EP0565990A1

EP0565990A1 - Form aus Stahl, insbesondere für Metall-Dauerformen

Info

Publication number: EP0565990A1
Application number: EP93105637A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. Betz
Original assignee: Thyssen Guss AG
Current assignee: Thyssen Guss AG
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1993-10-20
Also published as: DE4212787A1; PL298500A1; HU9301117D0; US5363900A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Form aus Stahl (11), insbesondere hochhitzebeständigem Warmarbeitsstahl für Metallformguss, wobei die Form senkrecht zur Formoberfläche liegende Stifte (12), Röhrchen oder Mantelelemente (22) aus einem gut wärmeleitenden Material besitzt, dessen Schmelzpunkt oberhalb 95o °C liegt und deren Kopf einen Abstand (15) von der fertigbearbeiteten Formoberfläche besitzt und das Verhältnis von Dicke zu Abstand des Kopfes zwischen 1 : 1 und 1 : 3 liegt und das Ende des Stiftes etc. an ein an sich bekanntes Kühlsystem (17,18) angebunden ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Form aus Stahl, insbesondere hochhitzebeständigem Warmarbeitsstahl für Metallguß im Dauerformverfahren.
Es ist bekannt, in Stahlformen für Aluminiumguß Kanäle einzuarbeiten, durch die ein Kühlmedium fließen kann, um den Gießzyklus zu verkürzen und heiße Stellen im Bereich von Gußteilverdickungen möglichst zu vermeiden. Diese Kühlkanäle, in der Regel durch Bohrungen von der rückwärtigen Seite in den massiven Formenstahl eingearbeitet, befinden sich immer in einem größeren Abstand zur Formoberfläche (mindestens 20 - 30 mm), um Risse und Durchbrüche infolge lokaler, thermisch induzierter Spannungen zu vermeiden.
Durch diese verhältnismäßig große Entfernung der Kühlkanäle von der heißen Formoberfläche kann nur ein kleinerer Anteil der beim Gießen durch das flüssige Metall eingebrachten Wärme über eine Wärmeableitung durch die Stahlform abgeführt werden, weshalb in der Fertigungspraxis die Wärmeabfuhr nach dem Öffnen der Gießform und der Gußteilentnahme hauptsächlich durch Sprühwasser direkt auf die Formkonturen erfolgt. Die dabei notwendigerweise entstehenden thermischen Spannungen führen infolge der sich beim Dauerformguß ständig wiederholenden Gießzyklen zu Ermüdungsrissen in der Stahlformoberfläche und so zur Verkürzung der Lebensdauer der Gießform. In vielen Fällen muß schon nach 20.000 Abgüssen eine Stahlform oder ein Teil der Stahlform erneuert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dauerform aus Stahl insbesondere für Metall-Formguß wie Aluminium-Druckguß zu schaffen, bei der die Nachteile der bekannten Formen nicht vorhanden sind, die Rißgefahr der Form wesentlich herabgesetzt ist und der Arbeitszyklus um mindestens 30 % verkürzt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Stahlform dicht unter der Oberfläche ein netzwerkartig aufgebautes, sich unter der gesamten Formkontur erstreckendes und möglichst genau der Formoberfläche folgendes Kühlsystem aus einem gut wärmeleitenden Material mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 950 °C besitzt. Dieses Kühlsystem besteht wiederum aus zwei räumlichen Teilsystemen, und zwar zum einen aus dem dicht unter der Formoberfläche beginnenden Wärmeleitungssystem, vorteilhafterweise aus senkrecht zur Oberfläche angeordneten Stiften, Röhrchen oder geschlitzten Mantelelementen bestehend, wobei diese Kühlrezeptoren einen Abstand zur fertigbearbeiteten Formoberfläche vom einfachen bis dreifachen Wert ihrer Dicke und eine wirksame Gesamtlänge zwischen dem Dreifachen und Zehnfachen ihrer Dicke besitzen.
Dieses Wärmeleitungssystem besteht vorteilhafterweise aus Kupfer und ist mit dem zweiten Teilsystem, dem Kühlrohrsystem, fest verbunden durch Löten oder Schweißen. Das Kühlrohrsystem führt die über Wärmeleitung der Form entzogene Wärme durch das in den Kühlrohren fließende Kühlmedium ab und befindet sich etwa 20 bis 30 mm von der Formoberfläche entfernt, so daß Risse oder Durchbrüche nicht eintreten.
Das Wärmeleitsystem muß zur Vermeidung von durchgehenden Spannungsrissen hohlraumfrei in die Stahlform eingebettet sein und führt aufgrund der möglichst in geringem Abstand zueinander angeordneten Kühlrezeptoren zu einer hohen Wärmeabfuhr von der heißen Stahlformoberfläche in den hinteren Bereich der Stahlform zum Kühlrohrsystem. Für die weitere Verminderung thermischer Spannungen in Oberflächennähe wird bei der vorliegenden Erfindung zusätzlich zum obigen Wärmeleitungssystem ein künstliches Rißnetzwerk in die Stahlformoberfläche eingebracht, bestehend aus einer bis 950 °C beständigen Folie mit einer Mindestdicke von 0,05 mm und einer Höchstdicke von 0,5 mm, die mäanderförmig oder wabenförmig die Kühlrezeptoren umschließend direkt von der Oberfläche ausgehend sich senkrecht bis zu einer Tiefe von höchstens 20 mm erstreckt. Vorteilhafterweise besteht diese Folie aus Kupfer.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Form besteht darin, daß der Gießzyklus erheblich verkürzt werden kann, beispielsweise von 75 Sek. auf 45 Sek., was eine außerordentliche Verbesserung ergibt und trotzdem die Rißgefahr der Form erheblich vermindert wird.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausbildungsform der Erfindung dargestellt und zwar zeigt

