DE68905420T2

DE68905420T2 - Verfahren zum verbinden eines werkzeugmaterials mit einem traeger und danach hergestelltes werkzeug.

Info

Publication number: DE68905420T2
Application number: DE8989308627T
Authority: DE
Inventors: Pravin Mistry
Original assignee: CMB Foodcan PLC
Current assignee: Crown Packaging UK Ltd
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2009-08-25
Also published as: GB2222543B; GB8919245D0; DE68905420D1; EP0361678B1; ZA896608B; GB8821044D0; ATE86905T1; EP0361678A1; JPH02112885A; US5054682A; CA1322437C; GB2222543A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diffusionskontaktierung eines Werkzeugmaterials an einem metallischen Träger und insbesondere aber nicht ausschließlich die Herstellung von Werkzeugen aus einem Werkzeugmaterial mit einer verteilten harten Phase in einer Metallmatrix, welche an einem metallischen Träger, wie er zu Druckarbeiten benutzt wird, befestigt ist.
Während der Herstellung von Dosen aus Zinn mit zylindrischen Rohlingträgern aus der Legierung 650 (die der Legierung M2 entspricht, die eine Zusammensetzung hat aus 6 Prozent Wolfram, 5 Prozent Molybdän, 4 Prozent Chrom, 2 Prozent Vanadium und 0,85 Prozent Kohlenstoff) welches eine brauchbare Härte aufzeigt, um abreibender Abnutzung zu widerstehen, ist ein Wachsen einer ringförmigen Rille in der flachen Endfläche des Rohlingträgers festgestellt worden. Die flache Oberfläche der Endfläche zeigt auch abhebende und anhaftende Abnutzung und wird beschädigt Wie es in der Fig. 11 zu erkennen ist, ist durch die freie Kante jeder Dose eine Nut G durch abtragende und anhaftende Effekte hergestellt, wenn diese Dose an der Endseite des Rohlinghalters vorbeibewegt wird. Dann versagte jeweils der Rohlingsträger, wenn ein gekrümmter Kantenabschnitt "F" abbrach. Das Auftreten der Nut und der Abnützungsschaden sind nicht zu tolerieren, weil die eingetretenen Oberflächenschäden der Endflächen auch die Oberflächen der Dosen beschädigten. Das Abbrechen eines gekrümmten Endabschnitts war überhaupt nicht zu akzeptieren. Der Abtrag der Oberfläche der Endfläche bewirkte ebenfalls die Verringerung des Druckes des Rohlingträgers, welches die Nachziehbewegung beeinträchtigte.
Während die Werkzeugmaterialien, die Titankarbid in einer Eisenmatrix enthalten, einen guten Widerstand bei abtragender Abnutzung zeigen, können Schwierigkeiten auftreten, wenn das Titankarbid tragende Material an dem metallischen Werkstückhalter gelötet wird, falls sich der lineare Ausdehnungskoeffizient wesentlich zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Trägermaterial unterscheidet.
Demgemäß basiert die vorliegende Erfindung auf der bekannten Technik der Diffusionskontaktherstellung durch eine metallische Zwischenschicht, die zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Trägermaterial angeordnet ist. In Kapitel 8 des "Solid phase welding of metals" von R.F. Tylecote, 1968, zeigt ein Übersichtsartikel der Prinzipien der Diffusionskontaktierung mit und ohne eine Zwischenschicht. Tylecote diskutiert aber nicht Cermet- und Keramik-Werkzeugmaterialien und Werkzeughaltermaterialien, um Werkzeuge oder andere der Abnützung widerstehende Oberflächen herzustellen. Beim Diffusionskontaktieren wird das Werkzeugmaterial, nachdem Wärme und Druck für eine vorbestimmte Zeit eingewirkt haben, durch eine Interdiffusion der Bestandteile des Werkzeugmaterials und/oder des Werkzeughalters in den jeweils anderen verbunden.
Das "Cermet-" und keramische Werkzeugmaterial, bei dem es sich um den Gegenstand dieser Erfindung handelt, umfaßt häufig eine verteilte harte Phase in einer Matrix, die metallisch ( hier "ein Cermet" genannt) oder keramisch (hier "keramisch" genannt) sein kann. Die harte Phase kann in der Form von Karbiden, Nitriden oder Boriden vorliegen, die, falls sie einer längeren Heizdauer während der Diffusionskontaktierung unterworfen werden, in ihrer Korngröße zu ungewünschten Ausmaßen wachsen können. Weiterhin können sich einige sekundäre Karbide, Nitride oder Boride während der Diffusionskontaktierung in ihre Bestandteile zerlegen und der Kohlenstoff, der Stickstoff oder das Bor können in einen metallischen Werkzeughalter diffundieren und die Mikrostruktur zerstören. Zum Beispiel können wesentliche Anteile Kohlenstoff, die aus einem Werkzeugmaterial in einen Stahlwerkzeugträger wandern, den Kohlenstoffgehalt zu einem Niveau anwachsen lassen, bei dem ein dauerhaftes Martensit in einem bestimmten Bereich gebildet wird, der benachbart zu der Verbindung in dem verbundenen Gegenstand nach dem Ablöschen liegt.
Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Diffusions-Kontaktherstellung eines Verbundwerkstoff-Werkzeugmaterials aus
(i) Titankarbid und/oder Titandiborid in einer Metallmatrix, oder
(ii) Titankarbid und Titannitrid in einer Metallmatrix, oder
(iii) Siliziumkarbid oder Aluminiumnitrid in einer Aluminiumoxidmatrix, oder
(iv) Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid in einer Siliziumkarbidmatrix, oder
(v) Siliziumkarbid in einer Siliziumnitridmtrix oder in einer Stahlmatrix
mit einem Trägermaterial aus Eisenlegierung geschaffen,
wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt, des Aufbringens einer Zwischenschicht, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Nickel, Titan und Wolfram besteht, zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Trägermaterial, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von weniger als 50 Mikrometer aufweist, daß die zusammengeführten Elemente einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Zwischenschicht, im Bereich zwischen 1150 und 1780 º Celsius, unterworfen und einem Bondingdruck zwischen 10 und 45 bar ausgesetzt wird, um die Zwischenschicht vollständig in dem Werkzeugmaterial und in dem Trägermaterial zu verteilen, um diese miteinander zu verbinden.
Die Vorteile die sich aus der Schaffung der metallischen Zwischenschicht ergeben, umfassen:
(a) eine gewisse Kompensation für Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Trägermetall,
(b) eine gewisse Steuerung der Diffusion des Kohlenstoffs, des Stickstoffs oder des Bors aus dem Werkzeugmaterial in das Trägermetall, und
(c) ein Bondingverfahren, welches in kürzerer Zeit durchgeführt werden kann und daher die verschlechternde Zusammenballung der harten Phase und/oder der Ausbildung von ungewünschten Mikrostrukturen im Werkzeug- oder Werkzeughaltermaterial vermeidet.
Beispiele der Diffusionskontaktherstellung durch eine Zwischenschicht aus Metall, die zwischen zwei Materialien angeordnet wird, sind in den folgenden Dokumenten beschrieben:
(i) Patent Abstracts of Japan, Volume 7, No. 240 (M-251) 1385, 25. Oktober 1983, Seite 87, M 251; JP-A-58 128 281 (HITACHI SEISAKUSHO K.K) 30.07.1983.
(ii) Chemical Abstracts, Volume 109, No. 10, 5. September 1988, Seite 316, abstract No. 78397y, Columbus, Ohio, USA; T. NARITA et al.: "Bonding of silicon nitride (Si&sub3;/N&sub4;) ceramics and an Fe-26Cr alloy using titanium foils and a nickel interlayer", & MEM. FAC. ENG., HOKKAIDO UNIV. 1987, 17(2), 155-65.
(iii) WELDING INTERNATIONAL, Volume 1, No. 11, 1987, Seiten 1056-1057, Abington, Cambridge, GB; G.A. SHCHEPETINA et al.: "Diffusion bonding KNT16 tungsten free hard alloy to ShKh15 steel".
(iv) Chemical Abstracts, Volume 106, No. 20, 18. Mai 1987, Seite 244, abstract no. 160243s, Columbus, Ohio USA; Y. NAKAJIMA et al.: "Diffusion bonding between hard metal and tool steel", & NIPPON KINZOKU GAKKAISHI 1987, 51(3), 228-33.
(v) FR-A-2 556 070 (CERAVER).
(vi) EP-A-0 090 657 (DE BEERS).
Keines dieser sechs Dokumente beschreibt ein Diffusionskontakt-Herstellungsverfahren, bei dem die Diffusionskontaktierung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die oberhalb des Schmelzpunktes der Zwischenschicht liegt, wobei das Diffusionskontakt-Herstellungsverfahren fortgeführt wird, bis die Zwischenschicht in die beiden zu verbindenden Materialien diffundiert ist, oder die Diffusionskontaktierung bei einem Bondingdruck zwischen 10 und 45 bar durchgeführt wird.
In einem ersten Ausführungsbeispiel umfaßt das Werkzeugmaterial zwischen 28 und 35 Volumenprozent Titankarbid, welches in einer Stahlmatrix verteilt ist, die Chrom, Molybdän und Nickel umfaßt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt das Werkzeugmaterial 8 bis 15 Volumenprozent Titan-Diborid oder 12 bis 18 Prozent Titannitrid, welches in der Matrix verteilt ist.
Die metallische Zwischenschicht kann aus Nickel sein, wenn der metallische Träger aus Stahl besteht. In diesem Falle ist die Nickelschicht ungefähr 10 um dick. Alternativ dazu kann eine Zwischenschicht aus Titan in der Nähe des Werkzeugmaterials angeordnet sein, und die Nickelschicht ist zwischen der Titanschicht und dem metallischen Werkzeughalter angeordnet. In diesem Falle ist die Titanschicht vorzugsweise ungefähr 2 um dick und die Nickelschicht ist ungefähr 8 um dick.
Während Zwischenschichten bis zu 50 um Dicke benutzt werden können, führt die Zeit, die notwendig ist, um die Diffusion vollständig ablaufen zu lassen, zu einer Erhöhung der Gefahr der Verschlechterung des Werkzeugmaterials oder des Trägers.
