EP0699772B1 - Verwendung von Oberflächennitriertem Molybdän für Strangpressmatrizen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the use of special materials according to the main claim for dies and similar components that come into contact with the extruded material for the extrusion of Light and non-ferrous metals.
- DE-AS 17 58 508 describes the use of a Composite material consisting of 20 - 85 vol.% Molybdenum and / or tungsten as a metallic component, the rest Zirconium oxide as an oxide ceramic component as a material for the production of dies for the extrusion of colored and Light metals.
- the extruded material produced with such matrices is characterized by very good surface quality.
- a disadvantage is the not always sufficient warm and Creep resistance and thus the early failure of the Matrices.
- Molybdenum alloys with the composition Mo, 1.2% Hf, 0.1% C or Mo, 0.5% Ti, 0.08% Zr, 0.02 - 0.04% C are used as matrix materials for the extrusion of copper alloys, the applicability had to be limited to copper alloys with a copper content ⁇ 70% by weight.
- the extrusion of differently alloyed light and non-ferrous metals failed due to the low erosion resistance of this material. In particular, undesired reactions of the extruded material with the matrix material occurred.
- JP-A-1 111 833 discloses the use of an alloy with a Mo content of 5-40% by weight for matrices.
- the object of the present invention is to use a Matrix material for the extrusion of colored and Light metals with improved properties.
- the material should meet the requirements mentioned above better overall correspond to the materials previously used, above all also with regard to the previously proven materials Molybdenum base.
- Copper and copper alloys can be compared to the Nickel-base superalloys commonly used hitherto and stellites as materials for the matrices the service life be significantly improved, with a comparative better surface quality of the extrusion material and this even at a significantly higher pressing speed.
- molybdenum alloys known under the name MHC 0.5 to 2% by weight hafnium, 0.04 to 0.2% by weight carbon, balance Molybdenum, or the one known under the name TZM Molybdenum alloy with 0.4 to 0.55% by weight titanium, 0.06 to 0.12 % By weight zirconium, 0.01-0.04% by weight carbon, balance molybdenum proven.
- the surface nitriding of the matrices has become Gas nitriding, plasma nitriding or nitrogen ion nitriding proven.
- Hot-work steel was able to increase the average tool life by one Factor 1.6 with an average 1.5 times higher Extrusion speed can be increased. Furthermore showed the extruded material that with the invention Die inserts were made with a smoother surface than that made with hot-work steel dies has been.
- Matrix inserts made of an MHC alloy were as in Example 1 prepared and then at 900 ° C for 6 hours Ammonia nitrided.
- the mean nitride layer thickness was 5 ⁇ m, the micro hardness 1810 HV 0.001.
- profiles made of low-oxygen copper were extruded. in the Compared to matrices commonly used so far Nickel-based superalloys were able to reduce the average service life a factor of 1.9 for a 1.2 times higher Press speed can be increased. This also showed here Extruded material has a smoother surface than that of the dies made of nickel-based superalloy.
- MHC alloy matrices were made as in Example 1 manufactured and nitrided. With the so produced Die inserts were made of Ms63 alloy extruded. Compared to usual so far Stellite matrices used could be the middle one Tool life by a factor of 2.8 and approximately 1.2 times higher pressing speed can be increased. Also in this Case, the extrusion showed a smoother surface than for the matrices made of stellite.
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung spezieller Werkstoffe gemäß dem Hauptanspruch
für Matrizen und ähnliche Bauteile, die mit dem Strangpressgut in Berührung kommen zum Strangpressen von
Leicht- und Buntmetallen.
Die Güte von Matrizenwerkstoffen für derartige Anwendungen
wird an folgenden wesentlichen Forderungen gemessen:
- hohe Maßhaltigkeit, d.h. hohe Fließgrenze und Kriechfestigkeit bei Matrizeneinsatztemperatur
- geringe Anfälligkeit gegen thermomechanische Ermüdung bzw. Ausbildung von Rissen (vorteilhafte Vorbedingung hierfür ist eine hohe Werkstoffwärmeleitfähigkeit)
- hohe Oberflächengüte bzw. geringe Oberflächenrauhigkeit des Strangpreßgutes
- Verwendbarkeit für hohe Preßgeschwindigkeiten
- ausreichende Kaltduktilität
- hohe Erosions-/Korrosions-Beständigkeit.
