EP1268864A1 - Herstellung eines prägewerkzeugs und dessen anwendung - Google Patents

Herstellung eines prägewerkzeugs und dessen anwendung

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EP1268864A1
EP1268864A1 EP01911329A EP01911329A EP1268864A1 EP 1268864 A1 EP1268864 A1 EP 1268864A1 EP 01911329 A EP01911329 A EP 01911329A EP 01911329 A EP01911329 A EP 01911329A EP 1268864 A1 EP1268864 A1 EP 1268864A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
workpiece
lubrication pockets
zones
tool surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01911329A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Steinhoff
Nathalie Schuleit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RUAG Components AG
Original Assignee
RUAG Components AG
SM Schweizerische Munitionsunternehmung AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RUAG Components AG, SM Schweizerische Munitionsunternehmung AG filed Critical RUAG Components AG
Priority to EP01911329A priority Critical patent/EP1268864A1/de
Publication of EP1268864A1 publication Critical patent/EP1268864A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/38—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for roll bodies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
    • B21B27/005—Rolls with a roughened or textured surface; Methods for making same
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B1/227—Surface roughening or texturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/32—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550 degrees C
    • B23K35/327—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550 degrees C comprising refractory compounds, e.g. carbides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/103—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant retained in or near the bearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/14—Special methods of manufacture; Running-in

Definitions

  • the present invention relates to a method according to claim 1 and to a lubrication pocket according to claim 6 and to a preferred application of the method according to claim 10.
  • a method according to the preamble of claim 1 was proposed in PCT / CH99 / 00451 and, for the purpose, has to form workpiece surfaces with different physical / technical and / or chemical properties and to reduce wear on surfaces subject to high stress. This also has a beneficial effect on the tribological properties of the surfaces.
  • the microstructure of the tool surface in particular its raised structural components, should have a high wear resistance.
  • the completion of the lubrication pocket as a prerequisite for a hydrostatic pressure build-up should take place in the earliest possible process phase and at the same time ensure a supply of lubricants during the entire process.
  • the contact angles of the lubrication pockets should also be able to be adjusted favorably to the way the lubricant flows out.
  • the amount of carbide particle entry is determined empirically and has to compensate for the material losses in the tool surface caused by sublimation evaporation, solidification shrinkage and by the plasma shock wave, i.e. the level of the tool surface - its topography - should be as unchanged as possible after the local melting, but at least reproducible and should only vary in the micro range.
  • a vertically oriented “end ring” in the workpiece surface is characteristic of a texture produced with an embossing tool according to the invention.
  • This causes a mechanical delimitation, that is, a closed lubrication pocket during the first contact phase with the, for example, shaping tool.
  • This enables a hydrodynamic pressure build-up, which activates the lubricant supply, even if no actual form locking between tool and workpiece has yet taken place , Due to the resulting small contact surfaces, an empty volume is formed above the surface surrounding the lubrication pockets, through which lubricant is led into the contact zones of high stress. This results in a considerably reinforced hydrodynamic lubrication film compared to lubrication based on pure surface wetting high load capacity.
  • Claim 1 describes the melting of a surface covered with carbide particles, which is particularly simple and can be carried out on numerous known systems.
  • the lubrication pocket according to the invention is characterized by its relatively voluminous crater-shaped depression and a circumferential edge closure of low height.
  • the method-specific use of a pulsed Nd: YAG laser is particularly economical and efficient.
  • the focal spot of the laser beam can be set within wide limits by means of notoriously known, cooled focusing lenses, so that crater-shaped depressions of any size and contact angle can be achieved even with the same beam power.
  • a very simple and economical definition and refinement of the raised parts of the surface, in particular their rounding and smoothing, is carried out by means of a beam processing. Loose or poorly adhering carbide and / or alloy components are removed at the same time.
  • the original carbide layer - before the thermal melting - can be applied particularly simply in the form of a slick to the desired locations on the surface of the tool; have also retains carbide powder with Kar ⁇ coated tape.
  • the actual design of the lubrication pockets can be varied within wide limits, which allows adaptation to the tool geometry, the local load and the lubricant used, as well as the resulting abrasion.
