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Diese
Erfindung betrifft eine Warmmatrizen-Schmiedepresse, insbesondere
zum Isothermschmieden, sowie ein Isolationsmittel für die Schmiedepresse.
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Beim
Schmieden mit Warmmatrizen wird eine obere Matrize auf eine untere
Matrize abgesenkt, um das zu schmiedende Werkstück zunehmend zu pressen, wobei
die Matrizen auf eine hohe Temperatur erwärmt sind (üblicherweise über 800°C). Bei dieser
Schmiedeart befindet sich das Material des zu schmiedenden Werkstücks in einem Temperaturzustand,
der dem Bereich seiner Schmiedbarkeit entspricht. Die Dauer des
Schmiedens ist beim Schmieden mit Warmmatrizen relativ lang und
wird zumindest nicht auf einen kurzen Augenblick reduziert, der
einem Schock entspricht. Diese Art des Schmiedens wird im Allgemeinen
angewendet, um schwierig zu schmiedende Werkstücke zu formen, die beispielsweise
große
Oberflächen aufweisen
oder bei denen metallurgisch komplizierte Werkstoffe verwendet werden.
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Diese
Erfindung betrifft zunächst
eine Warmmatrizen-Schmiedepresse, und insbesondere eine Schmiedepresse
zum Isothermschmieden, d. h. einer Schmiedeart, bei der die Matrizen
und das zu schmiedende Werkstück
während
des gesamten Schmiedevorgangs auf der selben, gleichbleibenden Temperatur
gehalten werden. Die Erfindung ist ferner auf den allgemeineren
Fall des Schmiedens mit Warmmatrizen anwendbar, bei dem die Matrizen
auf einer gleichbleibenden Temperatur gehalten werden und das Werkstück, das
vor dem Schmieden auf eine höhere
Temperatur als die Matrizen gebracht wird, sich während des
Schmiedevorgangs abkühlt.
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Eine
Warmmatrizen-Schmiedepresse weist allgemein eine untere Matrize
und eine obere Matrize auf, die von einem unteren Pressentisch und
einem oberen Pressentisch gehalten werden, eventuell mit einer dazwischen
angeordneten Halteplatte. Da die Temperatur in dem Material des
zu schmiedenden Werkstücks
gleichmäßig sein
muss, um das Auftreten von Schmiedefehlern wie Falten oder Rissen
zu vermeiden, und um die Entstehung von leistungsstarken Mikrostrukturen
in dem Werkstück
zu fördern, befinden
sich die Matrizen unter sehr hohen Temperaturen (über 800°C), während die Tische
oder die Zwischenplatten, die häufig
aus Stahl bestehen, auf niedriger Temperatur bleiben müssen, um
ihre mechanischen Eigenschaften zu bewahren. Es muss folglich eine
gute Wärmeisolation
zwischen den Matrizen und ihrem Pressentisch oder der Halteplatte gewährleistet
sein.
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Zu
diesem Zweck wird, wie der bisherige Stand der Technik lehrt, zwischen
jeder Matrize und ihrem Matrizenhalterelement ein Mittel zur Wärmeisolation
vorgesehen, das eine Aufeinanderfolge von (im Allgemeinen zwei bis
drei) dicken Platten aus Metalllegierungen und Werkstoffen mit geringer
Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise massive Keramiken wie z. B. auf Basis von Zirkon,
Siliziumoxid oder Pyrographit umfasst und eine hohe mechanische
Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweist.
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Aus
der Schrift
US 3,926,029 ist
eine Presse gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bekannt.
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In
der Schrift
JP 63 171 239 wird
vorgeschlagen, eine Schicht aus Keramikstoff (Si
3N
4 oder ZrO
2) zwischen
jeder Zwischenplatte vorzusehen, welche in einer Struktur aneinandergrenzender
Säulchen
mit polygonalem Querschnitt ausgeführt ist.
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Diese
Isolationsmittel haben eine sehr große Stärke, da der Temperaturgradient
zwischen den Matrizen und ihren Matrizenhalterelementen sehr hoch ist.
