DE7730288U1

DE7730288U1 - Werkzeug zum isothermen schmieden

Info

Publication number: DE7730288U1
Application number: DE19777730288U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1979-05-31
Also published as: FR2401720A1; GB2003412A; NO782925L; CH621952A5; GB2003412B; BR7805638A; PL209288A1; DE2744033A1; JPS5443156A; DE2744033C2; FR2401720B1; US4212189A; JPS6127134B2; PL124106B1; DK379778A

Description

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Br/Ca 21.8.77

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Scheiz)

Werkzeug zum isothermen Schmieden

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum isothermen Schmie- g den, bestehend aus zwei Gesenkhälften, wobei mindestens |

eine Gesenkhälfte mindestens einmal unterteilt ist. |

Werkzeuge zum isothermen Schmieden dienen zur verhältnis- ψ.

massig langsamen plastischen Verformung von Werkstoffen §■;

im Temperaturbereich der Superplastizität. Dabei wird das Werkzeug praktisch derselben hohen Arbeitstemperatur wie !' das zu verformende Werkstück ausgesetzt und es muss in allen Fällen für eine gleichmässige Durchwärmung sowohl %

des ersteren wie des letzteren gesorgt werden. Zur Erwärmung des Werkzeuges und teilweise auch des Werkstückes sowie zur Konstanthaltung der Arbeitstemperatur werden üblicherweise induktive Heizvorrichtungen eingesetzt. Die Ausführung der Werkzeuge erfolgte bisher derart ₃ dass die beiden Gesenkhälften je aus einem Stück aus einer Hochtemperaturlegierung auf Molybdän- oder Nickelbasis her-

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gestellt wurden. Die oftmals komplizierten Formen mussten meist unter Zuhilfenahme der Elektroerosion aus dem vollen aus dem Werkzeugrohling herausgearbeitet werden. Derartige Vorrichtungen zum isothermen Schmieden sind aus Veröffentlichungen bekannt (z.B. D.J. Abson, P.J. Gurney, "Heated dies for forging and friction studies on a modified hydraulic .orge press", Metals and Materials, Dezember 1973; GB Patent 699 687; US Pat. 3 698 219).

Nach herkömmlicher Art hergestellte einteilige Werkzeuge zum isothermen Schmieden sind teuer, da sie einen hohen Materialaufwand an zum Teil schwer bearbeitbarer Hochtemperaturlegierung bedingen. Komplizierte Formen nnit tiefen Nuten, kleinen Krümmungsradien sowie scharfkantigen und einspringenden Ecken lassen sich nach den üblichen mechanischen Bearbeitungsmethoden nicht herstellen und es müssen sehr teure Verfahren, wie beispielsweise Elektroerosion herangezogen werden. Zudem lassen sich durch lokale Verschweissungen zwischen Werkstück und Gesenk unbrauchbar gewordene Werkzeuge zufolge behinderter Zugänglichkeit sur angefressenen Stelle nur mit hohen Kosten und oft gar nicht reparieren. Der Totalverlust eines ganzen Werkzeuges stellt in solchen Fällen einen wesentlichen mitbestimmenden Kostenfaktor für die Produktion komplizierter Erzeugnisse dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum

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isothermen Schmieden anzugeben, welches sich unter Vermeidung hoher Material- und Bearbeitungskosten selbst bei Ausführung komplizierter Formen auf einfache Weise mittels herkömmlicher Verfahren herstellen lässt. Das Werkzeug soll eine hohe Standzeit besitzen, sich mit einfachen Mitteln unterhalten und instandstellen lassen und eine möglichst hohe Gesamtlebensdauer besitzen. Ferner soll sich das Werkzeug im Betrieb mittels induktiver Heizung möglichst rasch und gleichmässig in allen Querschnitten auf die Arbeitstemperatur bringen und auf derselben konstant halten lassen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im Werkzeug der eingangs definierten Art die unterteilte Gesenkhälfte aus einzelnen Bauelementen zusammengesetzt ist, wovon mindestens die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten einzelnen Bauelemente an ihren Berührungsflächen oder allseitig mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht versehen sind.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bestehen die mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehenen, dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten Bauelemente aus einem Werkstoff höherer Warmfestigkeit und höheren Verschleisswiderstandes als die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauteile.