Für derartige Anwendungen wurden bisher als
Matrizenwerkstoffe hauptsächlich Warmarbeitsstähle,
Nickelbasis-Superlegierungen und Stellite verwendet. Diese
Werkstoffe weisen nur vergleichsweise geringe
Wärmeleitfähigkeit auf und sind daher anfällig für
thermomechanisch induzierte Bruchrisse. Die Oberflächengüte
des Strangpreßgutes beim Einsatz derartiger Matrizen ist
stark verbesserungsbedürftig im Vergleich etwa zur
Oberflächenqualität, hergestellt mittels keramischer
Matrizen.
Doch die bekannten Nachteile des Keramikwerkstoffes, besonders die geringe Duktilität, insbesondere Kaltduktilität, engen auch das Anwendungsfeld für Keramikmatrizen stark ein.
Doch die bekannten Nachteile des Keramikwerkstoffes, besonders die geringe Duktilität, insbesondere Kaltduktilität, engen auch das Anwendungsfeld für Keramikmatrizen stark ein.
Die DE-AS 17 58 508 beschreibt die Verwendung eines
Verbundwerkstoffes, bestehend aus 20 - 85 Vol.% Molybdän
und/oder Wolfram als metallische Komponente, Rest
Zirkoniumoxid als oxidkeramische Komponente als Werkstoff für
die Herstellung von Matrizen für das Strangpressen von Bunt- und
Leichtmetallen.
Das mit derartigen Matrizen hergestellte Strangpreßgut
zeichnet sich durch sehr gute Oberflächenqualität aus.
Nachteilig ist die nicht immer ausreichende Warm- und
Kriechfestigkeit und damit der frühzeitige Ausfall der
Matrizen.
Molybdänlegierungen der Zusammensetzung Mo, 1,2 % Hf, 0,1 % C
oder Mo, 0,5 % Ti, 0,08 % Zr, 0,02 - 0,04 % C werden als
Matrizenwerkstoffe für das Strangpressen von
Kupferlegierungen verwendet, wobei die Anwendbarkeit auf
Kupferlegierungen mit einem Kupfergehalt < 70 Gew.%
beschränkt werden mußte.
Das Strangpressen anders legierter Leicht- und Buntmetalle scheiterte an der geringen Erosionsbeständigkeit dieses Werkstoffes. Es kam insbesondere zu unerwünschten Reaktionen des extrudierten Materials mit dem Matrizenwerkstoff.
Das Strangpressen anders legierter Leicht- und Buntmetalle scheiterte an der geringen Erosionsbeständigkeit dieses Werkstoffes. Es kam insbesondere zu unerwünschten Reaktionen des extrudierten Materials mit dem Matrizenwerkstoff.
JP-A-1 111 833 offenbart die Verwendung einer Legierung mit einem Anteil an Mo von 5-40 Gew.% für Matrizen.
Aus der DE-AS 17 58 923 sowie DE-AS 17 58 924 ist
beispielsweise bekannt, die Abriebbeständigkeit von
"Werkstücken" aus Metallegierungen durch oberflächliches
Nitrieren zu verbessern, wobei die Metallegierungen Metalle
dreier Gruppen enthalten, zum einen Niob, Tantal und
Vanadium, zum anderen Molybdän und Wolfram und zum dritten
Titan. Konkret ist in diesen Vorveröffentlichungen die
Anwendung derartiger "Werkstücke" als Werkzeuge, insbesondere
Schneidwerkzeuge genannt und erprobt worden. Unter der
Vielzahl der dort explizit genannten Werkstoffe befinden sich
auch einige molybdänhaltige Werkstoffe mit einem
Molybdängehalt von max. 60 Gew.%, bevorzugt unter 45 Gew.%
Molybdänanteil.
Gemäß Patentbeschreibung erhalten derartige Werkstoffe durch das Oberflächennitrieren "bestimmte mechanische Eigenschaften, insbesondere Verschleißfestigkeit", die bei Schneidversuchen von Schneidwerkzeugen aus derartigen Werkstoffen zum Tragen kommen.