Die metallische Zwischenschicht kann auf eine jeweilige Oberfläche durch Galvanisieren oder Sputtern oder thermisches Sprühen aufgetragen werden. Die Diffusionskontaktierung wird vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1150 und 1460 ºC für eine Zeitdauer zwischen 30 und 75 Minuten und bei einem angewandten Druck im Bereich zwischen 10 und 28 bar ausgeführt.
Der Kontaktdruck, um die Zwischenflächen in funktionellen Kontakt zu bringen, kann manchmal durch das Gewicht des einen Elementes auf dem anderen erreicht werden. Leichte Elemente können die Notwendigkeit einer Ausnehmung in dem Träger bedingen, um die Gefahr eines Drucks zu verringern oder ihr zu begegnen, der eine laterale Verschiebung bewirkt, wenn der Bondingdruck angewandt wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel umfaßt das Werkzeugmaterial 2 bis 40 Volumenprozent Silizium-Carbid Whisker in einer Aluminiumoxyd- Matrix, wobei die metallische Zwischenschicht aus Titan ist, und der metallische Träger aus Stahl besteht.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Diffusionskontaktierung vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1460 und 1780 ºC bei einer Zeitdauer zwischen 75 und 240 Minuten und bei einem angewandten Druck im Bereich zwischen 28 und 45 bar durchgeführt.
Das Verfahren kann benutzt werden, um eine Vielzahl von Werkzeugen oder Gegenständen herzustellen. Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung werden verschiedene Gegenstände geschaffen, bei denen ein Werkzeugmaterial mit einem metallischen Träger oder Halter diffusionskontaktiert ist.
Bei einem ersten solchen Gegenstand ist das Werkzeugmaterial in der Gestalt eines Zylinders, von dem eine Endwand an einer Endwand eines metallischen Trägers, der in axialer Ausrichtung mit dem Werkzeugmaterial angeordnet ist, durch Diffusionskontaktierung über eine metallische Zwischenschicht gebonded ist, so daß die Kontaktstelle sich, wenn dieser benutzt wird, in einer zyklischen Druckbeanspruchung befindet. Eine solche Belastung tritt in einem Rohling oder einem Nachzugstanzstempel eines Druckwerkzeugs auf.
Bei einem zweiten Gegenstand weist das Werkzeugmaterial die Gestalt eines hohlen Zylinders auf, dessen innere Oberfläche mit dem Äußeren eines metallischen Trägers durch eine Zwischenschicht aus Metall auf dem metallischen Träger verbunden ist, so daß die Kontaktstelle sich, wenn dieser benutzt wird, in einer Scherbeanspruchung befindet. Eine solche Beanspruchung kann bei den Seitenwänden eines Zugs oder Nachzugsstanzstempels auftreten.
Bei einem dritten Gegenstand weist das Werkzeugmaterial die Gestalt eines Ringraumes auf, von dem eine Umkreisfläche mit einer inneren Oberfläche eines ringförmigen metallischen Halters diffusionskontaktiert ist. Wenn es gewünscht wird, kann der ringförmige metallische Träger mit einer abgestuften Bohrung versehen sein, und das Werkzeugmaterial ist sowohl mit einer zylindrischen Oberfläche der Bohrung als auch mit der ringförmigen Stufe verbunden. Solch ein Gegenstand kann als ein Prägestempel für Tiefziehen, Abstreckziehen, Drahtziehen oder zum Extrudieren oder selbst für einen Ventilsitz benutzt werden.
Bei einem vierten Gegenstand weist das Werkzeugmaterial die Gestalt eines länglichen Streifens einer Beschichtung auf, die auf eine metallische Zwischenschicht auf einem länglichen Artikel aufgebracht und diffusionskontaktiert wird. Dieser Gegenstand könnte die Abnutzungsoberfläche einer kontinuierlichen Extrudiermaschine oder einer Führungsschiene in einem Gerät sein, welches abtragender Abnutzung unterworfen ist.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
Fig. 1 ein Mikrobild bei 1500-facher Vergrößerung, welches eine heterogene Zwischenschicht zwischen einer Titankarbidschicht, die das Werkzeugmaterial enthält, und einem Stahllegierungsträger nach der Diffusionskontaktierung zeigt,
Fig. 2 ein Mikrobild bei 1500-facher Vergrößerung, das eine verbesserte Zwischenschicht zeigt, die erreicht wird, wenn das Werkzeugmaterial und die Stahllegierung aus Fig. 1 durch eine Zwischenschicht aus Metall diffusionskontaktiert wird,
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht eines Rohlingträgers und -stempels,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Auszugsstempels im Schnitt entlang eines Durchmessers,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Wand eines Abstechziehstempels entlang eines Durchmessers,
Fig. 6 eine diagrammartige geschnittene Seitenansicht einer kontinuierlichen Extrudiervorrichtung, die den Ort eines Stempelblockes und eines Anschlages zeigt,
