EP1378313A1 - Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes - Google Patents

Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes Download PDF

Info

Publication number
EP1378313A1
EP1378313A1 EP03014235A EP03014235A EP1378313A1 EP 1378313 A1 EP1378313 A1 EP 1378313A1 EP 03014235 A EP03014235 A EP 03014235A EP 03014235 A EP03014235 A EP 03014235A EP 1378313 A1 EP1378313 A1 EP 1378313A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
pressure
copper
composite
composite material
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Withdrawn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
EP03014235A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Dr. Betz
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Publication of EP1378313A1 publication Critical patent/EP1378313A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
    • 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
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • 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
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • 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
    • C21D2251/00—Treating composite or clad material

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing and / or heat treating a spatial composite of materials of at least two materials with different thermal expansion coefficient, the composite material for its manufacture and / or for heat treatment is heated and then cooled.
  • Composite materials can be found in many areas of the Technology. Coins, bimetal sensors or actuators, contact springs, Thick-film and thin-film cladding or coatings are just a few examples of metallic Composite materials. Draw these composite materials is usually characterized by the fact that they are heated and cooled can expand essentially freely, since they are only in on one level or across one end face are connected. They are often manufactured at or near the room temperature, such as during cold plating or with galvanic coating, or only with local Warming, such as friction welding.
  • Spatial material composites from materials with different are coefficients of thermal expansion difficult to manufacture.
  • the requirements for spatial Composites are often high. This is especially true for material composites that cyclically over larger temperature ranges be warmed and cooled.
  • the particularly stressed composite materials include e.g. Injection molding permanent forms for metal, plastic or Cast glass from tool steel or cast iron. To cool the The workpiece is close to the steel surfaces on the workpiece side Copper inserts into the tool steel or cast iron, that improve heat dissipation from the workpiece. The Copper inlays can be placed further away from the workpiece lying area are additionally cooled by liquid. With every injection molding cycle, the material composite is formed due to the high and locally different temperatures heavily burdened. It has been shown that the composite does not has satisfactory function and service life. Frequently leaves the dimensional accuracy of the Workpieces left to be desired. This is attributed to that there are damages in the form.
  • the invention has for its object the quality of composite materials from at least two materials with different to improve thermal expansion coefficient.
  • this object is achieved by a method with the features of claim 1.
  • a method to manufacture and / or heat treat a spatial Composite of at least two materials different coefficients of thermal expansion where the composite material for its manufacture and / or the heat treatment is heated and then cooled, passes through the composite material during cooling Temperature interval in which the at least two materials are in a solid state. During the run this temperature interval is applied to the composite material an isostatic pressure above the hot stretch exercised at least one of the at least two materials, so that this material is plastic at least in the micro range is deformed.
  • the temperature interval is (according to the here given definition) that (partial) interval of the cooling process, in which the applied pressure is always above the respective hot stretch limit.