  • the shape of the lubrication pockets is not restricted to rotationally symmetrical craters, elongated craters can also be formed if this appears to make tribological sense. In any case, it is important to have edge closures that have a slope that, ⁇ due to the usually relatively high cohesion of lubricants, prevent them from being pulled or pressed out of the crater. These criteria result in the preferred dimensions claimed, which can be individually optimized are. Preferred pitch angles for the edge seals are shown in further dependent claims, with liquid lubricants of medium viscosity being used.
  • the lubrication pockets embossed in the sheet metal ensure a longer service life for the usually very expensive tool shapes.
  • the texture obtained is regularly distributed on the sheet metal surface, it also serves as an ideal primer for later coatings, which is particularly desirable in car body construction.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view showing the carbide layer after the thermal processing of the tool surface, the for
  • FIG. 2 shows a characteristic shape of an individual crater, produced by stamping with a tool manufactured according to the method, with registered dimensions, 3 as a function of the radius r, zones which can be ascertained and which have arisen as a result of thermal processing, in a standardized, enlarged representation,
  • FIG. 4 shows the zones according to FIG. 2 in a top view of the crater
  • FIGS. 1 to 3 shows a possible deterministic arrangement of the thermally implanted working points according to FIGS. 1 to 3, in a simplified, partial / enlarged enlargement on a tool surface
  • 6a shows a real tool surface structure measured interferometrically in the abscissa direction
  • Fig. 7b the embossing of the surface structure Fig. 6a in the workpiece.
  • 1 denotes a cross section through part of a tool.
  • the surface 1 'of the tool 1 is a substrate for a coating with carbide powder 3 which has been applied with an organic binder.
  • the tool itself consists of a commercially available cold work steel 1.2601 (standard DIN 17350).
  • carbide 3 is gated in an implantation zone 6. Due to the high point energy, part of the steel 1 sublimes and alloys or is remelted in an edge zone 7. A crater 2 remains, which is filled with dispersed and alloyed carbides 4. The transition between the edge zone 7 and the substrate of the tool 1 is designated 8 and relates to a solid phase in which only a structural change has taken place.
  • FIG. 2 The simplified form of an ideal lubrication pocket produced in this way can be seen in FIG. 2, with the annular edge termination being designated by 9 here.
  • a main level HE is also entered, which is identical to the tool surface in the area of the crater.
  • the outer ring diameter is shown with d a , the inner ring diameter d x, the maximum depression of the crater with respect to the main plane HE with t [ ⁇ and the elevation opposite it with h s .
  • the total dimension is R t ; the tangential angle characterizing the flank slope in crater 2 is ⁇ and is usually 15 ° to 45 °.
  • the first layer ZI the dispersed / alloyed layer which was created by the thermally performed liquid phase processing. This is followed by a somewhat thinner layer, a remelting zone Z2, which has also been remelted but is carbide-free. The next layer is a conversion zone Z3, which phase in the hard ⁇ is formed by the action of heat.
  • the substrate, the tool steel 1, is located on the outside.
  • the relative hardness is denoted by H in the ordinate.
  • FIG. 5 A tool surface created according to the invention with a uniform grid is shown in FIG. 5.
  • the distances between the individual craters 2 are varied depending on the local load, but for practical reasons this is done line by line (in columns).
  • a tool surface with the above data has an interferometric profile in the abscissa direction according to FIG. 6a.
  • V3A Stain which consists of 100 parts of distilled water, 100 parts of hydrochloric acid (37%), 10 parts of nitric acid (65%) and 0.3 part of commercially available "Stain"
  • the embossing produced in an aluminum workpiece (99.5% Al) with a pressure of 25 bar shows the profile inverse to FIG. 6a according to FIG. 6b.
  • Analogous are the recordings in the ordinate direction Fig. 7a and Fig. 7b, which in turn show the good embossing behavior and recommend the system not only because of its tribological advantages, but also because of the ideal texturing of the workpiece for subsequent coatings (body panels, etc.).
  • the considerations carried out with the aid of a tool and a workpiece to be machined can of course also be applied to sliding surfaces in which, in one or - with shorter sliding paths - the lubrication pocket according to the invention is alternately provided in both sliding surfaces at locations of high stress.
  • the process is based on commercially available carbides; however, other materials can also be implanted or alloyed according to the invention.