Gemäß Patentbeschreibung erhalten derartige Werkstoffe durch das Oberflächennitrieren "bestimmte mechanische Eigenschaften, insbesondere Verschleißfestigkeit", die bei Schneidversuchen von Schneidwerkzeugen aus derartigen Werkstoffen zum Tragen kommen.
Strangpreßmatrizen mit gegenüber Schneidwerkzeugen sehr
unterschiedlichen Qualitätsanforderungen sind dort nicht
erwähnt.
Ausgehend von der allgemeinen technischen Bedeutung des
Oberflächennitrierens zur Änderung der
Oberflächeneigenschaften von metallischen Werkstoffen ist in
jüngerer Zeit in einer Arbeit von H.P. Martinz in den
"Proceedings zum 13. Internationalen PLANSEE Seminar 1993",
Vol. I, Seiten 632ff, das Nitrieren von Molybdän-Werkstoffen
in größerer Systematik beschrieben worden. Die Arbeit belegt,
daß das Nitrieren von Molybdän-Werkstoffen, anders als etwa
das von Eisenwerkstoffen, eine Vielzahl unterschiedlicher
Nitrierreaktionen, aber auch gegenläufiger Reaktionen mit
einschließt, je nach den im Detail gegebenen
Verfahrensbedingungen. Die durch das Nitrieren verursachten
Eigenschaftsänderungen in Molybdän-Legierungen sind auch
durch die genannte Arbeit nicht wesentlich erhellt worden.
Sie beschränken sich dort im wesentlichen auf die
Feststellung, Nitridschichten erhöhen die
Oxidationsbeständigkeit von Molybdän bei Temperaturen über
640°C nicht.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Verwendung eines
Matrizenwerkstoffes für das Strangpressen von Bunt- und
Leichtmetallen mit verbesserten Eigenschaften. Der Werkstoff
soll den eingangs genannten Anforderungen in Summe besser
entsprechen als die bisher verwendeten Werkstoffe, vor allem
auch im Hinblick auf die bisher bewährten Werkstoffe auf
Molybdänbasis.
Erfindungsgemäß wird dies gemäß Anspruch 1 durch Molybdänlegierungen, die
mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden, erreicht.
Durch die Verwendung dieser Werkstoffe für das Strangpressen
von Bunt- und Leichtmetallen ist es möglich, sowohl die
Standzeit als auch die Preßgeschwindigkeit und
Oberflächenqualität des Strangpreßgutes deutlich zu
verbesseren. So kann bei Aluminium und Aluminiumlegierungen
die Preßgeschwindigkeit im Vergleich zu bekannten, bisher
verwendeten Matrizen aus Warmarbeitsstahl um einen deutlichen
Betrag, bei zumindest gleichwertiger Oberflächenqualität des
Preßgutes und zumindest gleichbleibender vielfach sogar
verbesserter Matrizen-Standzeit, erhöht werden.
Bei Kupfer und Kupferlegierungen kann im Vergleich zu den
bisher üblicherweise verwendeten Nickelbasis-Superlegierungen
und Stelliten als Werkstoffe für die Matrizen die Standzeit
ganz wesentlich verbessert werden, bei einer vergleichsweise
besseren Oberflächenqualität des Strangpreßmaterials und dies
sogar bei einer deutlich höheren Preßgeschwindigkeit.
Als besonders geeignete Molybdänlegierungen haben sich die
unter der Bezeichnung MHC bekannten Molybdänlegierungen mit
0,5 bis 2 Gew.% Hafnium, 0,04 bis 0,2 Gew.% Kohlenstoff, Rest
Molybdän, oder die unter der Bezeichnung TZM bekannte
Molybdänlegierung mit 0,4 bis 0,55 Gew.% Titan, 0,06 bis 0,12
Gew.% Zirkon, 0,01 - 0,04 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän
bewährt.