  • the adjacent needs Pressure not to be kept constant; it will only required that it always be above the (changing, i.e. increasing) hot stretch limit lies. If the cooling process reaches a temperature at which the applied pressure because of the increased due to the cooling Warm stretch limit no longer above the warm stretch limit lies, but falls below this, it ends like this defined temperature interval at this point. The one at Leaving the interval may be due to (increased) pressure maintained even after leaving the temperature interval remain, but then no longer has that for the invention essential effect.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the temperature interval ends at a temperature at which the hot stretch of the material with the lower hot stretch limit over 50%, preferably over 80%, of its hot stretch is at room temperature.
  • a pressure is applied which is at least 50% or preferably corresponds to 80% of the hot stretch.
  • high pressure is only required for the lower ones Temperature of the interval to rise; at higher temperatures a lower pressure above the lower one is sufficient Hot yield strength.
  • the material with the higher coefficient of thermal expansion and the lower hot stretch limit Copper or a copper alloy with more than 80% copper and the material with the lower coefficient of thermal expansion and the higher hot stretch limit a tool steel or cast iron.
  • a tool steel or cast iron fulfills high requirements for thermal shock stress, Erosion, cavitation and abrasion.
  • Steel or cast iron molds however, have a sluggish thermal response.
  • a copper material is in the mold to improve heat dissipation brought in. While - as described at the beginning - such molds have a limited lifespan, creates the further development of the method according to the invention a significant increase in service life and reliability.
  • the hardening of a composite material is with a high Cooling rate connected. It can be a higher one Pressure may be required to accelerate the creep process. It is therefore proposed that the amount of pressure is selected depending on the cooling rate, with a higher cooling rate a higher one Pressure is selected.
  • the invention is applicable to "flat" composite materials.
  • the method according to the invention acts particularly effectively, if a composite is provided, at one of the two materials is at least one coherent Partial volume of the other material essentially spatially encloses so that only a small proportion of the outer surface of the composite material from which essentially enclosed partial volume is formed.
  • the small proportion of the outer surface is preferred of the composite material that is essentially from that enclosed partial volume is formed, that a through opening to the partial volume in that initially completely encloses the partial volume Material is generated.
  • a much lower one Pressure is necessary than with a completely enclosed body, in which the enclosing body on the enclosed Body must be "pressed".
  • the composite material according to Figure 1 consists of a Steel body 1 and a copper insert 2.
  • Such Material combinations can be found, for example, in permanent forms for metal, plastic or glass casting.
  • this composite material is in the steel body 1 Drilled hole, the hole filled with the copper body 2 and both bodies are heated to approx. 1100 ° C. The copper is liquid at this temperature. Then the Cooled composite material.
  • Detachments 3 of the copper body 2 from the steel body 1 and thus damage to the composite material occur.
  • 2 cracks 4 can occur in the interior of the copper body.
  • Such composite materials are often heat-treated. Even with such a heat treatment (or a subsequent thermal alternating loads), detachments 3 or cracks 4 occur.
  • FIG. 2 shows a steel-copper composite, with the method according to the invention is produced.
  • the copper body 2 is almost completely enclosed by the steel body 1, with a "feed opening" on the top of the steel body is provided.
  • a high pressure P which both acts on the steel body 1 and copper body 2.
  • the feed opening 5 allows that, in contrast to one closed system without a lower opening Pressure P must be applied directly to the copper body acts.