Beispielsweise kann die Stärke
eines solchen Mittels bei jedem Tisch einer Presse von 4000 Tonnen 600
Millimeter betragen, d. h. insgesamt bei dieser Presse 1200 Millimeter,
was die verfügbare
Höhe zwischen
den Pressentischen zum Einlegen des zu schmiedenden Werkstücks entsprechend
reduziert.
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So
ist es nicht immer möglich,
zum Schmieden mit Warmmatrizen herkömmliche Pressen zu verwenden,
und sie müssen
durch neue, größere Pressen
ersetzt werden, was eine beträchtliche
Erhöhung
der Investitionen und der Herstellungskosten mit sich bringt.
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Außerdem werden
für diese
Isolationsmittel in großer
Menge Materialien gebraucht, die an und für sich teuer sind (Superlegierungen
auf Nickelbasis, Legierungen auf Kobaltbasis, Keramikstoffe) und schwer
zu bearbeiten sind. Die Kosten sind also sehr hoch.
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Die
Anmelderin hat versucht, die Stärken
der Isolationsmittel für
die Warmmatrizen-Schmiedepressen
zu reduzieren, um hinsichtlich der oben dargelegten Nachteile Abhilfe
zu schaffen.
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Daher
betrifft diese Erfindung eine Warmmatrizen-Schmiedepresse gemäß Anspruch
1.
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Mit
dieser Erfindung ist es da die Werkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit
bei hohen Temperaturen oft eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen,
mittels der Schicht des ersten Werkstoffs die Temperatur ausreichend
zu senken, damit der zweite Werkstoff sich in einem Temperaturbereich
befindet, in dem seine mechanischen Eigenschaften für seine Verwendung
in der Presse ausreichen, wobei dieser zweite Werkstoff es dank
seiner geringen Wärmeleitfähigkeit
ermöglicht,
das Halterelement gegenüber der
Matrize wirksam zu isolieren. So kann die Stärke des Isolationsmittels gering
sein: Es genügt,
dass die Stärke
der ersten Schicht ausreicht, um einen Wärmeschutz für die zweite Schicht zu bilden,
damit sie ihre mechanischen Eigenschaften bewahrt, wobei die also
eine sehr geringe Stärke
haben kann, wenn sie eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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So
ist es durch Kombinieren der mechanischen und wärmetechnischen Eigenschaften
der beiden Schichten möglich,
die Stärke
des zwischen jeder Matrize und ihrem Halterelement befindlichen Wärmeisolationsmittels
zu verringern.
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Vorzugsweise
bestehen die Matrizenhalterelemente aus Stahl.
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Ebenfalls
vorzugsweise ist die Presse für
das Schmieden von Werkstücken
unter einem Druck von mehr als 20 Mpa ausgelegt.
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Vorteilhafterweise
ist der erste Werkstoff eine Keramik.
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Mit
der Verwendung dieser Werkstoffe gelang es der Anmelderin, ein Isolationsmittel
für eine Presse
von 4000 t zu schaffen, dessen Gesamtstärke für die beiden Schichten 100
Millimeter beträgt,
wodurch die Stärke
des Isolationsmittels im Vergleich zum bisherigen Stand um mehr
als 83% verringert wird.
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Hinsichtlich
des Zwischenprodukts betrifft die Erfindung ferner ein Isolationsmittel
für die
Warmmatrizen-Schmiedepresse gemäß Anspruch
6.
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Die
Erfindung ist insbesondere für
das Isothermschmieden anwendbar, jedoch beabsichtigt die Anmelderin
nicht, die Reichweite ihrer Rechte auf diese Anwendung zu beschränken.
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Die
Erfindung geht näher
aus der folgenden Beschreibung der Warmmatrizen-Schmiedepresse und des Wärmeisolationsmittels
der Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
hervor, wobei
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1 in
einer schematischen Schnittansicht die bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Warmmatrizen-Schmiedepresse
zeigt, und
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2 in
einer perspektivischen, schematischen Teilansicht im Schnitt die
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeisolationsmittels
zeigt.
