀ und darüber, mit Kupfer angereichert ist. Dieses weiche Metall verhält sich dem heißen Wolframdraht gegenüber völlig träge und verringert dadurch die Legierungsfähigkeit der Arbeitsfläche außerordentlich; andererseits bildet es mit dem Molybdän eine genügend harte und zähe Legierung, um mechanisch genügend widerstandsfähig zu sein.

Im allgemeinen wird der die Legierungsfähigkeit des Werkstoffs mit dem Werkzeug herabsetzende, elementare oder zusammengesetzte Stoff die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Werkzeugs nur unvollkommen besitzen. Es empfiehlt sich dann, seinen Gehalt in der Oberflächenschicht um so mehr zu verringern, je näher die betreffende Schicht dem Werkzeugkern liegt. Durch diese Maßnahme der nach außen zunehmenden Sättigung der Oberflächenschicht erzielt man wegen stetiger Übergänge in metallurgischer Beziehung auch stetige Übergänge der mechanischen Eigenschaften.

Stoffe, die sich mit dem Werkstoff schwer legieren, sind nun häufig allgemein metallurgisch träge, legieren sich daher zuweilen auch schlecht mit dem Kernstoff des Arbeitsgeräts. Als Beispiel sei Silber angeführt, das sowohl mit dem Werkstoff Eisen als auch mit dem Werkzeugkernstoff Stahl oder Wolfram in Legierung gar nicht oder nur in geringem Maße legierbar ist. In diesem Falle wird das Silber metallurgisch an einen anderen Stoff gebunden, der seinerseits entweder unmittelbar oder mittelbar über einen weiteren Stoff mit dem Kernstoff gut legierbar ist. Als Vermittler kann z. B. Platin dienen, das sowohl mit dem Schutzstoff Silber als auch dem Kernstoff Stahl sich innig legiert.

Die gleiche mittelbare Bindung ist nötig, wenn der den Legierungsverschleiß herabsetzende Stoff bei der Arbeitstemperatur zu weich sein würde. In diesem Falle muß durch Anlagerung eines hoch schmelzenden Stoffes für genügende Festigkeit gesorgt werden. Für Silber als Schutzstoff kann wiederum Platin als Vermittler dienen, das den Schmelzpunkt der Legierung der Arbeitsfläche in der erforderlichen Weise heraufsetzt. Damit der erfindungsgemäße Zweck erreicht wird, muß natürlich der Platingehait der Oberflächenschicht nach außen abnehmen. Je nach Werkstoff und Kernstoff des Werkzeuges lassen sich aus den bekannten Legierungstafeln (vgl. z. B. Guertler, Metalltechn. Kalender, 1927, S. 214) die Stoffe ermitteln, die nach der durch die Erfindung vermittelten, technischen Regel zum Aufbau der no Oberflächenschicht geeignet sind.

Der Aufbau der Oberflächenschicht mit nach dem Inneren des Kernstoffs hin abnehmender Konzentration des Schutzstoffs läßt sich in gewisser Weise mit der Außenstruktür von Stählen vergleichen, die z. B. durch Einsatzhärtung oder Nitrierung in zunehmender Konzentration nach der Oberfläche hin mit Kohlenstoff bzw. Stickstoff angereichert sind. Es sei jedoch ausdrücklich betont, daß eine solche Oberflächenzementierung, wie sie bereits zur Verminderung dea mechanischen

Verschleißes bei Heißformwerkzeugen aus Stahl und Hartmetall vorgeschlagen wurde, diesen zwar bei nicht zu hohen Arbeitstemperaturen beschränken kann, daß sie aber nicht, wie Versuche ergaben, zur Herabsetzung auch des Legierungsverschleißes nach der Erfindung geeignet ist. Im Gegenteil ist ein Kohlenstoffzusatz bekanntlich im allgemeinen gleichbedeutend mit einem Unedlermachen ίο des zementierten Metalls; Legierungsbildung mit anderen Stoffen wird nicht hintangehaiten, sondern gefördert.