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Der der Erfindung zugrunde liegende raassgebende Leitgedanke besteht darin, das Werkzeug in einzelnen, leicht zu bearbeitbaren Teilen auszuführen, wobei der Werkstoff den jeweiligen Arbeitsbedingungen optimal angepasst werden kann, und die einzelnen Bauteile mit einer Isolierschicht zu versehen, so dass bei der induktiven Erwärmung keine Gefahr der örtlichen Verschweissung und damit der ungleichmässigen Temperaturverteilung besteht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend zum Teil durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine radial unterteilte Gesenkhälfte,

Fig. 2 einen Grundriss und Teil-Querschnitt durch eine radial unterteilte Gesenkhälfte,

Fig. 3 den Grundriss einer schiefwinklig unterteilten Gesenkhälfte,

Fig. 4 den Grundriss einer bogenförmig unterteilten Gesenkhälfte,

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Pig. 5 einen Längsschnitt durch eine obere und eine untere Gesenkhälfte und

Fig. 6 die perspektivische Darstellung eines segmentförmigen einseinen Bauelements einer unterteilten Gesenkhälfte.

In Fig. 1 ist in schematischer Form der Längsschnitt durch eine radial unterteilte Gesenkhälfte dargestellt. Dabei kann diese Gesenkhälfte sowohl als Ober- wie als Untergesenk Verwendung finden. Als Beispiel für das Werkstück ist ein zentralsymmetrischer·, radial angeordnete Rippen aufweisender Körper (Verdichterrad) gewählt. Die aus einzelnen Segmenten 2 bestehenden hochwarmfesten und verschleissfesten Bauteile, welche in Arbeitsstellung dem zu schmiedenden Werkstück direkt zugewandt sind, weisen an ihren Flanken Kehlen auf, so dass zwei benachbarte Segmente 2 je eine radial stehende Nut bilden. Die Segmente 2 sind allseitig mit einer Isolierschicht 3 versehen, so dass sie untereinander keinen elektrischen Kontakt haben. Die Gesamtheit der Segmente 2 wird durch einen Ring 1 zusammengehalten. Die Isolierschicht 3 kann auch auf die Berührungsflächen der Segmente 2 unter sich und diejenigen mit dem Ring 1 beschränkt sein. Bedingung ist lediglich, dass jedes Segment während des Arbeitsvorganges durch induzierte Ströme für sich erwärmt wird und sich keine schädlichen

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Brücken, die zu Verschweisssungen führen können, zwischen benachbarten Bauteilen des Werkzeuges oder Bauteilen und I

dem Werkstück bilden. Solche Verschweissungen würden zu einer ungleichmässägen Erwärmung des Werkzeuges und mittelbar auch des Werkstückes führen. Ein Anfressen des Werk- j

Stückes während des Schmiedens muss unter allen Umständen vermieden werden.

Fig. 2 stellt den der Pig. I entsprechenden Grundriss mit einem als Teil-Querschnitt gezeichneten Ausschnitt dar.

k ist die radiale Berührungsfläche benachbarter Segmente 2. Die übrigen Bezugs zeichen können der Fig. 1 entnommen werden. Es versteht sich von selbst, dass dio Segmente 2 unter sich nicht identisch zu sein brauchen und beispielsweise auch unterschiedliche Zentriwinkel aufweisen können. Die radialen Berührungsflächen 4 können auch in axialer Richtung gestuft ausgeführt sein, so dass sich in tangentialer Richtung eine Ueberlappung benachbarter Segmente 2 ergibt. In jedem Fall kann die Unterteilung der Gesenkhälfte beliebig sein und lässt sich der Gesenkform des Werkstückes optimal anpassen.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen je einen Grundriss von weiteren Ausführungsbeispielen der geteilten Gesenkhälfte. Die Segmente 2 haben schief gestellte bzw. bogenförmig verlaufende Flanken, wodurch sich ebensolche Berührungsflächen k bzw. 5

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ergeben. Derartige Formen kommen beispielsweise bei Turbinen- und Verdichterrädern mit nicht radial verlaufenden Schaufeln vor. Sie lassen sich auf einfache Weise auf Kopierfräsmaschinen und Profilschleifmaschinen herstellen. Ein besonderer Vorteil nicht radial stehender Berührungsflächen benachbarter Segmente 2 besteht darin, dass sie sich bei unterschiedlicher Wärmedehnung freier bewegen können,ohne zu klemmen.

In Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch eine obere und eine untere Gesenkhälfte dargestellt. EiLe obere Gesenkhälfte, welche die kompliziertere Negativform eines Verdichterrades darstellt, ist sowohl in radialer wie in axial fortschreitender Richtung mehrfach unterteilt. Die Segmente werden am äusseren Umfang durch den Ring 1 zusammengehalten, während die Nabenpartie durch die Hülse 7 und den Auswerfer 8 begrenzt wird. Der in axialer Richtung anschliessende, nicht näher bezeichnete Gesenkträger ist ebenfalls unterteilt, wobei in Anbetracht der erforderlichen Wärmedämmung verschiedene, in diesem Zusammenhang nicht näher interessierende Werkstoffe Verwendung finden. Entsprechend der einfachen ebenen Begrenzungsfläche des Werkstückes besteht die untere Gesenkhälfte 9 aus einem einzigen Stück, das sich auf den Stempel 10 abstützt. Selbstverständlich kann nach Bedarf die untere Gesenkhälfte ebenfalls geteilt ausgeführt sein.

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In Pig. 6 ist ein segmentförmiges einzelnes Bauelement entsprechend der unterteilten Gesenkhälfte nach Fig. 5 perspektivisch dargestellt. An der Planke geht die radial stehende ebene Berührungsfläche 4 in die profilierte Schaufeifläche 11 (Negativform) des Verdichterrades über. Je zwei derartige Flächen 11 von benachbarten Segmenten 2 bilden die Nut j in welche das Material des Werkstückes beim Schiniedevorgang fIi esst.

Die elektrisch isolierende Schicht 3 besteht in allen Pällen vorzugsweise aus den Oxyden des Aluminiums, Magnesiums, Siliziums, Cers oder Yttriums oder aus Mischungen mindestens zweier der vorgenannten Oxyde und v/eist eine Dicke von OjOl bis 500 u auf. Die Isolierschicht 3 kann durch Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Kathodenzerstäubung auf dem einzelnen Bauelement (beispielsweise Segment 2) aufgebracht sein.

Im Falle dass der Ring 1 ebenfalls zum formgebenden Teil des Gesenks gehört (im Gegensatz zu Fig. 1 und Fig. 5)» wird er vorzugsweise aus dem gleichen Material angefertigt wie die Segmente 2, so dass alle Bauelemente aus einem einheitlichen Werkstoff bestehen. Ist jedoch das Gesenk von komplizierter Form und besteht eine Aufgabentrennung zwischen eigentlich formgebenden und bloss der Halterung dienenden Bauelementen, so wird in vorteilhafter Weise für

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die ersteren ein Werkstoff höherer Warmfestigkeit und höhe- I ren Verschleisswiderstandes gewählt als für die dem zu I

schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente. I

Die thermisch-mechanisch höchstbeanspruchten Bauelemente f

werden vorzugsweise aus Molybdänlegierungen des Typs TZM f hergestellt. Derartige Legierungen enthalten meistens

0,4 - 0,55 % Ti, 0,06 - 0,12 % Zr und 0,01 - O₃Oi % C, |

Rest Mo. Auch Legierungen mit höherem Titangehalt können I

Verwendung finden wie beispielsweise 1,0 - 1,4 % Ti, |

t 0,25 - 0,35 % Zr und 0,07 - 0,13 % C, Rest Mo. Ferner I

eignet sich dazu eine Legierung mit 1,0 - 1,12 % Hf. |

S 0,06 - 0,0675 % C, Rest Mo. Da Molybdän bei höheren Tempe- | raturen stärker zu Oxydation neigt, kommen derartige Werk-

zeuge durchwegs in sauerstoffarmer oder -freier Atmosphäre ^

zur Verwendung. Bevorzugt wird Argon als Schutzgas einge- ":

setzt. ·;.