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Bezugnehmend
auf 1 weist die erfindungsgemäße Warmmatrizen-Schmiedepresse 1 einen
unteren Pressentisch 2 und einen dem unteren Pressentisch 2 gegenüber befindlichen
oberen Pressentisch 3 auf. Der obere Pressentisch 3 kann
in einer vertikalen Vorschubbewegung zum unteren Pressentisch 2 bewegt
werden. Der untere Pressentisch 2 und der obere Pressentisch 3 halten
jeweils eine Zwischenplatte, eine untere Platte 4 bzw.
eine obere Platte 5, die hier aus Stahl bestehen.
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Jede
Zwischenplatte 4, 5 hält eine Matrize, eine untere 7 bzw.
eine obere 8, zum Halten und Pressen eines zu schmiedenden
Werkstücks 9.
Das zu schmiedende Werkstück 9 enthält üblicherweise eine
Metalllegierung, die den Einsatz eines Schmiedeverfahrens mit Warmmatrizen
erfordert. In dem hier in Betracht gezogenen Fall handelt es sich
um ein Isothermschmieden. Seitliche Isolationsmittel, die nicht
dargestellt und dem Fachmann auf diesem Gebiet wohlbekannt sind,
ermöglichen
es, ein solches Verfahren durchzuführen.
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Ein
Wärmeisolationsmittel 6, 6' findet zwischen
jeder Platte 4, 5 und der von ihr gehaltenen Matrize 7, 8 Aufnahme.
Die beiden Wärmeisolationsmittel 6, 6' sind hier identisch
und bestehen in der Form einer quaderförmigen Platte mit polygonaler Basis,
die der Geometrie der Platte 4, 5 und der Matrize 7, 8 angepasst
ist, zwischen denen sie aufgenommen sind, wobei sie in der einen
oder in der anderen Richtung gewendet sind, je nachdem, ob sie sich
in der unteren Position (6) oder in der oberen Position
(6') befinden.
Die Form der Platten, Matrizen und Wärmeisolationsmittel ist hier
als Darstellungsbeispiel angegeben und gilt nicht einschränkend. Die Platten
und Matrizen könnten
einen kreisförmigen oder
polygonalen Abschnitt aufweisen, wobei die Wärmeisolationsmittel dann in
der Form einer Platte mit angepasster kreisförmiger oder polygonaler Basis
bestünden.
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Die
Matrizen 7 und 8 werden durch geeignete Heizmittel,
beispielsweise elektrische Widerstände, die nicht dargestellt
sind, auf eine hohe Temperatur T erwärmt, beispielsweise für ein zu
schmiedendes Werkstück 9 aus
Titanlegierung oder Nickellegierung auf mehr als 800°C.
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Bezugnehmend
auf 2 umfasst jedes Wärmeisolationsmittel 6, 6' zwei aufeinanderliegende
Isolationsschichten A und B, die unterschiedliche Werkstoffe enthalten.
Die erste Schicht A enthält
einen ersten Werkstoff, von seiner Art her ein Keramikstoff, genauer
ausgedrückt
ein monolithischer Keramikstoff des Typs Zirkonium, der eine erste
Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Diese Keramik ist in vorliegendem Fall magnesiastabilisiert
(MgO). Je geringer die Wärmeleitfähigkeit
eines Werkstoffs ist, desto größer ist
das Wärmeisolationsvermögen dieses
Werkstoffs. Die zweite Schicht B enthält einen zweiten Werkstoff, in
vorliegendem Fall einen Mika-Werkstoff, genauer ausgedrückt einen
Mika-Werkstoff, der unter dem eingetragenen Markennamen „Pamitherm" im Handel ist, und
der eine zweite Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Jedes Wärmeisolationsmittel 6, 6' ermöglicht es,
mittels seiner beiden aufeinanderliegenden Schichten A, B eine Funktion
der Wärmeisolation zwischen
einer Matrize 7, 8 und ihrer Zwischenhalteplatte 4, 5 zu
gewährleisten.
Die erste Schicht A befindet sich auf der Seite der Matrize 7, 8,
die zweite Schicht B auf der Seite der Zwischenplatte 4, 5.