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Abstract

Bei Umformprozessen aber auch in Lagerstellen stellt sich das Problem der Verdrängung des Schmiermittels durch dynamische und statische Vorgänge. Mittels gezielt thermisch in der Oberfläche eines Werkzeugs (1) eingebrachter kraterförmiger Vertiefungen (2) lassen sich deterministisch angeordnete Schmiermitteltaschen mit Randabschlüssen (9) bilden. Durch Abprägen der Werkzeugoberfläche auf dem Werkstück entstehen tribologisch günstige Schmiermitteltaschen, welche den Verschleiss bei nachfolgenden Umformungen reduzieren und dadurch die Standzeit der Werkzeuge erhöhen. Ebenfalls günstig ist eine derart erzielte Textur für die Verankerung nachfolgender Beschichtungen.

Description

Herstellung eines Prägewerkzeugs und dessen Anwendung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und auf eine Schmiertasche nach An- spruch 6 sowie auf eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 10.
Ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wurde in der PCT/CH99/00451 vorgeschlagen und hat zum Zweck Werkstückoberflächen unterschiedlicher physikalischer/techni- scher und/oder chemischer Eigenschaften zu bilden und den Verschleiss an hochbeanspruchten Oberflächen zu reduzieren. Dadurch lassen sich auch die tribologischen Eigenschaften der Oberflächen günstig beeinflussen.
Verfahren zur Herstellung definierter MikroStrukturen auf Werkzeugoberflächen und auf Werkstücken sind seit einigen Jahren bekannt (u.a. DE -AI- 195 29 429) und finden insbesondere in Umformprozessen Verwendung. Dabei wird während der plastischen Umformung eine Abprägung der Textur (Mikro- geometrie) der Werkzeugoberfläche auf der Werkstückoberflä- ehe erreicht; diese Abprägung wirkt sich in Bezug auf die Standzeit der Werkzeuge in Folgeprozessen günstig aus. Eine Analyse der Funktionen einer gezielt mit MikroStrukturen versehenen Oberfläche ergibt folgendes:
1. Verbesserung der tribologischen Bedingungen für nach- folgende Formgebungen.
2. Verbesserung der tribologischen Bedingungen in Baugruppen und Systemen wie beispielsweise Gleitlager. 3. Verbesserung der Haftung und des ästhetischen Erscheinungsbildes nach einer Lackierung (Karosserien) .
4. Vereinfachung und Verbesserung von Beschichtungsverfah- ren, insbesondere Verbesserung der Schichthaftung von Grundierungen und Plattierungen.
Eine mittelbare Strukturierung von Werkstuckoberflachen empfiehlt sich vor allem bei hohen Stuckzahlen; die notwendige, definierte Struktur im Werkstuck setzt in der Regel mehrere Formgebungsschritte voraus, wobei die für jeden Folgeschritt tribologisch geeignete Oberflachenstruktur vorzusehen ist.
Bekannt sind derartige Verfahren in der Feinblechherstellung, beim Tiefziehen u.a. auch beim reduzierenden Kaltwalzen mit nachfolgendem Nachwalzen. Es hat sich gezeigt, dass sich Strukturen nachteilig auswirken, bei denen die gebildeten Schmiertaschen durch Abprägen eines durch Volumenverlagerung entstandenen erhabenen Strukturanteils entstanden sind. Durch die zwangsläufige Verknüpfung eines erhabenen Strukturanteils mit einer Vertiefung resultiert zwingend eine tribologisch ungunstige Materialumlagerung, die in einer Nachbearbeitung, meist durch einen Schleifvorgang, abgetragen wird. Damit verliert eine solche Schmiertasche ihre Verschleissfestigkeit und ihren Randabschluss . Es können somit nur sehr beschrankt Schmiermittelreserven gebil- det werden, die zudem durch dynamischen Vorgange wahrend des Formgebungsprozesses entweder ausgespult und/oder durch Wegquetschen des Schmierstoffes aus den Zonen höchster Kontaktspannungen entfernt werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren zur Erzeugung einer verbesserten, optimierten Schmiertaschengeometrie zu schaffen, welche folgende Eigenschaften aufweist:
1. Die Mikrostruktur der Werkzeugoberfläche insbesondere deren erhabene Strukturanteile sollen eine hohe Ver- schleissfestigkeit aufweisen.