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung entlang der Linie A-A' in Fig. 6,
Fig. 8 eine vergrößerte perspektivische Skizze eines Anschlages,
Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittansicht des Stempels aus Fig. 6,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des Stempels aus Fig. 6, und
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Rohlinghalters gemäß dem Stand der Technik nach dessen Versagen.
Die Fig. 1 zeigt ein Werkzeugmaterial 1 nach dem direkten Diffusionskontaktieren mit einem Stahllegierungs-Träger 2. Das Werkzeugmaterial 1 enthält Titankarbid, welches große dunkle, mit dem Bezugszeichen 3 versehene Körner aufweist, und Titandiborid, das als kleinere rundere, mit dem Bezugszeichen 4 versehene Körner dargestellt sind, in einer Matrix aus einer Stahllegierung, die ursprünglich 0,85 Prozent Kohlenstoff enthält. Der Stahllegierungs-Träger ist aus der Legierungsart 420 hergestellt und weist zwischen 0,17 und 0,22 Prozent Kohlenstoff und zwischen 12 und 14 Prozent Chrom auf.
Die Fig. 1 zeigt, daß während der Dauer des Aufheizens und des Anwendens des Druckes zur Entwicklung der Diffusionskontaktierung einige Titankarbid- und Titandiboridanteile in der Korngröße angewachsen sind und eine rauhe "heterogene" Textur in der Zwischenschicht zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Träger bilden. Weiter zeigt die Fig. 1, daß Kohlenstoff aus dem Werkzeugmaterial in den Stahllegierungs-Träger gewandert ist und ein Kohlenstoffniveau erzeugt hat, das zu einer spröden Martensitstruktur M an der benachbarten Zwischenschicht führt.
Die in der Fig. 1 dargestellte Struktur ist für die Benutzung bei der Verbindung von Werkzeugmaterialspitzen an Trägern von Presswerkzeugen aus folgenden Gründen weniger geeignet:
1. Beim direkten Bonden eines Werkzeugmaterials an einem Trägermetall ist es nicht möglich, Unterschiede in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Werkzeugmaterials und des Werkzeugträgers zu gestatten.
2. Das Ansteigen des Titankarbids und des Diborids in der Matrix des Werkzeugmaterials tritt zu Lasten des Kohlenstoffs auf, so daß diese daher aufgeweicht wird.
3. Die rauhe und heterogene Struktur ist für zyklische Abnützungsbeanspruchung empfindlich.
4. Die Martensitstruktur (hoher lokaler Kohlenstoffgradient), die in dem Werkzeugträger eingeführt wird, ist aufgrund ihrer Spröde und ihrer mangelnden Verformbarkeit nicht wünschenswert.
Im Gegensatz dazu zeigt die Fig. 2 dasselbe Werkzeugmaterial, das mit demselben Werkzeugträgermetall verbunden ist, wie es in der Fig. 1 benutzt worden ist, aber die Diffusionskontaktierung wurde über eine Zwischenschicht aus Metall bewirkt, wie zum Beispiel aus Nickel, welche sowohl in das Werkzeugmaterial als auch in das Werkzeugträgermetall eindiffundiert ist und eine Zwischenschicht zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Träger belassen hat, die frei von zerstörerischem Kornwachstum ist und den Träger ohne Martensitbildung in der Nähe seiner Oberfläche läßt.
Mit der Annahme, daß die Zwischenschicht aus Nickel die Bewegung des Kohlenstoffs aus dem Werkzeugmaterial zum Werkzeugträgermaterial regelt, bestehen mehrere Möglichkeiten der Verbindung von Werkzeugmaterial und metallische in Trägermaterial, die wie folgt aufgeführt sind. Tabelle Beispiel Werkzeugmaterial/ Matrix Zwischen-Metall-Schicht(en) Metallischer Halter Stahl Nickel Typ 410 rostfreier Stahl Titan oder Wolfram Kohlenstoff Stahl AlN&sub2; oder Silizium-Karbid in Aluminiumoxyd
Bei jedem Beispiel bewirkt die metallische Zwischenschicht, zerstörerische Wanderbewegungen des Kohlenstoffs, des Stickstoffs oder des Bors in das Trägermetall zu vermeiden, so daß das Werkzeugmaterial nicht wesentlich von diesen Elementen verarmt wird. Es wird bedacht, ohne auf irgendeine Erklärung festgelegt zu sein, daß der Mechanismus darin liegen kann, daß das Zwischenmetall entweder gesättigt wird, um die Kohlenstoffbewegung zu vermeiden, oder alternativ dazu eine chemische Reaktion durchführt, um Karbide oder Nitride zu bilden. Bei jedem Weg der Erklärung ist die Zwischenschicht aus Metall am Ende der Diffusionskontaktierung nicht länger sichtbar, so als ob es sich um eine Lötung handelte. Die selben Prinzipien sind auf Werkzeugmaterialien anwendbar, die Siliziumnitrid in einer Siliziumkarbidmatrix oder Siliziumkarbid in einer Siliziumnitridmatrix oder Aluminiumnitrid in einer Siliziumkarbidmatrix enthalten.
Beispielhaft kann eine Materialbeschreibung für das Werkzeugmaterial, die metallischen Zwischenschichtnen und das Trägermetall aus Beispiel 2 wie folgt gegeben werden:

A) Werkzeugmaterial

Titankarbid (primäre harte Phase) 28 bis 30 Volumenprozent
Titankarbid (harte Dispersionsphase) 8 bis 15 Volumenprozent mit einer Korngröße von weniger als 3 Mikrometer
Matrixmetall: Eisen Kohlenstoff 0,55 Prozent, Chrom 8 Prozent, Molybdän 4 Prozent, Nickel 1,75 Prozent, Bor 1,5 Prozent, Vanadium 0,7 bis 0,9 Prozent, Kupfer weniger als 0,3 Prozent.
Bemerkung: Titandiborid kann für einige Anwendungen durch Titannitrid im Bereich zwischen 12 bis 18 Volumenprozent ersetzt werden, wie es oben im Beispiel 3 angeführt worden ist.
In beiden Fällen ist eine gleichförmige Verteilung der harten Phasen in der Matrix wünschenswert. Porösitäten in der ASTM-Skala (Skala der American Society for Testing and Materials) sollten vorzugsweise bei Ao liegen. Es sollte eine Zusammenballung des Titankarbides von weniger als 1 Prozent auftreten.
Die mechanischen Eigenschaften des Werkzeugmaterials nach Beispiel 2 sind:
Zugfestigkeit 1925 N/mm²
Elastizitätsmodul 290 N/mm²
Druckfestigkeit 4200 N/mm²
Biegefestigkeit 1780 N/mm²
Thermischer Ausdehnungskoeffizient (20 ºC) 7,2 10&supmin;&sup6; m/m ºC
Spezifisches Gewicht 6,8 g/cm³

B) Metallische Zwischenschichten

Metallcermet-Verbindungsoberfläche: Titan (2 um) + Nickel (10 um) Stahl-Substrat-Verbindungsoberfläche: Nickel (8 um)
Im Vergleich zu Beispiel 2, welches oben angeführt worden ist, besteht auf der Cermet-Oberfläche eine zusätzliche Nickelschicht, die 10um dick ist. Die Zwischenschichten aus Nickel steuern die Kohlenstoffdiffusion, um eine Spröde zu verhindern.
Das Titan verbessert die Diffusionsvorspannung für Metall-Cermet oder eine keramische Matrix. Mögliche und akzeptable Niveaus des Kornwachstums an der Verbindungsschicht von weniger als 2 Prozent innerhalb eines Bereich von einem Millimeter von der Diffusionsmittenlinie aus werden erreicht, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist.

C) Stahl-Trägermetall

Während alle rostfreien Stahltypen, die oben erwähnt worden sind#, geeignet sind, um Bindungen durch Diffusionskontaktierungen einzugehen, wird für die Mehrzahl der Anwendungen rostfreier Stahl des Typs 420 aufgrund der folgenden Eigenschaften bevorzugt:
(i) hohe Zugfestigkeits- / Bruchfestigkeits-Eigenschaften,
(ii) geeignete thermische Ausdehnungseigenschaften,
(iii) verringerte intergranulare Korrosionsempflindlichkeit

Material des Typs 420: Spezifikationen:

(i) Chemische Zusammensetzung

C 0,17-0,22 Prozent, Cr 12-14 Prozent, auffüllender Rest Fe

(iia) Mechanische Eigenschaften (geglüht)

Zugfestigkeit < 750 N/mm²
Brinell-Härte < 220 HB

(iib) Mechanische Eigenschaften (gehärtet und getempert)

0,2 Prozent Streckgrenze 520 N/mm²
Zugfestigkeit 900 N/mm²
Längung (longitudinal) 15 Prozent
Längung (transversal) 13 Prozent
Kerbschlagbiege-Härte (longitudinal) 38 J (minimal)
Kerbschlagbiege-Härte (transversal) 28 J (minimal)
Brinell-Härte 275 HB