Fig. 1: einen Ausschnitt aus einer Form
Fig. 2: einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1
Fig. 3: eine Draufsicht auf die Stifteanordnung mit Mäanderfolienanordnung
Fig. 4: eine Draufsicht auf die Stifteanordnung mit Wabenfolienanordnung
Fig. 5: Schnittdarstellungen aus einem Stahlformteil mit geschlitztem Kupfermantel

Nach Fig. 5 kann man als Wärmeleitungssystem auch geschlitzte Mantelelemente, z.B. einen geschlitzten Zylindermantel aus Kupfer 22 verwenden. Besonders geeignet ist eine solche Anordnung für langgestreckte Stahlformeinsätze, ob nun zylindrisch, ringförmig oder auch taschenförmig. An den Wärmeleitungsmantel ist wiederum ein Kühlrohrsystem 23 angebunden.
Zur Herstellung der Form nach der Erfindung wird ein Kühlsystem vorgefertigt und anschließend auf pulvermetallurgischem Wege zu einem Stahlformrohling bearbeitet, der dann in bekannter Weise zu einer Stahlform oder einem Stahlformeinsatz, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, fertiggestellt wird.
Das Kühlsystem ist zur Herstellung der Stahlform so in einem Behälter oder auf einer festen Unterlage fixiert und mit Fixpunkten versehen, daß der Abstand der Kühlrezeptoren von der später fertig zu bearbeitenden Formoberfläche möglichst genau eingehalten werden kann. Vorteilhafterweise verwendet man eine der Formkontur entsprechende hochwarmfeste Unterlage (Negativform), um bei der pulvermetallurgischen Herstellung der Stahlform der endgültigen Form möglichst nahezukommen.
Der Kopf der Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente 12 kann angefast, abgerundet oder zugespitzt sein, je nach den Anforderungen, die an die Form gestellt werden. Die Manteleinsätze können geschlitzt, gelocht oder in anderer Weise geometrisch unterbrochen werden, um die Trennungswirkung im Stahlformeinsatz gering zu halten.
Um die Kühlwasserzufuhr und damit die Temperaturverhältnisse steuern und regeln zu können, wird an geeigneten Stellen ein Thermoelement Fig. 5/23 in der Stahlform dicht unter der Formoberfläche angeordnet. Dieses Thermoelement wird als Mantelthermoelement bei der pulvermetallurgischen Herstellung zusammen mit dem Kühlsystem in den Herstellungsvorgang einbezogen.
Die Erfindung kann überall da eingesetzt werden, wo Stahl auf höhere Temperaturen beansprucht wird und die Wärme gesteuert zugeführt oder abgeführt werden muß. Beispiele sind Gießformen aus Stahl im Druckgießverfahren, Schwerkraft- und Niederdruck-Kokillengießverfahren, im Kunststoffspritzgießverfahren und beim Gesenkschmieden. Ebenso kann die Erfindung für die Bereiche eines Eingießsystems, wie z.B. der Füllkammer einer Druckgießmaschine, verwendet werden.

Claims

Form aus Stahl, insbesondere hochhitzebeständigem Warmarbeitsstahl für Metallformguß, dadurch gekennzeichnet, daß die Form senkrecht zur Formoberfläche liegende gut wärmeleitende Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente aus einem Material besitzt, dessen Schmelzpunkt oberhalb 950 °C liegt und deren Kopf einen Abstand von der fertigbearbeiteten Formoberfläche besitzt und das Verhältnis von Dicke zu Abstand des Kopfes zwischen 1 : 1 und 1 : 3 liegt und das Ende des Stiftes oder Röhrchens oder Mantelelements an ein an sich bekanntes Kühlsystem angebunden ist und die wirksame Gesamtlänge des Stiftes oder des Röhrchens zwischen dem dreifachen bis maximal zehnfachen seiner Dicke liegt.
Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente aus reinem Kupfer bestehen.
Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäßen Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente in eingeschränkten Bereichen der Form angeordnet sind.
Form nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bis 950 °C beständige Folie mit einer Mindestdicke von 0,05 mm und einer Höchstdicke von 0,5 mm um die Stifte mäanderförmig geschlungen oder wabenförmig angeordnet ist und gegebenenfalls ausgehend von der Formoberfläche senkrecht nach innen bis zu einer Tiefe von höchstens 20 mm reicht.
Form nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie am Kühlsystem befestigt, z.B. angelötet ist.
Form nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mit einer diffusionshemmenden Beschichtung versehen ist.
Form nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem vorgefertigt ist und anschließend auf pulvermetallurgischem Weg zu einem Formrohling gearbeitet wird, der dann in bekannter Weise zu einer Stahlform oder einem Stahlformeinsatz, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, fertiggestellt wird.
Form nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formblock durch Heiß-Isostatisches Pressen (HIP-Verfahren) hergestellt wird.
Form nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Negativ der Gießform aus einem bei 950 °C wärmebeständigem Material als formgebende Unterlage im HIP-Verfahren verwendet und gleichzeitig zur Fixierung des Kühlsystems eingesetzt wird.
Form nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an ausgewählten Stellen, vorzugsweise in Stiftkopfnähe, ein Thermoelement angeordnet ist.