2. Die Gestaltung von erhabenen und vertieften Strukturbereichen soll in einer nicht nachteiligen Verknüpfung vorliegen und somit weitgehend frei gestaltbar sein.
3. Der Abschluss der Schmiertasche als Voraussetzung für einen hydrostatischen Druckaufbau soll in einer möglichst frühen Prozessphase erfolgen und gleichzeitig eine Versorgung mit Schmiermitteln während des gesamten Prozessablaufs sicherstellen. Ebenfalls sollen sich die Randwinkel der Schmiertaschen günstig auf das Heraus- fliessen des Schmierstoffs einstellen lassen.
Diese Aufgabe lässt sich durch ein Prägewerkzeug das nach dem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 herge- stellt wurde lösen; die resultierenden Schmiertaschen erfüllen die Merkmale von Anspruch 6.
Der im Patentanspruch 1 erwähnte Eintrag von Karbidpartikeln kann gemäss PCT/CH99/00451 durch eine vor der thermischen Behandlung auf die Werkzeugoberfläche aufgetragene Schlicke, durch mit Karbidpulver belegte Klebstreifen oder durch Karbidpartikel welche in die Schmelze eingetragen werden, erfolgen. Letzteres wird bei der Beschichtung von Metalloberflächen sowie ähnlichen Technologien häufig angewendet und gilt als an sich bekannte, übliche Methode.
Die Menge des Eintrags an Karbidpartikel wird empirisch bestimmt und hat die durch Sublimierverdampfen, Erstarrungs- schrumpfen und durch die Plasma-Schockwelle entstehenden Materialverluste in der Werkzeugoberfläche zu kompensieren, d.h. das Niveau der Werkzeugoberfläche - dessen Topographie - soll nach dem lokalen Aufschmelzen möglichst unverändert, zumindest aber reproduzierbar sein und nur im Mikrobereich variieren.
In der zentralen Karbide enthaltenden Zone treten diese in Form von dispergierten Partikeln aber auch als Legierungsbestandteile in Metallkarbiden auf, welche sich während des lokalen Aufschmelzens und Abkühlens bilden.
Charakteristisch für eine mit einem erfindungsgemässen Prägewerkzeug hergestellte Textur ist das Vorhandensein eines vertikal orientierten "Abschlussrings" in der Werkstückoberfläche. Dieser bewirkt eine mechanische Abgrenzung, d.h. eine geschlossene Schmiertasche während der ersten Kontaktphase mit dem, beispielsweise formgebenden Werkzeug.- Dadurch kann ein hydrodynamischer Druckaufbau erfolgen, was die Schmierstoffversorgung aktiviert, selbst dann, v/enn noch keine eigentlichen Formschlüsse zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt sind. Aufgrund der resultierenden ge- ringen Kontaktflächen bildet sich ein Leervolumen über der die Schmiertaschen umgebenden Oberfläche, über welches Schmierstoff in die Kontaktzonen hoher Belastung geführt wird.- Dies bewirkt einen, gegenüber einer auf reiner Ober- flächenbenetzung beruhenden Schmierung, beträchtlich ver- stärkten hydrodynamischen Schmierfilm hoher Tragfähigkeit. Bei einer fortschreitenden Einebnung der Oberfläche ist das "Wegquetschen" von Schmierstoff unvermeidlich, was sich aber durch eine Vergrösserung (Überdimensionierung) des Schmiertaschenvolumens soweit kompensieren lässt, dass bei- spielsweise der Formgebungsprozess auch nach langer Standzeit, noch ohne grösseren Verschleiss, durchführbar ist.
Aufgrund der bisher üblichen Voraussetzung einer annähernden Volumenkonstanz bei den konventionellen Herstellungsverfahren für Schmiertaschen sind bei erfindungsgemäss her- gestellten Werkzeugoberflächen geänderte (kleinere) Spiele zwischen den Werkzeugen möglich, d.h. es können auch beim Texturieren von Oberflächen engere Masstoleranzen eingehalten werden.