  • the pressure P feeds the solid copper when it cools down the composite and "pushes" it against the steel wall. cracking and detachments are effectively avoided and it becomes a composite with high dimensional accuracy and later Long life load created.
  • FIG. 3 in which the hot stretch limits of steel 1 and copper 2 are plotted against the temperature.
  • the hot stretch limit of copper is approx. 60 - 100 N / mm 2 and that of steel is approx. 300 - 500 N / mm 2 .
  • both hot stretching limits decrease.
  • the hot stretch limit of the steel is less than 50 N / mm 2 .
  • the copper is made of steel on all sides surrounded - lies the one to be applied according to the invention Pressure higher than with an open system, namely above the hot stretch limit for steel.
  • the print can be for a small Temperature interval or a large temperature interval for example from 1030 ° C - 400 ° C.
  • the dash-lined minimum pressure 6 is for a closed one System (steel) at 400 ° C approx. 3000 to 5000 bar.
  • the minimum pressure in the case shown is the temperature kept constant, of course it can be higher Temperature also set lower and with increasing Cooling can be increased.
  • the pressure curve is also shown in dashed lines 7 for an open system, the minimum pressure at 400 ° C is approx. 600 to 1000 bar, i.e. lower than with the closed system.
  • the pressure does not have to be forced be kept constant over temperature. Rather, it can be set lower at high temperatures and be increased with increasing cooling.
  • the composite material is not based on metallic Materials specified. Other material combinations too - For example made of plastic - are conceivable. Also the composite material can consist of more than two materials different coefficients of thermal expansion consist. For the rest, is under a heat treatment the production of the composite material any kind of heat treatment to understand, including hardening or an occasion treatment.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbunds von wenigstens zwei Werkstoffen (1,2) mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei der Werkstoffverbund zu seiner Herstellung und/oder bei der Wärmebehandlung erwärmt und anschließend abgekühlt wird, wobei der Werkstoffverbund während der Abkühlung ein Temperaturintervall durchläuft, in dem die wenigstens zwei Werkstoffe im festen Aggregatzustand vorliegen, und wobei während des Durchlaufens des Temperaturintervalls auf den Werkstoffverbund ein isostatischer Druck (p) oberhalb der Warmstreckgrenze zumindest eines der wenigstens zwei Werkstoffe ausgeübt wird, so daß dieser Werkstoff zumindest im Mikrobereich plastisch verformt wird. Die Erfindung gestattet es, die Qualität von Werkstoffverbunden aus wenigstens zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verbessern. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes von wenigstens zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei der Werkstoffverbund zu seiner Herstellung und/oder bei der Wärmebehandlung erwärmt und anschließend abgekühlt wird.
Werkstoffverbunde finden sich in vielen Bereichen der Technik. Münzen, Bimetallsensoren oder -aktoren, Kontaktfedern, Dickschicht- und Dünnschichtplattierungen oder -beschichtungen sind nur einige wenige Beispiele für metallische Werkstoffverbunde. Diese Werkstoffverbunde zeichnen sich meist dadurch aus, daß sie sich bei Erwärmung und Abkühlung im wesentlichen frei ausdehnen können, da sie nur in einer Ebene oder über eine Stirnseite flächig miteinander verbunden sind. Ihre Herstellung erfolgt oft bei oder nahe der Raumtemperatur, wie zum Beispiel beim Kaltplattieren oder beim galvanischen Beschichten, oder bei nur örtlicher Erwärmung, wie zum Beispiel beim Reibschweißen.
Räumliche Werkstoffverbunde aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind schwierig herzustellen. Auch die Anforderungen an räumliche Werkstoffverbunde sind häufig hoch. Dies gilt insbesondere für Werkstoffverbunde, die zyklisch über größere Temperaturbereiche erwärmt und abgekühlt werden.