Für die hochbeanspruchten Bauelemente des Werkzeuges wer- 1

den nebst TZM des niedrigeren Preises wegen ausserdem bevor- |

zugt Nickellegierungen hoher Dauerstandfestigkeit und Lebensdauer verwendet. Derartige Nickellegierungen vom Typ

IN 100 oder 713 LC haben beispielsweise folgende Zusammensetzungen:

0,18 % C 0,05 % C

10,0 % Cr 12,0 % Cr

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- 10 -

3,0 % Mo 4,5 % Mo

15,0 % Co 2,0 ίί Nb

4,7 % Ti 0,6 JE Ti

5,5 * Al 5,9 % Al

0,014 JC B 0,01 % B

0,06 % Zr 0,1 JC Zr

1,0 % V Rest Ni Rest Ni

Für die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente der Gesenke, welche geringeren Verschleiss und auch geringerer spezifischen mechanischen Beanspruchung unterworfen sind, werden für höhere Ansprüche vorzugsweise Nickellegierungen des Typs Ni 115 oder Ine 625 folgender Zusammensetzungen eingesetzt:

0,15 % C 0,05 % C

% Cr 0,15 % Mn

% Co 0,3 % Si

3,5 % Mo 22 % Cr

4,0 % Ti 9 % Mo

5,0 2 Al 4 % Nb

Rest Ni 3 % Pe

0,2 % Ti

0,2 % Al

Rest Ni

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- 11 -

Für geringere Ansprüche und tiefere Schmiedetemperaturen können die dem Werkstück abgewandten Bauelemente des Gesenks auch aus rostfreien austenitischen oder ferritischen Stählen oder aus einem Warmarbeitsstahl des Cr/W-, Cr/Mo- oder Cr/Ni-Typs bestehen. Beispiele für die Zusammensetzung bevorzugter rostfreier Stähle ergeben sich wie folgt:

austenitisch: max. 0,1 % C ferritisch: 0,2 - 0,26 % C

max. 1,0 % Si 0,1 - 0,5 % Si

max. 2,0 % Mn 0,3 - 0,8 % Mn

max. 0,045 % P max. 0,035 % P

max. 0,030 % S max. 0,035 % S

17 - 19 % Cr 11 - 12,5 % Cr

9 - 11,5 % Ni 0,3 - 0,8 % Ni

min. 5 χ ίί C ? Ti 0,8 - 1.2 # Mo

min. 8 χ % C % Nb 0,25 - 0,35 " V

Rest Fe max. 0,6 % W

max. 0,05 % Nb Rest Fe

Als Beispiel für einen Warmarbeitsstahl der Cr/Mo-Gruppe kann folgende Zusammensetzung gelten:

Λ |i c[ ο

1,0 % Si

5.3 % Cr

1.4 ; Mo

1,0 % v

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Beispiel für das Herstellungsverfahren:

Ein der Fig. 5 entsprechendes Gesenk zum isothermen Schmieden eines Verdichterrades aus einer Titanlegierung des Typs Ti 6 Al ¹IV wurde wie folgt hergestellt:

Für sämtliche Bauelemente des Gesenkoberteils, welche hohen thermo-mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wurde eind' Molybdänlegierung des Typs TZM folgender Zusammensetzung gewählt:

0,5 % Ti
0,08 % Zr

0,02 % C

Rest Mo

Der Ring 1 und die Hülse 7 wurden durch Drehen, die Segmente 2 durch Drehen und Fräsen bearbeitet. Insbesondere die profilierte Schaufelfläche 11 (Fig. 6) wurde durch Kopierfräsen hergestellt. Die Segmente 2 wiesen radial stehende Berührungsflächen lJ (Fig. 2 und Fig. 6) auf. Nach der Feinbearbeitung wurden die Oberflächen der Bauelemente poliert und anschliessend unter Alkohol in einem Ultraschallbad entfettet und gereinigt. Die zu isolierenden, mit den Segmentflächen in Berührung stehenden Oberflächen des Ringes 1 und der Hülse 7 sowie die gesamte Oberfläche der Segmente 2 wurden hierauf mit einer Isolierschicht 3 (Fig. 1 und Fig. 2) versehen. Dieser Verfahrensschritt

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wurde mittels Kathodenzerstäubung von Aluminiumoxyd durchgeführt. Ein Target aus hochreinem, 99₅98 prozentigem Al 0, mit einer Dichte von 98 % des theoretischen Wertes wurde in einer Kathodenzerstäubungsanlage unter Argonatmosphäre und einem Druck von 10 Torr bei einer Leistungsdichte von

0,17 kW/cm Targetfläche zerstäubt. Der Abstand der Oberfläche des zu beschichtenden Bauelementes vom Target betrug 30 cm. Nach einer Stunde betrug die Dicke der aufgebrachten Al_o0--Isolierschicht 3 0,1 u. Auf diese Art und Weise lassen sich auch grössere Schichtdicken, beispielsweise 1 y. erzielen₃ was eine Zerstäubungsdauer von 10 Stunden erfordert. Die erforderliche Schichtdicke hängt von der Form und Fertigungsgenauigkeit sowie der erzielbaren Oberflächengüte der einzelnen Bauelemente des Gesenkes ab. Nach Beendigung des Aufbringens der Isolierschicht 3 waren die einzelnen Teile ohne weitere Oberflächenbearbeitung zum Zusammenbau und zum Einsatz des Werkzeuges bereit.