Durch das im Patentanspruch erwähnte lokale thermische U - schmelzen der Werkzeugoberfläche wird eine derart hohe
Energie in den Werkstoff (Substrat) eingebracht, dass eine Sublimierverdampfung stattfindet und somit nahezu keine Werkstoffumlagerung erfolgt.- Der gewünschte Randabschluss der Krater ist mehrheitlich mit Metallkarbiden und Legie- rungsbestandteilen aufgebaut und besitzt eine entsprechend hohe Verschleissfestigkeit, die sich zudem durch die vorbestimmbare Menge an eingetragenem Karbidpulver steuern lässt .
Der Patentanspruch 1 beschreibt das besonders einfach und auf zahlreichen bekannten Anlagen realisierbare Aufschmelzen einer mit Karbidpartikeln belegten Oberfläche.
Überraschenderweise stellt sich nach einem notorisch bekannten, spanlosen Abtragungsvorgang auf der Werkzeugoberfläche - am Ort der Wärmebehandlung - eine Struktur ein, welche hervorragend zur Abprägung geeignet ist und ideale Schmiertaschen in der Werkstückoberflache erzeugt.
Die erfindungsgemässe Schmiertasche zeichnet sich durch ihre relativ voluminöse kraterförmige Vertiefung und einen umlaufenden Randabschluss geringer Höhe aus.
In abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands charakterisiert.
Besonders wirtschaftlich und rationell ist der verfahrens- gemässe Einsatz eines gepulsten Nd: YAG-Lasers .
Grundsätzlich lässt sich mittels notorisch bekannter, gekühlter Fokusierlinsen der Brennfleck des Laserstrahls in weiten Grenzen einstellen, so dass auch bei gleicher Strahlleistung kraterförmige Vertiefungen beliebiger Grosse und Randwinkel erzielbar sind.
Eine sehr einfache und wirtschaftliche Festlegung, und Verfeinerung der erhabenen Teile der Oberfläche, insbesondere deren Abrundung und Glättung erfolgt mittels einer Strahlbearbeitung. Dabei werden gleichzeitig lose oder schlecht haftende Karbid- und/oder Legierungsbestandteile entfernt.
Anlagetechnisch günstig sind mechanische Strahlbearbeitungen, da die entsprechenden Geräte relativ klein sind und sich leicht in den Herstellungsprozess integrieren lassen. Denkbar ist aber auch der Einsatz von anderen Strahlungsquellen sowie von unter hohem Druck beaufschlagten Fluids, aber auch ein Bürsten und damit ein Abschleifen von Zonen geringerer Härte. Gleichzeitig lasst sich durch die Strahlbearbeitung der Verschleissgradient am Werkstuck und damit dieser auch zwi¬ schen dem Werkzeug und dem Werkstuck einstellen, in dem die Karbidschicht auf das gewünschte Mass reduziert wird.
Je nach Werkzeuggrosse und vorhanden anlagetechnischen Möglichkeiten kann auch eine chemische Abtragung vorteilhaft sein. Selbstverständlich muss das gewählte Abtragungsver¬ fahren an die Harte des Substrats, d.h. der Werkzeugoberflache angepasst sein, damit sich deren Masse und Oberfla- chenbeschaffenheit nicht nachteilig verandern; in Frage kommen auch mehrstufige Abtragungsverfahren.
Die ursprungliche Karbidschicht - vor dem thermischen Aufschmelzen - lasst sich besonders einfach in Form einer Schlicke auf die gewünschten Stellen auf der Werkzeugober- flache aufbringen; ebenfalls bewahrt haben sich mit Kar¬ bidpulver beschichtete Klebestreifen.
Die eigentliche Ausgestaltung der Schmiertaschen kann in weiten Grenzen variiert werden, was eine Anpassung an die Werkzeuggeometrie, die ortliche Belastung und an das zum Einsatz gelangende Schmiermittel sowie den prasumtiv resultierenden Abrieb erlaubt. Die Form der Schmiertaschen ist nicht auf rotationssymmetrische Krater beschrankt, es können auch längliche Krater gebildet werden, wenn dies tribologisch sinnvoll erscheint. Wichtig sind in jedem Fall Randabschlusse, welche eine Steigung aufweisen, die auf¬ grund der üblicherweise relativ hohen Kohasion von Schmiermitteln verhindern dass diese aus dem Krater gezogen oder gepresst werden.- Aus diesen Kriterien ergeben sich die beanspruchten, bevorzugten Abmessungen die individuell opti- mierbar sind. Bevorzugte Steigungwinkel für die Randabschlusse sind in weiteren abhangigen Ansprüchen aufgezeigt, wobei auf flussige Schmierstoffe mittlerer Viskosität abgestellt ist.