Zu den besonders belasteten Werkstoffverbunden zählen z.B. Spritzguß-Dauerformen für Metall-, Kunststoff- oder Glasguß aus Werkzeugstahl oder Gußeisen. Zur Kühlung des Werkstücks sind nahe der werkstückseitigen Stahl-Oberflächen Kupfereinlagen in den Werkzeugstahl oder das Gußeisen eingebracht, die die Wärmeabfuhr vom Werkstück verbessern. Die Kupfereinlagen können an einer vom Werkstück weiter entfernt liegenden Stelle zusätzlich durch Flüssigkeit gekühlt werden. Bei jedem Spritzguß-Zyklus wird der Werkstoffverbund durch die hohen und lokal unterschiedlichen Temperaturen stark belastet. Es hat sich gezeigt, daß der Verbund keine zufriedenstellende Funktion und Standzeit aufweist. Häufig läßt bereits nach einiger Zeit die Maßhaltigkeit der Werkstücke zu wünschen übrig. Dies wird darauf zurückgeführt, daß in der Form Schädigungen vorhanden sind.
Ausgehend von dem vorliegenden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Qualität von Werkstoffverbunden aus wenigstens zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bei dem Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes von wenigstens zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei der Werkstoffverbund zu seiner Herstellung und/oder bei der Wärmebehandlung erwärmt und anschließend abgekühlt wird, durchläuft der Werkstoffverbund während der Abkühlung ein Temperaturintervall, in dem die wenigstens zwei Werkstoffe im festen Aggregatzustand vorliegen. Während des Durchlaufens dieses Temperaturintervalls wird auf den Werkstoffverbund ein isostatischer Druck oberhalb der Warmstreckgrenze zumindest eines der wenigstens zwei Werkstoffe ausgeübt, so daß dieser Werkstoff mindestens im Mikrobereich plastisch verformt wird. Das Temperaturintervall ist (gemäß der hier gegebenen Definition) dasjenige (Teil-)Intervall des Abkühlvorgangs, in welchem der anliegende Druck stets oberhalb der jeweiligen Warmstreckgrenze liegt. Dabei braucht der anliegende Druck nicht konstant gehalten zu werden; es wird lediglich gefordert, daß er in dem Intervall stets über der (sich ändernden, d.h. sich erhöhenden) Warmstreckgrenze liegt. Erreicht der Abkühlvorgang eine Temperatur, bei der der anliegende Druck wegen der aufgrund des Abkühlens angestiegenen Warmstreckgrenze nicht mehr über der Warmstreckgrenze liegt, sonder unter diese abfällt, so endet das so definierte Temperaturintervall an dieser Stelle. Der beim Verlassen des Intervalls anliegende (erhöhte) Druck kann auch noch nach Verlassen des Temperaturintervalls aufrechterhalten bleiben, hat dann aber nicht mehr die für die Erfindung wesentliche Wirkung.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, daß bereits bei der Herstellung eine Vorschädigung der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstoffen des Verbunds eintreten kann. Bringt man beispielsweise in einen Stahlkörper eine zylindrische Bohrung ein und füllt den Innenraum mit einem Kupferbolzen, erwärmt beide Körper unter Verflüssigung des Kupfers auf 1100°C, läßt anschließend das Kupfer erstarren und kühlt den so hergestellten Verbund von etwa 1000°C bis auf Raumtemperatur ab, dann - so haben Untersuchungen ergeben - ist der Verbund bereits durch Ablösungen der Werkstoffe im Grenzflächenbereich sowie durch Risse im Inneren des Kupfers vorgeschädigt. Ein ähnliches Ergebnis erhält man bei einer Lötverbindung oder einer Diffusionsverbindung. Der Grund dieser Beschädigung liegt in den deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Kupfer.
Es hat sich gezeigt, daß die durch die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene Schädigungen zumindest teilweise dadurch vermieden werden können, daß in der Abkühlphase ein Druck angelegt wird, der hoch genug ist, um wenigstens einen Werkstoff zumindest im Mikrobereich plastisch zu verformen. Dabei sorgt der aufgebrachte Druck für ein "Nachspeisen" des aufgrund der Abkühlung schwindenden Werkstoffs mit dem größeren Ausdehnungskoeffizienten. Ablösungen der Werkstoffe im Grenzflächenbereich oder eine innere Schädigung werden durch die hohe Druckdifferenz zwischen dem hohen anliegenden isostatischen Druck und dem Druck im Bereich der Ablösung "sofort" wieder geschlossen oder treten gar nicht erst auf. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält man also einen fehlerfreien und spannungsärmeren Werkstoffverbund, der nachfolgenden thermischen Wechselbelastungen erheblich besser standhält als bisherige Werkstoffverbunde. Beispielsweise treten bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der ein Stahlkörper einen Kupferkörper umgreift, vorhandene Restspannungen derart auf, daß sich in der außen liegenden Stahlhaut Druckspannungen und im innen liegenden Kupferkörper Zugspannungen ergeben, was in der späteren Anwendung vorteilhaft ist, da die durch äußere Einwirkungen auf die Stahlhaut eingebrachten Zugspannungen durch die Druckspannungen zum Teil entlastet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Druck ausgeübt, der in dem Temperaturintervall über der Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze, aber unter der Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der höheren Warmstreckgrenze liegt. Es wird also nur ein Werkstoff plastisch verformt. Dies ermöglicht einen geringeren Druck, was eine energetisch günstige Gestaltung des Verfahrens gestattet.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird der Druck gleich nach dem Erstarren des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze angelegt. So werden die erfindungsgemäßen Wirkungen bereits unmittelbar mit dem "Festwerden" des Verbunds erreicht.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall bei einer Temperatur endet, bei der die Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze über 50 %, vorzugsweise über 80 %, seiner Warmstreckgrenze bei Raumtemperatur liegt. Das bedeutet praktisch, daß beim Abkühlen ein Druck angelegt wird, der mindestens 50% bzw. vorzugsweise 80% der Warmstreckgrenze entspricht. Dieser hohe Druck braucht selbstverständlich erst bei den niedrigeren Temperaturen des Intervalls anzuliegen; bei höheren Temperaturen genügt ein geringerer Druck oberhalb der dort geringeren Warmstreckgrenze.
Selbstverständlich kann der am Ende des Temperaturintervalls ausgeübte Druck beim weiteren Abkühlen während eines weiteren Temperaturintervalls angelegt bleiben.
In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Werkstoff mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der geringeren Warmstreckgrenze Kupfer oder eine Kupferlegierung mit mehr als 80% Kupfer und der Werkstoff mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der höheren Warmstreckgrenze ein Werkzeugstahl oder Gußeisen ist. Eine derartige Werkstoffkombination findet sich bei Gußformen. Ein Werkzeugstahl oder Gußeisen erfüllt hohe Anforderungen an Thermoschockbeanspruchung, Erosion, Kavitation und Abrieb. Stahl- oder Gußeisenformen weisen jedoch ein träges thermisches Ansprechverhalten auf. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist in die Form ein Kupferwerkstoff eingebracht. Während - wie eingangs beschrieben - derartige Gußformen eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, schafft die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit.
Die Härtung eines Werkstoffverbundes ist mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit verbunden. Dabei kann ein höherer Druck erforderlich werden, um den Kriechvorgang zu beschleunigen. Es wird daher vorgeschlagen, daß die Höhe des Drucks in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit gewählt wird, wobei bei zunehmender Abkühlgeschwindigkeit ein höherer Druck gewählt wird.
Untersuchungen haben ergeben, daß es besonders günstig ist, wenn das Temperaturintervall bei einer Temperatur endet, bei der die Warmstreckgrenze des Kupfers bzw. der Kupferlegierung über 50% der Warmstreckgrenze bei Raumtemperatur liegt.
Die Erfindung ist auf "flächige" Werkstoffverbunde anwendbar. Besonders effektiv wirkt das erfindungsgemäße Verfahren, wenn ein Werkstoffverbund bereitgestellt wird, bei dem einer der beiden Werkstoffe zumindest ein zusammenhängendes Teilvolumen des anderen Werkstoffs räumlich im wesentlichen umschließt, so daß nur ein geringer Anteil der äußeren Oberfläche des Werkstoffverbunds von dem im wesentlichen umschlossenen Teilvolumen gebildet wird. Beim Anlegen des Drucks wird der umschlossene Werkstoff in den anderen Werkstoff "hineingedrückt". Ein Zusammenziehen und damit Ablösen des umschlossenen Werkstoffs von dem umschließenden Werkstoff wird durch die Druckbeaufschlagung und das damit verbundene "Nachspeisen" unterbunden.
Vorzugsweise wird der geringe Anteil der äußeren Oberfläche des Werkstoffverbunds, der von dem im wesentlichen umschlossenen Teilvolumen gebildet wird, dadurch hergestellt, daß eine zu dem Teilvolumen durchgehende Öffnung in dem das Teilvolumen zunächst vollständig umschließenden Werkstoff erzeugt wird. Hier ist ein sehr viel niedriger Druck notwendig als bei einem vollständig umschlossenen Körper, bei dem der umschließende Körper an den umschlossenen Körper "herangedrückt" werden muß.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in :