Die Wärmeleitfähigkeit
der zweiten Schicht B ist geringer als die Wärmeleitfähigkeit der ersten Schicht
A.
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Die
erste Schicht A beinhaltet hier aneinandergrenzende Säulchen
10 aus
Keramik mit polygonalem oder kreisförmigem Querschnitt. Die Säulchen
10 sind
hier zylinderförmig.
Diese Säulchen
können vollkommen
verschachtelt aneinander angeordnet sein, wie in der oben genannten
Schrift
JP 63 171 239 ,
oder, wie in dem hier betrachteten, vorliegenden Fall, durch Trennwände
11 oder
Füllmaterial
11,
welches einen anderen geeigneten Werkstoff wie beispielsweise einen
faserigen Isolierstoff des Typs Mineralwolle enthält, voneinander
getrennt sein. Diese Art Kombination zwischen den Keramiksäulchen
10 und
einem wärmeisolierenden
Füllmaterial
11 ist
unter Fachleuten auf dem Gebiet der Wärmeisolation wohlbekannt. Die
zylinderförmigen
Säulchen
10 sind hier
zueinander versetzt angeordnet, um die Zwischenräume zwischen ihnen zu beschränken. Der monolithische
Keramikstoff des Typs Zirkonium besitzt sehr gute mechanische Eigenschaften,
insbesondere Festigkeit, und zwar bis nahezu 1200°C, und bewahrt
daher gut seine mechanischen Eigenschaften bei der Arbeitstemperatur
T der Matrizen
7 und
8, die hier mehr als 800°C beträgt. Seine
Wärmeleitfähigkeit
ist in vorliegendem Fall im Wesentlichen gleich 2 W/m.K, mit einer
Toleranz von 10% (es handelt sich in diesem Fall um die Wärmeleitfähigkeit
der ersten Schicht A, d. h. der Kombination der Keramiksäulchen
10 mit
dem Füllmaterial
11).
Die Säulchen
10 sind
dergestalt ausgebildet, dass eine vollkommene Ebenheit der unteren
und der oberen Oberfläche der
ersten Schicht A erreicht wird, wobei die Kräfte auf diese Weise gleichmäßig verteilt
sind.
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Die
zweite Schicht B weist hier die Form einer vielschichtigen Schicht
aus warmgepressten Mika-Blättern
auf. Der Mika-Werkstoff hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, in vorliegendem Fall
im Wesentlichen 0,2 W/m.K, mit einer Toleranz von 10%, jedoch seine
mechanische Festigkeit nimmt ab einer Temperatur von weniger als
der Temperatur T, in vorliegendem Fall ab TO =
750°C, stark
ab. Falls die Temperatur, der sie ausgesetzt wird, niedriger ist
als TO, kann die zweite Schicht B ihrer
Verwendung in der Presse widerstehen und besitzt ein sehr gutes Wärmeisolationsvermögen.
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Bei
jedem Isolationsmittel 6, 6' befinden sich die beiden Schichten
A und B mit einer ihrer Oberflächen,
die für
beide mit 51 bezeichnet werden, in Kontakt, und zwar ist
die Schicht B längs
einer Oberfläche
S3 in Kontakt mit der Zwischenplatte 4, 5, und
die Schicht A ist längs
einer Oberfläche
S2 in Kontakt mit der Matrize 7, 8.
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Die
Schicht A aus Keramik schützt
die Mika-Schicht B mechanisch vor der hohen Temperatur T der Matrize 7, 8,
die die der Oberfläche
S2 ist, eine Temperatur, bei der die Schicht A aus Keramik ihre mechanischen
Eigenschaften bewahrt, wobei ihre Stärke dergestalt beschaffen ist,
dass auf Grund ihrer Wärmeleitfähigkeit
die Temperatur der Oberfläche
S1 niedriger ist als TO, in vorliegendem
Fall gleich 550°C,
d. h. einer Temperatur entspricht, bei der die Mika-Schicht B eine
für ihre
Verwendung in einer Presse ausreichende mechanische Festigkeit bewahrt.