Die Maßnahme, Werkzeuge und Arbeitsgeräte mit einer vom Kernstoff verschiedenen

»5 Oberflächenschicht als Schutzschicht zu versehen, ist übrigens bereits zu dem Zwecke vorgeschlagen worden, die Werkzeuge bzw. Geräte vor chemischem Angriff durch stark saure oder alkalische Schmelzen bzw. duktile Werkstoffe zu schützen. Nach diesem bekannten Vorschlag werden z. B. Oxydschichten oder Überzüge aus korrosionsfesten Metallen, wie Chrom, verwendet. Solche Schutzschichten haben aber nichts zu tun mit dem Gegenstand der Erfindung, die sich den Schutz eines Werkzeuges gegen Legierungsverschleiß zur Aufgabe gesetzt hat. Diesen Zweck können die chemisch widerstandsfähigen Überzüge im allgemeinen nicht erfüllen, da z. B. Metalle, wie Chrom, sich mit Werkstoffen, wie Eisen, vorzüglich legieren. Umgekehrt sind die legierungsfesten Arbeitsflächen nach der Erfindung im allgemeinen nicht chemisch widerstandsfähig und brauchen es auch nicht zu sein, da die zu verformenden Werkstoffe sich fast durchweg chemisch neutral verhalten. Sollte "in Ausnahmefällen doch auch ein chemischer Angriff auf die Arbeitsfläche zu erwarten sein, z. B. durch Zunderung, so ist die Schutzschicht sowohl nach dem Gesichtspunkt der geringen Legierbarkeit als auch der Korrosionsbeständigkeit herzustellen.

Zur Herstellung der Oberflächenschicht nach der Erfindung sind praktisch alle Verfahren brauchbar, die auch sonst zur Herstellung von Körpern mit Schichten verschiedener Zusammensetzung dienen. Es seien erwähnt Verfahren zur Herstellung von Überzügen durch Eintauchen, Anreiben, Aufspritzen, durch Reduzierung einer aufgebrachten Metallsalzschicht u. dgl. m. Besonders einfach und in seinem Verlauf gut beobachtbar ist das elektrolytische Niederschlagen der zum Aufbau der Oberflächenschicht dienenden Stoffe.

Ferner kann die Schutzschicht gewonnen werden durch Eintauchen des Kernstoffs in die flüssige oder dampfförmige Phase der zum Aufbau der Oberflächenschicht benötigten Bestandteile, und zwar entweder in der Weise, daß die betreffende Phase allmählich mit dem nicht mit dem Werkstoff legierbaren Stoff angereichert wird, oder daß der Kernstoff abwechselnd in die Phasen der verschiedenen Stoffe, und zwar mit zunehmender Dauer in die des nichtlegierbaren Stoffes eingebracht wird. Eine Abart des Niederschlagens aus der Dampfphase stellt die kathodische Aufstäubung der Oberflächenschicht dar, eine Abart der Herstellung aus der flüssigen Phase das Eintauchen eines vorgesinterten Körpers in eine Schmelze aus den zum Aufbau der Oberflächenschicht gebrauchten Bestandteilen, die oberflächlich in den Sinterkörper eindringen und nach dessen Fertig-Sinterung, die vorteilhaft unter Druck erfolgt, den erfindungsgemäßen Zweck erfüllen.

Eine Abart des elektrolytischen Verfahrens ist das Eintauchen in Salzlösungen unter Austausch des Metallions der Lösung gegen das Metallion des Werkzeugstoffs.

Da sich die Oberflächenschicht aus mehreren Stoffen aufbaut, die nicht immer durch das gleiche Verfahren niederzuschlagen sind, können die beschriebenen Verfahren auch in beliebiger Kombination Verwendung finden.

Schließlich seien noch zwei metallurgische Verfahren erwähnt, die wegen der dabei in Frage kommenden Arbeitsweise dem Metallurgen besonders geläufig sind. Das eine be- go zieht sich auf das Umgießen des Kernstoffs mit der Oberflächenschicht bzw. auf das Eingießen des Kernstoffs in eine aus den Bestandteilen der Oberflächenschicht gebildete Hülse. In beiden Fällen wird, namentlich bei genügender Vorwärmung, eine innige Bindung zwischen beiden Körpern erzielt. Das gleiche gilt für das zweite Verfahren, bei dem von einer flüssigen Schmelze des Kernstoffs in Mischung mit den Bestandteilen der Oberflächenschicht ausgegangen wird und bei dem die Trennung von Kernstoff und Oberflächenschicht ausgegangen wird und bei dem die Trennung von Kernstoff und Oberflächenschicht durch Zentrifugieren der Schmelze in einer Form geschieht, die dem fertigen Arbeitsgerät entspricht. Die Schleuderachse entspricht der Achse des Arbeitsgeräts. Naturgemäß kommt dies bis zur Erstarrung der Schmelze durchzuführende Verfahren nur in Frage, wenn die Oberflächenschicht mit ihren Komponenten entweder spezifisch leichter oder schwerer ist als der Kernstoff. Handelt es sich um die Herstellung der Oberfläche solcher Arbeitsgeräte wie Matritzen, Ziehsteine, Preßzylinder, Drehlager, die auf ihrer Innenseite mit dem Werkstoff in Berührung kommen, so kann das Schleuderverfahren nur Anwendung finden, wenn die Bestandteile der Arbeitsfläche spezifisch leichter sind als der Kernstoff, während umgekehrt für Preß dorne, Walzstopfen, spanabhebende Werkzeuge,