(iii) Physikalische Eigenschaften

Dichte 7,8 g/cm³
Elastizitätsmodul 216 10³ N/mm² bei 20 ºC
Wärmeleitfähigkeit 30 J/m ºC bei 20 ºC
Spezifische Wärme 0,46 J/g ºC bei 20 ºC
Wärmeausdehnung 20-100ºC 10,5 10&supmin;&sup6; m/mºC
200ºC 11,0 10&supmin;&sup6;m/mºC
400ºC 12 10&supmin;&sup6;m/mºC
500ºC 12 10&supmin;&sup6;m/mºC
Elektrischer Widerstand bei 20ºC0,55 Ohm mm²/m
Das Verfahren der Diffusionskontaktierung nach dem Beispiel 2 ergibt eine Mikrostruktur, die in der Fig. 2 dargestellt ist. Das Verfahren umfaßt die Schritte:
1. Vorsehen eines Stückes Werkzeugmaterials, welches aus Titankarbid und Titandiborid besteht, welches in einer oben genannten Metallmatrix verteilt ist, Bearbeiten einer Oberfläche des Werkzeugmaterials zu einer flachen Form und Auftragen einer Titanschicht von 2 um Dicke und einer Nickelschicht von 10 um Dicke auf dieser Oberfläche,
2. Schaffen eines metallischen Trägers aus Stahl des Typs 420, Herstellen einer flachen Oberfläche auf diesem und Vorsehen einer Nickelschicht von 8 um Dicke auf der Oberfläche,
3. Zusammenführen der beiden Oberflächenschichten aus Nickel,
4. Aufbringen eines Druckes von ungefähr 25 bar während das zusammengesetzte Werkzeugmaterial, die Zwischenschichten und der metallische Träger auf 1180 ºC aufgeheizt werden und Halten dieser Temperatur über 30 Minuten hinweg, und
5. Entfernen der Hitzequelle und des Druckes und es der verbundenen Struktur gestatten, in einem Vakuumofen abzukühlen.
Dieses Verfahren ist erfolgreich benutzt worden, um Rohlingsträger, wie sie in der Fig. 3 dargestellt worden sind, herzustellen, die anschließend langen Versuchsreihen unterworfen worden sind, die bis zum heutigen Tage zufriedenstellend verlaufen sind.
Im Schritt 1 kann die Nickelschicht von 10 um Dicke ausgelassen werden. Wenn diese Schicht ausgelassen wird, werden im dritten Schritt die Oberflächenschichten aus Titan und Nickel zusammengebracht.