  • Figur 1 in einer Schnittansicht einen mit einem bekannten Verfahren hergestellten geschädigten Werkstoffverbund;
  • Figur 2 in einer Schnittansicht einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffverbund;
  • Figur 3 ein Diagramm, das die Warmstreckgrenzen von Stahl und Kupfer zeigt und eine mögliche Druckführung über der Temperatur darstellt.
    • Der Werkstoffverbund gemäß Figur 1 besteht aus einem Stahlkörper 1 und einem Kupfereinsatz 2. Eine derartige Werkstoffkombination findet sich beispielsweise in Dauerformen für Metall-, Kunststoff- oder Glasguß. Zur Herstellung dieses Werkstoffverbundes wird in den Stahlkörper 1 eine Bohrung eingebracht, die Bohrung mit dem Kupferkörper 2 gefüllt und beide Körper auf ca. 1100°C erwärmt. Das Kupfer ist bei dieser Temperatur flüssig. Anschließend wird der Werkstoffverbund abgekühlt. Bereits bei der Herstellung können Ablösungen 3 des Kupferkörpers 2 vom Stahlkörper 1 und damit eine Schädigung des Werkstoffverbundes auftreten. Ebenso können im Inneren des Kupferkörpers 2 Risse 4 auftreten.
    Häufig werden derartige Werkstoffverbunde wärmebehandelt. Auch bei einer derartigen Wärmebehandlung (oder einer späteren thermischen Wechselbelastung) können Ablösungen 3 oder Risse 4 auftreten.
    Figur 2 zeigt einen Stahl-Kupferverbund, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Der Kupferkörper 2 ist beinahe vollständig vom Stahlkörper 1 umschlossen, wobei an der Oberseite des Stahlkörpers eine "Speisungsöffnung" vorgesehen ist. Beim Abkühlen wird mindestens über ein Temperaturintervall ein hoher Druck P angelegt, der sowohl auf den Stahlkörper 1 als auch auf Kupferkörper 2 einwirkt. Die Speisungsöffnung 5 gestattet es, daß im Gegensatz zu einem geschlossenen System ohne Speiseöffnung ein niedrigerer Druck P angelegt werden muß, der direkt auf den Kupferkörper einwirkt. Der Druck P speist das feste Kupfer beim Abkühlen des Verbundes nach und "drückt" es gegen die Stahlwand. Rißbildung und Ablösungen werden wirkungsvoll vermieden und es wird ein Verbund mit hoher Maßhaltigkeit und bei späterer Belastung langer Lebensdauer geschaffen.
    Es wird auf Figur 3 Bezug genommen, in der die Warmstreckgrenzen von Stahl 1 und Kupfer 2 über der Temperatur aufgetragen sind. Bei 400°C beträgt die Warmstreckgrenze von Kupfer ca. 60 - 100 N/mm2 und die von Stahl ca. 300 - 500 N/mm2. Mit steigender Temperatur fallen beide Warmstreckgrenzen ab. Bei einer Prozeßtemperatur von 1030°C beträgt die Warmstreckgrenze des Stahls weniger als 50 N/mm2.
    Bei einem geschlossenen Werkstoffverbund von Kupfer und Stahl - das Kupfer ist also von allen Seiten mit Stahlwerkstoff umgeben - liegt der erfindungsgemäß aufzubringende Druck höher als bei einem offenen System, nämlich oberhalb der Warmstreckgrenze für Stahl. Der Druck kann für ein kleines Temperaturintervall oder ein großes Temperaturintervall beispielsweise von 1030°C - 400°C angelegt werden.
    Der strich-linierte Mindestdruck 6 beträgt bei einem geschlossenen System (Stahl) bei 400°C ca. 3000 bis 5000 bar. Der Mindestdruck ist im dargestellten Fall über die Temperatur konstant gehalten, selbstverständlich kann er bei höherer Temperatur auch niedriger angesetzt und mit zunehmender Abkühlung erhöht werden.
    Ebenfalls strich-liniert dargestellt ist der Druckverlauf 7 für ein offenes System, wobei der Mindestdruck bei 400°C ca. 600 bis 1000 bar beträgt, also niedriger ist als beim geschlossenen System. Auch hier muß der Druck nicht gezwungenermaßen konstant über die Temperatur gehalten werden. Vielmehr kann er bei hohen Temperaturen niedriger angesetzt und mit zunehmender Abkühlung erhöht werden.
    Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind durchaus Abwandlungen möglich. So ist der Werkstoffverbund nicht auf metallische Werkstoffe festgelegt. Auch andere Werkstoffkombinationen - beispielsweise aus Kunststoff - sind denkbar. Auch kann der Werkstoffverbund aus mehr als zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Im übrigen ist unter einer Wärmebehandlung nach der Herstellung des Werkstoffverbundes jede Art von Wärmebehandlung zu verstehen, einschließlich einer Härtung oder einer Anlaßbehandlung.