Walzwerke und hochbeanspruchte Wellen der Kernstoff spezifisch leichter sein muß. Hierbei sei erwähnt, daß der Begriff »außen« hier stets gebraucht ist im Sinne der Arbeitsfläche, die auf den Werkstoff einwirkt.

Wo nicht schon durch die Eigenart des Aufbringverfahrens der Oberflächenschicht ein allmählicher Übergang vom Schutzstoff, der die Legierungsfähigkeit des Werkzeugs

ι» herabsetzt, zum Kernstoff gegeben ist, empfiehlt es sich, das mit der Oberflächenschicht versehene Werkzeug oder Arbeitsgerät einem Glühprozeß auszusetzen, um durch Auslösung etwa noch vorhandener Lösungstensionen zwischen den verschiedenen Komponenten möglichst stetige Gefügeübergänge zu erhalten.

Falls die Eigenart des Kernstoffs und der Oberflächenschicht es zuläßt, können die

'-ο Arbeitsgeräte oder Werkzeuge noch sonstigen Veredelungsverfahren unterworfen werden, z. B. einer Härtung der Oberflächenschicht durch Abschrecken und Wiederanlassen, durch Nitrierung oder Carburierung, durch Einlagerung von Stoffen zur Verhütung chemischen Angriffs.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Werkzeug oder Arbeitsgerät zur Warmformgebung bis zum duktilen Zustande erhitzter Werkstoffe, insbesondere mittels Strangpresse, dadurch gekennzeichnet, daß das nach Form und Stoff an sich bekannte Werkzeug oder Arbeitsgerät, z. B. aus Stellit, Naturstahl oder Hartmetall, an seiner Arbeitsfläche aus einem Stoff besteht, der sich mit dem zu verformenden, duktilen Werkstoff bei der Arbeitstemperatur nicht oder in erheblich geringerem Maße legiert, als es das Kernmaterial des Werkzeugs oder Arbeitsgeräts in Arbeitsberührung mit dem Werkstoff tun würde.
2. 2. Werkzeug oder Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des den Legierungsverschleiß herabsetzenden Stoffes von der Arbeitsfläche nach dem Inneren des Kernstoffs hin abnimmt.
3. 3. Werkzeug oder Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallurgische Verbindung zwischen dem den Legierungsverschleiß herabsetzenden Stoff und dem Kernstoff des Werkzeugs durch Bestandteile vermittelt ist, die sich mit beiden gut legieren.
4. 4. Werkzeug oder Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflächeeinen höheren Schmelzpunkt^besitzt_ als der den Legierungsverschleiß herabsetzende Stoff durch dessen Legierung mit einem hochschmelzenden, einheitlichen oder zusammengesetzten Stoff.
5. 5. Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen und Arbeitsgeräten nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernstoff in vorgesintertem Zustande in an sich bekannter Weise durch Eintauchen in die Schmelze oder den Dampf des den Legierungsverschleiß herabsetzenden Stoffes und gegebenenfalls der zusätzlichen Bestandteile, die den Schmelzpunkt der Arbeitsfläche erhöhen bzw. ihre metallurgische Bindung mit dem Kernstoff vermitteln, diese oberflächlich aufnimmt, worauf, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Verdichtung, die Fertigsinterung erfolgt.
6. 6. Verfahren zur Herstellung der Werkzeuge oder Arbeitsgeräte nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche durch Schleuderung der sie bildenden Bestandteile mit dem Kernstoff im flüssigen Zustande bis zur Erstarrung erzeugt wird.