Wärmebehandlung von verbundgesinterten / diffusionsverbundenen Rohlingen

Die Zeitdauer des Aufheizens, die zur Diffusionskontaktierung des Werkzeugmaterials/Keramik an dem Stahlsubstrat benötigt wird, schafft eine geglühte (weiche) Mikrostruktur. Die folgende Wärmebehandlung wird sowohl für durch Titandiborid (Beispiel 2) als auch für durch Titannitrid (Beispiel 3) verteilungsverstärkte Materialien vor der Endbearbeitung ausgeführt.
1) Rohfräsen
2) Spannungsentfernung bei 600 bis 650 ºC, Ofenkühlung
3) Endbearbeitung
4) Vakuumhärten bei 1090 bis 1098 ºC, Druck löschen
5) Tempern bei 520 ºC für mindestens eine Stunde.
Diese Behandlung führt zu einer metallkeramischen Härte von 68 / 72 HRC und zu einer Mikrostruktur, die aus Titankarbid-Phasen besteht, in der Titandiborid und Titannitrid in einer Stahlmatrix verteilt sind.
Das Stahlsubstrat weist dann eine Härte von mindestens 275 HB auf und verfügt über eine Mikrostruktur, die aus einigen verteilten Chromkarbiden mit getemperten Martensitmatrixen besteht.
Die Fig. 3, 4 und 5 der Zeichnungen zeigen in der Zusammenschau, wie die Diffusioinskontaktierungsverfahren benutzt werden können, um Druckwerkzeuge herzustellen, die an strategischen Punkten durch die Einfügung von härteren Werkzeugmaterialien verstärkt sind.
Bei der Fig. 3 umgibt ein ringförmiger Rohlinghalter 1 einen zylindrischen Stempel 2. Der röhrenförmige Rohlinghalter hat einen Ringraum 3 aus dem Werkzeugmaterial, das eine Verteilung von Titankarbid und Titanborid in einer Metallmatrix (wie es im Beispiel 2 dargestellt worden ist) aufweist und einen Zapfen 4 aus Stahl des Typs 420. Der Metallzapfen verfügt über einen Flansch 5 an einem Ende zur Befestigung an einem Werkzeugstempel. Das andere Ende des Zapfens liegt in axialer Ausrichtung mit dem Ringraum des Werkzeugmaterials und ist mit dem Werkzeugmaterial in der bereits beschriebenen Weise diffusionskontaktiert. Wenn dieses Element in einer Presse benutzt wird, drückt der Ringraum 3 das Arbeitsstück gegen die Oberfläche 6 des Ziehwerkzeuges 7 in der in der Fig. 4 dargestellten Weise.
Der Stempel 2 aus der Fig. 3 ist ein hohler Zylinder 10, der eine ringförmige Ausnehmung um seine äußere Oberfläche aufweist, in der eine Hülse 9 aus härterem Werkzeugmaterial eingesetzt ist. Das Werkzeugmaterial, welches irgendeines aus den Beispielen 1 bis 5 sein kann, ist mit dem Äußeren des hohlen Zylinders 10 diffusionskontaktiert. Wenn dieser Gegenstand benutzt wird, gleitet der Stempel in den Rohlingträger, so daß Abnützungskräfte, die auf das Werkzeugmaterial einwirken, eine Scherbeanspruchung auf die Bindung bewirken. Wie in der Fig. 3 dargestellt, können die Scherkräfte verringert werden, indem die Enden der Ausnehmung eine zusammendrückende Stoßbeanspruchung aufnehmen. Ein Kragen 11 oder andere entfernbare Mittel können vorgesehen werden, um das ursprüngliche Einsetzen der Hülse des Werkzeugmaterials zu vereinfachen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ziehwerkzeug 7, bei dem das Werkzeugmaterial die Gestalt eines Ringraumes 12 hat, dessen Umkreisoberfläche mit einer inneren Oberfläche des ringförmigen Metallträgers 13 diffusionskontaktiert ist. In der Fig. 4 weist der Metallträger eine abgestufte Bohrung auf. Bei der Benutzung befindet sich die Verbindung an der ringförmigen Leiste 14 in Kompression, so daß auf die zylindrische Verbindung 15 eine minimale Scherbeanspruchung einwirkt. Es kann dabei das Material von einem dieser Beispiele 1 bis 5 bei diesem Ziehwerkzeug eingesetzt werden.
Die Fig. 5 zeigt ein Abstechziehwerkzeug 16, das einen Ringraum aus einem Werkzeugmaterial 17 umfaßt, welches in einer Öffnung in einem Metallträger 18 angeordnet und mit diesem diffusionskontaktiert ist. Wenn die sich beim richtigen Bearbeiten und Ziehen ergebende Beanspruchung (weniger als 10 Prozent Verringerung der Rohlingdicke) relativ klein ist, kann eine scherbeanspruchte Verbindung ausreichen.
Die Fig. 6 zeigt in diagrammartiger Weise eine kontinuierliche Extrudiervorrichtung mit einem zur Drehung angeordneten Rad 19 im Kontakt mit einem festen Schuh 20. Das Rad verfügt über eine Umkreisnut 21, die entlang einem Bogen auf dem Umkreis durch den Schuh 20 geschlossen ist, um einen Durchgang 22 zu begrenzen, der von einem Anschlag 23 beendet wird. Das in den Durchgang eingeführte Material wird durch reibenden Eingriff mit der Nut an dem Anschlag zusammengedrückt, wo es durch eine Ziehdüse 24 extrudiert wird. Beträchtliche Abnützungskräfte treten an den Seiten der Nut 21 und der Ziehdüse 24 auf, so daß es wünschenswert ist, die Oberflächen aus abnützungsbeständigem Material herzustellen.
In den Fig. 6 und 7 werden Paare von Ringräumen 25 aus Werkzeugmaterial mit dem Radmaterial diffusionskontaktiert, so daß, wenn diese in Benutzung sind, die Verbindung linear ist und einer Scherbeanspruchung unterworfen wird, wenn der Anschlag passiert wird.
Die Fig. 8 zeigt einen ersetzbaren Anschlag 23, der in den rechtwinkligen Block 26 aus Stahl einzusetzen ist, der auf entgegengesetzten Seiten Ausnehmungen 27 und 28 aufweist, in denen das Werkzeugmaterial 29 und 30 diffusionskontaktiert ist. Bei der Benutzung unterliegt diese Verbindung einer Scherbeanspruchung, aber bei einer Auflösung der Richtungen der Beanspruchung wird diese Scherung von den Kanten jeder Ausnehmung getragen.
Die Fig 9 und 10 zeigen einen Extrudierblock 31, in dem eine Extrudierdüse 32 diffusionskontaktiert ist. Ein Loch in dem Block umfaßt einen kegelstumpfförmigen Ausgang 33, eine Kante 34 und einen zylindrischen Mund 35. Die Düse ist mit dem zylindrischen Mund und der Kante verbunden, so daß die Belastung, wenn sie benutzt wird, im wesentlichen komprimierend wirkt.