Verfahrensgemass hergestellte Pragewalzen (= Werkzeuge) für die Feinblechherstellung bilden zusammen mit dem zu walzenden Blech (= Werkstück) bereits wahrend des Walzvorgangs Schmiertaschen, die sich gunstig auf den Verschleiss der Pragewalze auswirken. In nachfolgenden Umformprozessen gewahrleisten die im Blech abgeprägten Schmiertaschen höhere Standzeiten der meist sehr kostspieligen Werkzeugformen.
Wenn die erzielte Textur regelmassig auf der Blechoberflache verteilt wird, dient sie gleichzeitig als idealer Haftgrund für spatere Beschichtungen, was besonders im Karosseriebau erwünscht ist.
Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausfuhrungsbei- spiele des Erfindungsgegenstands naher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung, welche die Karbidschicht nach der thermischen Bearbeitung der Werkzeugoberflache aufzeigt, wobei der zur
Bearbeitung benutzte Laser und der Strahlwinkel angedeutet sind,
Fig. 2 eine charakteristische Form eines einzelnen, durch Abprägen mit einem verfahrensgemass herge- stellten Werkzeug erzeugten Kraters, mit eingetragener Vermassung, Fig. 3 in Funktion des Radius r feststellbare Zonen, die durch die thermische Bearbeitung entstanden sind, in normierter, vergrösserter Darstellung,
Fig. 4 die Zonen nach Fig. 2 in einer Draufsicht auf den Krater,
Fig. 5 eine mögliche deterministische Anordnung der thermisch implantierten Arbeitspunkte nach Fig. 1 bis 3, in einer vereinfachten, ausschnittv/eisen Vergrösserung auf einer Werkzeugoberfläche ,
Fig. 6a eine in Abszisse-Richtung interferometrisch vermessene, reale Werkzeugoberflächenstruktur,
Fig. 6b die Abprägung der Oberflächenstruktur Fig. 6a im Werkstück,
Fig. 7a eine in Ordinate-Richtung interferometrisch ver- messene, reale Werkzeugoberflächenstruktur und
Fig. 7b die Abprägung der Oberflächenstruktur Fig. 6a im Werkstück.
In Figur 1 ist mit 1 ein Querschnitt durch ein Teil eines Werkzeugs bezeichnet. Die Oberfläche 1' des Werkzeugs 1 ist Substrat für eine Beschichtung mit Karbidpulver 3, welches mit einem organischen Bindemittel versehen aufgetragen wurde. Das Werkzeug selbst besteht aus einem handelsüblichen Kaltarbeitsstahl 1.2601 (Norm DIN 17350).
Darüber befindet sich eine handelsübliche Impulslaser-An- läge (Nd: YAG-Laser) 100 mit einer Fokusierlinse 10; der austretenden Laserstrahl ist mit 5 bezeichnet und disper- - lo ¬
giert die Karbide 3 in einer Implantier-Zone 6. Durch die hohe punktuell auftreffende Energie sublimiert ein Teil des Stahls 1 und legiert bzw. wird in einer Randzone 7 umgeschmolzen. Es verbleibt ein Krater 2, der mit dispergierten und legierten Karbiden 4 ausgefüllt ist. Der Übergang zwischen der Randzone 7 zum Substrat des Werkzeugs 1 ist mit 8 bezeichnet und betrifft eine Festphase, in welcher lediglich eine Gefugeumwandlung statt gefunden hat.
Wird nun eine solcher Art vorbereitete Werkzeugoberflache 1' einem Abtragungsvorgang beispielsweise durch Sandstrahlen unterzogen, so verbleiben die harten, Karbide enthaltenden Schichten nahezu unverändert, wahrend die weicheren Umschmelzonen abgetragen werden und ringförmige Ausnehmungen bilden. Durch Abprägen einer solchen Topographie lassen sich Schmiertaschen bilden.
Die vereinfacht dargestellte Form einer derart hergestellten idealen Schmiertasche ist in Fig. 2 zu sehen, wobei hier der ringförmige Randabschluss mit 9 bezeichnet ist. Ebenfalls eingetragen ist eine Hauptebene HE, welche iden- tisch mit der Werkzeugoberflache im Bereich des Kraters ist.