    Claims (24)

    1. Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbunds von wenigstens zwei Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei der Werkstoffverbund zu seiner Herstellung und/oder bei der Wärmebehandlung erwärmt und anschließend abgekühlt wird,
         wobei der Werkstoffverbund während der Abkühlung ein Temperaturintervall durchläuft, in dem die wenigstens zwei Werkstoffe im festen Aggregatzustand vorliegen, und
         wobei während des Durchlaufens des Temperaturintervalls auf den Werkstoffverbund ein isostatischer Druck oberhalb der Warmstreckgrenze zumindest eines der wenigstens zwei Werkstoffe ausgeübt wird, so daß dieser Werkstoff zumindest im Mikrobereich plastisch verformt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,    daß die beiden Werkstoffe zumindest in dem Temperaturintervall unterschiedliche Warmstreckgrenzen aufweisen.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck ausgeübt wird, der in dem Temperaturintervall über der Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze aber unter der Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der höheren Warmstreckgrenze liegt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Druckes in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit gewählt wird, wobei mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit ein höherer Druck gewählt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund über die Schmelztemperatur des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze erwärmt wird und daß das Temperaturintervall bei der Erstarrungstemperatur des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze beginnt.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall bei einer Temperatur endet, bei der die Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze über 50 % seiner Warmstreckgrenze bei Raumtemperatur liegt.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall bei einer Temperatur endet, bei der die Warmstreckgrenze des Werkstoffs mit der geringeren Warmstreckgrenze über 80 % seiner Warmstreckgrenze bei Raumtemperatur liegt.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der am Ende des Temperaturintervalls ausgeübte Druck beim weiteren Abkühlen während eines weiteren Temperaturintervalls angelegt bleibt.
    9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund zwischen zwei Metallen durch einen Hochtemperatur-Hochdruck-Metalldiffusionsvorgang, bei dem eine Temperatur zwischen 850°C und 1.200°C und ein Druck zwischen 100 und 5000 bar eingestellt wird, unter Bildung einer dauerfesten metallischen Verbindung hergestellt wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abkühlen nach der Herstellung des Werkstoffverbunds ein Druck oberhalb der Warmstreckgrenze wenigstens eines der beiden Werkstoffe ausgeübt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wärmebehandlung des durch einen Hochtemperatur-Hochdruck-Metalldiffusionsvorgang hergestellten Werkstoffverbunds ein Druck oberhalb der Warmstreckgrenze wenigstens eines der beiden Werkstoffe ausgeübt wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mit dem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der geringeren Warmstreckgrenze Kupfer oder eine Kupferlegierung mit mehr als 80% Kupfer und der Werkstoff mit dem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der höheren Warmstreckgrenze ein Werkzeugstahl oder Gußeisen ist.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Druckes in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit gewählt wird, wobei mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit ein höherer Druck gewählt wird.
    14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund über die Schmelztemperatur des Kupfers bzw. der Kupferlegierung erwärmt wird und daß das Temperaturintervall bei der Erstarrungstemperatur des Kupfers bzw. der Kupferlegierung beginnt.
    15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall unterhalb der Erstarrungstemperatur des Kupfers bzw. der Kupferlegierung beginnt.
    16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall bei einer Temperatur endet, bei der die Warmstreckgrenze des Kupfers bzw. der Kupferlegierung über 50 % der Warmstreckgrenze bei Raumtemperatur liegt.
    17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall bei einer Temperatur endet, bei der die Warmstreckgrenze des Kupfers bzw. der Kupferlegierung über 50 N/mm2 liegt.
    18. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturintervall bei einer Temperatur unterhalb von 500°C endet.
    19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund zwischen dem Kupfer bzw. der Kupferlegierung und dem Werkzeugstahl bzw. Gußeisen durch einen Hochtemperatur-Hochdruck-Metalldiffusionsvorgang, bei dem eine Temperatur zwischen 850°C und 1.200°C und ein Druck zwischen 100 und 5000 bar eingestellt wird, unter Bildung einer dauerfesten metallischen Verbindung hergestellt wird.
    20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund zwischen dem Kupfer bzw. der Kupferlegierung und dem Werkzeugstahl bzw. Gußeisen durch einen Hochtemperatur-Lötvorgang, bei dem eine Temperatur zwischen 850°C und 1.200°C und ein Druck zwischen 100 und 5000 bar eingestellt wird, hergestellt wird.
    21. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund zwischen dem Kupfer bzw. der Kupferlegierung und dem Werkzeugstahl bzw. Gußeisen durch einen Kupfer-Einschmelz-Vorgang mit anschließender Erstarrung hergestellt wird.
    22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstoffverbund bereitgestellt wird, bei dem einer der beiden Werkstoffe zumindest ein zusammenhängendes Teilvolumen des anderen Werkstoffs räumlich im wesentlichen umschließt, so daß nur ein geringer Anteil der äußeren Oberfläche des Werkstoffverbunds von dem im wesentlichen umschlossenen Teilvolumen gebildet wird.
    23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der geringe Anteil der äußeren Oberfläche des Werkstoffverbunds, der von dem im wesentlichen umschlossenen Teilvolumen gebildet wird, dadurch hergestellt wird, daß eine zu dem Teilvolumen durchgehende Öffnung in dem das Teilvolumen zunächst vollständig umschließenden Werkstoff erzeugt wird.
    24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des umschlossenen Teilvolumens einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
    EP03014235A 2002-07-03 2003-06-25 Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes Withdrawn EP1378313A1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE2002129994 DE10229994C1 (de) 2002-07-03 2002-07-03 Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes
    DE10229994 2002-07-03