Claims

1. Verfahren zur Diffusions-Kontaktherstellung eines Verbundwerkstoff- Werkzeugmaterials aus

(i) Titankarbid und/oder Titandiborid in einer Metallmatrix, oder

(ii) Titankarbid und Titannitrid in einer Metallmatrix, oder

(iii) Siliziumkarbid oder Aluminiumnitrid in einer Aluminiumoxidmatrix, oder

(iv) Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid in einer Siliziumkarbidmatrix, oder

(v) Siliziumkarbid in einer Siliziumnitridmtrix oder in einer Stahlmatrix mit einem Trägermaterial aus Eisenlegierung,

wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt, des Aufbringens einer Zwischenschicht, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Nickel, Titan und Wolfram besteht, zwischen dem Werkzeugmaterial und dem Trägermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Dicke von weniger als 50 Mikrometer aufweist, daß die zusammengeführten Elemente einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Zwischenschicht, im Bereich zwischen 1150 und 1780º Celsius, unterworfen und einem Bondingdruck zwischen 10 und 45 bar ausgesetzt wird, um die Zwischenschicht vollständig in dem Werkzeugmaterial und in dem Trägermaterial zu verteilen, um diese miteinander zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial zwischen 28 und 35 Volumenprozent Titankarbid aufweist, welches in einer Stahlmatrix verteilt ist, die Chrom, Molybdän und Nickel enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial in der Matrix verteilt zwischen 8 und 15 Volumenprozent Titanborid oder zwischen 12 und 18 Volumenprozent Titannitrid enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Zwischenschicht aus Nickel und der metallische Träger aus Stahl hergestellt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelschicht 10 Mikrometer dick ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Titan benachbart zum Werkzeugmaterial und daß die Nickelschicht zwischen der Titanschicht und dem metallischen Werkzeugträger angeordnet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanschicht ungefähr 2 Mikrometer dick ist und daß die Nickelschicht ungefähr 8 Mikrometer dick ist.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Titan ungefähr 2 Mikrometer dick ist und daß eine Zwischenschicht aus Nickel von ungefähr 10 Mikrometer Dicke auf das Werkzeugmaterial aufgebracht wird, und daß eine Zwischenschicht aus Nickel in einer Dicke von ungefähr 8 Mikrometer auf den metallischen Werkzeugträger aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede metallische Zwischenschicht auf eine jeweilige Oberfläche durch Galvanisieren, Sputtern oder thermischen Auftrag aufgebracht werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusions-Kontaktherstellung eines Cermets mit einem Stahlwerkzeugträger bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1150 und 1460 º Celsius über eine Zeitdauer von 30 bis 75 Minuten durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck im Bereich zwischen 10 und 28 bar für eine Zeitdauer zwischen 30 und 75 Minuten angewendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusions-Kontaktherstellung einer Keramik mit einem Stahlwerkzeugträger bei einer Temperatur im Bereich zwischen 1460 und 1780 º Celsius über eine Zeitdauer von 75 bis 240 Minuten durchgeführt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der angewandte Druck im Bereich zwischen 28 und 45 bar liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial zwischen 2 und 40 Volumenprozent Siliziumkarbid-Whisker in einer Aluminiumoxid-Matrix umfaßt, daß die metallische Zwischenschicht Titan ist und daß der metallische Träger aus Stahl hergestellt ist.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial (3) die Gestalt eines Zylinders aufweist, von dem eine Endwand mit einer Endwand eines metallischen Trägers (4) durch Diffusions-Kontaktherstellung mit Hilfe einer metallischen Zwischenschicht verbunden ist, der in axialer Ausrichtung mit dem Werkzeugmaterial (3) angeordnet ist, so daß, wenn sie in dem verbundenen derart hergestellten Gegenstand benutzt wird, sich die Verbindung unter zyklischer Kompression befindet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial (9) die Gestalt eines hohlen Zylinders aufweist, dessen innere Oberfläche mit dem Äußeren eines metallischen Trägers (10) durch eine metallische Zwischenschicht auf dem metallischen Träger verbunden ist, so daß, wenn sie in dem verbundenen derart hergestellten Gegenstand benutzt wird, sich die Verbindung unter einer Scher- Beanspruchung befindet.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial (12, 17) die Gestalt eines Ringes hat, von dem eine Umkreisoberfläche im Diffusionskontakt mit einer inneren Oberfläche eines ringförmigen metallischen Trägers (13, 18) verbunden ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Träger (13) mit einer abgestuften zylindrischen Bohrung versehen ist und daß das Werkzeugmaterial (12) sowohl mit der zylindrischen Oberfläche der Bohrung als auch mit der ringförmigen Stufe verbunden ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeugmaterial die Gestalt eines länglichen Streifens (25) oder Beschichtung aufweist, der oder die auf eine metallische Zwischenschicht eines länglichen metallischen Gegenstandes (19) aufgebracht und im Diffusionskontakt verbunden wird.