Ferner sind der aussere Ringdurchmesser mit da, der innere Ringdurchmesser dx die maximale Vertiefung des Kraters gegenüber der Hauptebene HE mit t[< und die Überhöhung gegen- über dieser mit hs eingezeichnet. Das Gesamtmass betragt Rt; der die Flankensteigung im Krater 2 charakterisierende Tan- gentialwinkel ist ß und betragt in der Regel 15° bis 45°. Eine Untersuchung der gemass Fig. 1 erfolgten AufSchmelzung zeigt den nach Fig. 3 typischen Schichtaufbau, nach erfolgter mechanischer Abtragung:
Vom Zentrum des Kraters 2 in radialer Richtung r, siehe Fig. 4, trifft man auf die erste Schicht ZI, die disper- gierte/legierte Schicht welche durch die thermisch erfolgte Flussigphasenbearbeitung entstand. Danach folgt eine etwas dünnere Schicht, eine Umschmelzone Z2, die zwar ebenfalls umgeschmolzen wurde, aber karbidfrei ist. Die nächste Schicht ist eine Umwandlungszone Z3, welche in der Fest¬ phase durch Wärmeeinwirkung gebildet ist. Aussen befindet sich das Substrat, der Werkzeugstahl 1.
Die relative Harte ist in der Ordinate mit H, bezeichnet.
Eine mit gleichmassigem Raster erfindungsgemass erstellte Werkzeugoberflache ist in Fig. 5 dargestellt. Je nach ortlicher Belastung werden die Abstände zwischen den einzelnen Kratern 2 variiert, doch erfolgt dies aus praktischen Gründen linienweise (in Kolonnen) .
Am realisierten Werkzeug wurden folgende beispielsweisen charakteristischen Daten durch eine interferometrische Oberflachenmessung gewonnen:
Max. Durchmesser da des Randabschlusses 9 = 300 μm Innendurchmesser d*. am Randabschluss 9 = 230 μm Tangentialwinkel (Flankensteigungswinkel) ß = 10° Maximale Vertiefung t*.- = 6 μm Maximale Überhöhung hs = 4μm Fulltiefe Schmiermittel Rt = 10 μm Es wurden folgende Laserparameter angewendet:
Pulsenergie (Spotenergie) = 1 Joule Pulsfrequenz = 10 Hz Pulsleistung = 400 W Leistungsdichte = 1,4 x 105 W/cm2
Eine Werkzeugoberfläche mit den obigen Daten weist ein in- terferometrisches Profil in Abszisse-Richtung gemass Fig. 6a auf.
Besonders bewährt hat sich für den Abtragungsvorgang ein Glasstrahlen mit handelsüblichen, kugelförmigen Glasperlen von 25 - 50 μm Durchmesser unter einem Druck von 4,0 bar.
Ebenfalls geeignet ist hierfür ein Ätzmittel unter der Bezeichnung "V3A Beize", welches aus 100 Teilen destilliertem Wasser, 100 Teilen Salzsäure (37 %) , 10 Teilen Salpeter- säure (65 %) und 0,3 Teilen handelsüblicher "Sparbeize"
(Dr. Vogels Sparbeize, Nr. 1830/170014, Wirtz-Buehler GmbH, D-40599 Düsseldorf) besteht.
Die mit einem Druck von 25 bar erzeugte Abprägung in einem Aluminiumwerkstück (99,5 % AI) zeigt das zu Fig. 6a inverse Profil gemass Fig. 6b.
Analog sind die Aufzeichnungen in Ordinate-Richtung Fig. 7a und Fig. 7b, welche wiederum das gute Abprägeverhalten zeigen und das System nicht nur wegen seiner tribologischen Vorteile, sondern auch wegen der idealen Texturierung des Werkstücks für nachfolgende Beschichtungen (Karosseriebleche etc.) empfehlen. Die anhand eines Werkzeugs und eines zu bearbeitenden Werkstucks geführten Betrachtungen lassen sich selbstverständlich auch auf Gleitflachen übertragen, bei denen in einer - oder bei kürzeren Gleitwegen - wechselseitig in beiden Gleitflachen erfindungsgemasse Schmiertasche an Orten hoher Belastung vorgesehen sind.