Die Schicht B ihrerseits ermöglicht
auf Grund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit
ein starkes Absenken der Temperatur zwischen ihrer Oberfläche S1 und
ihrer Oberfläche
S3. Die Temperatur der Oberfläche
S3 ist hier ungefähr
gleich 300°C.
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Mit
anderen Worten, die beiden Schichten A, B werden nach ihren jeweiligen
mechanischen und wärmetechnischen
Eigenschaften gewählt
und zu den Matrizen 7, 8 dergestalt positioniert,
dass die Verwendung einer zweiten Schicht B mit geringer Wärmeleitfähigkeit
ermöglicht
wird, die ihre mechanischen Eigenschaften dank der Isolierung, die
mittels der ersten Schicht A gegenüber der Matrize 7, 8 bewerkstelligt
wird, bewahrt.
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Damit
die Oberfläche
S1 eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als TO,
ist es erforderlich, dass die Stärke
der ersten Schicht A unter Berücksichtigung
ihrer Wärmeleitfähigkeit
mindestens gleich einer gegebenen Minimalstärke Ha ist. Bei einer Presse
von 4000 Tonnen kann diese Stärke
Ha geringer sein als 80 Millimeter. Der Querschnitt der Säulchen 10 kann,
wenn er quadratisch oder rechtwinklig ist, in diesem Fall beispielsweise
Seiten mit einer Länge
von etwa 40 bis 60 Millimeter aufweisen. Wenn der Querschnitt der
Säulchen 10 kreisförmig ist,
kann sein Durchmesser in der Größenordnung von
60 Millimeter liegen.
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Die
Stärke
der zweiten Schicht B wird so gewählt, dass sie mindestens gleich
einer Minimalhöhe Hb
ist, um unter Berücksichtigung
ihrer Wärmeleitfähigkeit
die Temperatur der Oberfläche
S3 auf eine für die
Zwischenplatte 4, 5 annehmbare Temperatur abzusenken.
In dem obigen Beispiel kann Hb geringer sein als 20 Millimeter.
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Die
Stärken
Ha und Hb werden natürlich
in Abhängigkeit
von Temperaturen, die der Fachmann auf diesem Gebiet bestimmt, so
gering wie möglich gewählt, jedoch
so, dass sie ausreichen, um ihre soeben beschriebene Isolierungsfunktion
zu erfüllen.
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Die
Gesamtstärke
(Ha + Hb) des so hergestellten Isolationsmittels kann bei einer
Presse von 4000 Tonnen pro Matrize weniger als 100 Millimeter betragen,
d. h. 200 Millimeter insgesamt für
die beiden Isolationsmittel zusammen. Die Abmessungen und insbesondere
die Stärke
der Gesamtanordnung, die aus den Pressentischen, ihrer Zwischenplatte und
der von ihnen gehaltenen Matrize besteht, werden auf diese Weise
beträchtlich
reduziert. Es ist daher möglich,
ein Schmiedeverfahren mit Warmmatrizen auf herkömmlichen Pressen durchzuführen, ohne
ihre Abmessungen vergrößern zu
müssen,
und dabei zwischen den Matrizen einen Zwischenraum in der Höhe zu gewähren, der
für das
Anordnen des zu schmiedenden Werkstücks 9 ausreichend
ist.
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Die
beiden Schichten A und B können
entweder einfach übereinanderliegend
angeordnet werden, oder in angemessener Weise miteinander verbunden werden.
Es kann eine mechanische Verbindung zwischen ihnen vorgesehen werden,
beispielsweise mittels Spannriegeln, die jeweils durch die Schichten
A und B hindurch verlaufen und an der Platte 4, 5 und an
der entsprechenden Matrize 7, 8 angehängt werden.
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Die
Arbeitsweise der Presse 1 bei einem Schmiedeverfahren mit
Warmmatrizen ist ferner vollkommen klassisch, indem der obere Pressentisch 3 abgesenkt
wird, um das zu schmiedende Werkstück 9 zwischen den
beiden Matrizen 7, 8 zu pressen.