Als besonders vorteilhafte Verfahren zur
Oberflächennitrierung der Matrizen haben sich die
Gasnitrierung, die Plasmanitrierung oder Stickstoff-Ionennitrierung
bewährt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher
erläutert:
Aus einer MHC-Legierung mit der nominellen Zusammensetzung
1,2 Gew.% Hf, 0,1 Gew.% C, Rest Mo, wurden mittels üblicher
pulvermetallurgischer Verfahren Ronden durch Pressen und
Sintern hergestellt und anschließend durch Schmieden um 75 %
umgeformt. Aus diesen Schmiederohlingen wurden
Matrizeneinsätze für ein Rechteckprofil 23,5 mm x 2 mm
gefertigt, wobei der Matrizendurchmesser 60 mm und die
Matrizenlänge 15 mm betrugen. Die Matrizeneinsätze wurden in
einem Schutzgasofen unter Argon auf 850°C erwärmt. Dann wurde
Ammoniak eingeleitet und die Matrizeneinsätze während
24 Stunden nitriert. Im Schnitt betrug die Stärke der
Nitridschicht 9 µm und die Mikrohärte der Matrizeneinsätze
1950 HV 0,001. Die derart hergestellten Matrizeneinsätze
wurden in eine Matrizenfassung aus Warmarbeitsstahl eingelegt
und damit Stäbe aus Aluminium stranggepreßt.
Im Vergleich zu bisher verwendeten Matrizen aus
Warmarbeitsstahl konnte die mittlere Standzeit um einen
Faktor 1,6 bei einer im Schnitt 1,5-fach höheren
Strangpreßgeschwindigkeit erhöht werden. Darüberhinaus zeigte
das Strangpreßgut, das mit den erfindungsgemäßen
Matrizeneinsätzen hergestellt wurde, eine glattere Oberfläche
als jenes, das mit Matrizen aus Warmarbeitsstahl hergestellt
wurde.
Matrizeneinsätze aus einer MHC-Legierung wurden wie nach
Beispiel 1 hergestellt und danach bei 900°C 6 Stunden in
Ammoniak nitriert. Die mittlere Nitridschichtstärke betrug
5 µm, die Mikrohärte 1810 HV 0,001. Mit den Matrizeneinsätzen
wurden Profile aus sauerstoffarmem Kupfer stranggepreßt. Im
Vergleich zu bisher üblicherweise verwendeten Matrizen aus
Nickelbasis-Superlegierungen konnte die mittlere Standzeit um
einen Faktor 1,9 bei einer 1,2-fach höheren
Preßgeschwindigkeit erhöht werden. Auch hier zeigte das
Strangpreßgut eine glattere Oberfläche als bei den Matrizen
aus der Nickelbasis-Superlegierung.
Matrizen aus einer MHC-Legierung wurden wie nach Beispiel 1
hergestellt und nitriert. Mit den derart hergestellten
Matrizeneinsätzen wurden Profile aus der Legierung Ms63
stranggepreßt. Im Vergleich zu bisher üblicherweise
verwendeten Matrizen aus Stellit konnte die mittlere
Standzeit um einen Faktor 2,8 bei einer um etwa 1,2-fach
höheren Preßgeschwindigkeit erhöht werden. Auch in diesem
Fall zeigte das Strangpreßgut eine glattere Oberfläche als
bei den Matrizen aus Stellit.
Claims (7)
- Verwendung von Molybdänlegierungen mit einem Molybdänanteil > 97,8 Gew.%, die mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden, für Matrizen und ähnliche Bauteile, die dem mit Strangpressgut in Berührung kommen, zum Strangpressen von Leicht- und Buntmetallen.
- Verwendung von Molybdänlegierungen, die mittels Nitrieren oberflächelich gehärtet wurden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung aus 0,5 bis 2 Gew.% Hafnium, 0,04 bis 0,2 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.
- Verwendung von Molybdänlegierungen, die mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung aus 0,4 bis 0,55 Gew.% Titan, 0,06 bis 0,12 Gew.% Zirkon, 0,01 bis 0,04 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.
- Verwendung von Molybdänlegierungen, die mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdänlegierung aus 0,5 Gew.% Titan, 0,08 Gew.% Zirkon, 0,04 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.
- Verwendung von Molybdänlegierungen, die mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizen mittels Gasnitrieren oberflächenbehandelt wurden.
- Verwendung von Molybdänlegierungen, die mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizen mittels Plasmanitrierung oberflächenbehandelt wurden.
- Verwendung von Molybdänlegierungen, die mittels Nitrieren oberflächlich gehärtet wurden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrizen mittels Stickstoff-Ionennitrierung oberflächenbehandelt wurden.
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