Aus wirtschaftlichen Überlegungen ist das Verfahren auf handelsübliche Karbide bezogen; es lassen sich aber auch andere Werkstoffe implantieren bzw. erfindungsge ass zule- gieren.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Pragewerkzeuges für die Texturierung von Werkstucken durch eine gezielte partielle Änderung der physikalisch/technischen Eigenschaften, wobei durch lokales thermisches Aufschmelzen auf der Werkzeugoberflache bogenförmig begrenzte, deterministische MikroStrukturen des mit einer Textur zu versehenden Werkstucks in einem den vorgesehenen tribologischen Bedingungen angepassten Raster, m definierten geometrischen Abstanden der Raster zueinander, angebracht werden, wobei wahrend des Aufschmelzens Karbidpartikel in die Mikrostruktu- ren eingetragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch das thermische Aufschmelzen der Werkzeugoberflache (1') eine zentrale, Karbide enthaltende Zone (ZI) hoher Harte erzeugt wird, dass gleichzeitig eine zum zentralen Bereich (ZI) mantelformige oder koaxial verlaufende Umschmelzone (Z2) mit gegenüber dem zen- tralen Bereich geringerer Harte und eine weitere, die Umschmelzone (Z2) umgebende aussere Umwandlungszone (Z3) gebildet werden, welche eine gegenüber der U - schschmelzzone (Z2) und der Werk∑eugoberflache (l1) niedrigere Harte aufweist, wobei die zugefuhrte ther- mische Energie derart eingestellt wird, dass die To¬ pographie des Werkzeugs im Mikrobereich wenigstens annähernd unverändert bleibt und dass nach einer Abkühlung des Werkzeugs dieses einem gleichmassigen Abtragungsvorgang ausgesetzt wird, welcher die drei Zo- nen (ZI bis Z3) entsprechend dem Harteprofil in ihrer Hohe einstellt und die Übergänge zwischen den Zonen (ZI bis Z3) und der Werkzeugoberflache (1') glättet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Aufschmelzen der Werkzeugober- flache ein gepulster Nd: YAG-Laser eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen (ZI bis Z3) durch eine Strahlbearbeitung eingestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbearbeitung mechanisch, insbesondere durch Sandstrahlen, Stahlkiesstrahlen oder Kugel- strahlen vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zonen (ZI bis Z3) durch eine che- mische Behandlung, insbesondere durch Atzen eingestellt werden.
6. Schmiertaschen in Werkstuckoberflachen welche durch Abprägen mit einem nach den Ansprüchen 1 bis 5 hergestellten Werkzeug erzeugt sind, dadurch gekennzeich- net, dass diese einen aus der Werkstuckoberflache
(1') herausragenden, bogenförmig umlaufenden Randab- schluss (9) aufweisen, dass innerhalb des Randabschlusses (9) eine kraterförmige Vertiefung (2) vor¬ gesehenen ist, und dass die Schmiertaschen in einer der lokalen Belastung des Werkstucks (1) angepassten Raster in definierten geometrischen Abstanden der einzelnen Raster zueinander, auf der Werkstuckober- fläche (l1) und/oder entsprechend einer vorgegebenen Textur verteilt sind.
7. Schmiertaschen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese abgerundet und geglättet sind und dass ein zwischen der Werkzeugoberfläche (HE) und dem Innern des Randabschlusses (9) gebildeter Tangential- winkel (ß) im Bereich zwischen 5° und 15° vorgesehen ist.
8. Schmiertaschen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass der äussere Durchmesser (da) des
Randabschlusses (9) < 500 μm und > 150 μm ist, dass die maximale Vertiefung (tκ) > 2 μm und < 20 μm ist und dass die Überhöhung (hs) des Randabschlusses (9) gegenüber der Werkstückoberfläche (HE) < 5 μm und > l μm ist.
9. Schmiertaschen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tangentialwinkel (ß) nach dem in der Vertiefung (2) aufzunehmenden Schmiermittel bzw. nach dessen Viskosität bei Arbeitstemperatur gewählt ist.
10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Erzeu¬ gung von Schmiertaschen bildenden Prägewalzen zum Feinwalzen und Texturieren von Blech.
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