Die Formen des Werkzeuges sind nicht auf die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Es versteht sich von selbst, dass auch Gesenke anderer Geometrie auf diesem Prinzip aufgebaut sein können. Insbesondere sind auch Werkzeuge mit quadratischem, rechteckigem, sechseckigem und achteckigem Umriss ausführbar. Zudem braucht das zu schmiedende Erzeugnis nicht zentralsymmetrisch zu sein.

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Das Werkzeug kann grundsätzlich für alle metallischen Werkstoffe, welche einen superplastischen Zustand und Temperaturbereich aufweisen und sich wirtschaftlich isotherm verformen lassen, Verwendung finden. Dies gilt in ganz besonderem Masse für Titanlegierungen, ferner für warmfeste Nickellegierungen. Es können jedoch auch Leichtmetall-Legierungen wie Aluminiumlegierungen in vorteilhafter Weise

oben
mittelsYbeschriebener Werkzeuge isotherm geschmiedet werden.

Durch das erfindungsgemässe neue Werkzeug zum isothermen Schmieden wurden Mittel zur Warmverformung von metallischen Werkstoffen geschaffen, welche allen Forderungen der industriellen Praxis weitestgehend nachkommen. Durch optimale Unterteilung der Gesenkhälften, sinngemässe Abstufung der für die einzelnen Bauelemente erforderlichen Werkstoffe und Aufbringung einer elektrisch isolierenden Schicht auf die Oberfläche derselben ist eine gleichmässige Durchwärmung sowohl des Werkzeuges wie des Werkstückes gewährleistet. Der erfindungsgemässe Aufbau des Werkzeuges bürgt für kostensparende, einfache Herstellung, Vermeidung von zerstörenden Verschweissungen und Anfressungen benachbarter Werkzeugteile im Betrieb, einfachen Unterhalt, wirtschaftliche Instandsetzung, hohe Standzeit und lange Lebensdauer.

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Bezeichnungsliste

1 = Ring

2 = Segment

3 = Isolierschicht

4 = Radiale Berührungsfläche benachbarter

Segmente

5 = Schiefe Berührungsfläche benachbarter

* Segmente

6 = Bogenförmige Berührungsfläche benach

barter Segmente

7 = Hülse

8 = Auswerfer

9 = Ungeteilte untere Gesenkhälfte

= Stempel

= Profilierte Schaufelfläche (Negativform)

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Claims

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1. Werkzeug zum isothermen Schmieden, bestehend aus zwei Gesenkhälften., wobei mindestens eine Gesenkhälfte mindestens einmal unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unterteilte Getenkhälfte aus einzelnen Bauelementen zusammengesetzt ist, wovon mindestens die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten einzelnen Bauelemente an ihren Berührungsflächen oder allseitig mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht versehen sind.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht aus Al₂O₃, MgO, SiO₂, CeO₂ oder Y₂^ °der Mischungen von mindestens zweien der vorgenannten Stoffe besteht und eine Dicke von 0,01 bis 500 μ aufweist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus dem gleichen Werkstoff bestehen.

4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten Bauelemente aus einem Weiistoff höherer Warmfestigkeit und höheren Verschleisswiderstandes als die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente bestehen.

5. Werkzeug nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus einer Molybdänlegierung bestehen.

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6. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück zugewandten Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus einer hochwarmfesten Nickellegierung bestehen.

7· Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus einer Nickellegierung bestehen.

8. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus einem rostfreien austenitischen Stahl bestehen.

9. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus einem rostfreien ferritischen Stahl bestehen.

10. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu schmiedenden Werkstück abgewandten Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus einem Wirmarbeitsstahl der Cr/W-, Cr/Ho- oder Cr/Ni-Gruppe bestehen.

11. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der einzelnen Bauelemente der unterteilten Gesenkhälfte aus segmentartigen Stücken von gleieher oder unterschiedlicher Form mit radial oder schief oder bogenförmig verlaufenden Planken besteht.

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