    Publications (1)

    Publication Number Publication Date
    EP1378313A1 true EP1378313A1 (de) 2004-01-07

    Family

    ID=27798311

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP03014235A Withdrawn EP1378313A1 (de) 2002-07-03 2003-06-25 Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes

    Country Status (2)

    Country Link
    EP (1) EP1378313A1 (de)
    DE (1) DE10229994C1 (de)

    Families Citing this family (2)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    DE102005055807A1 (de) 2004-11-30 2006-06-01 Hasco Hasenclever Gmbh + Co Kg Werkzeugstift, wie formgebender Werkzeugstift, Kernstift, Auswerferstift oder dergleichen, bei einer Werkzeugform zur Verarbeitung plastischer Massen, insbesondere Kunststoffspritzgießform
    DE102013105762A1 (de) 2013-06-04 2014-12-04 Gerhard Betz Verfahren und Anordnung zum Herstellen eines räumlichen Werkstoffverbunds unter Verwendung eines Expansionskörpers

    Citations (5)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    DE4439984C1 (de) * 1994-11-09 1996-03-21 Gerhard Dr Ing Betz Dauerform für Metall-, Kunststoff- und Glasguß
    EP0899049A1 (de) * 1997-01-20 1999-03-03 Kabushiki Kaisha Meidensha Verbindungsanordnung zwischen seltenerd-magnet und metallischem material und verbindungsverfahren
    WO1999015294A1 (en) * 1997-09-19 1999-04-01 Isis Innovation Limited Method of liquid phase bonding
    US6087640A (en) * 1991-10-15 2000-07-11 The Boeing Company Forming parts with complex curvature
    WO2000050209A1 (en) * 1999-02-25 2000-08-31 British Ceramic Research Limited Moulds and method of making the same

    Family Cites Families (1)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    JPH042716A (ja) * 1990-04-20 1992-01-07 Nippon Stainless Steel Co Ltd ニッケル・ステンレス鋼クラッド材の製造方法

    Patent Citations (5)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US6087640A (en) * 1991-10-15 2000-07-11 The Boeing Company Forming parts with complex curvature
    DE4439984C1 (de) * 1994-11-09 1996-03-21 Gerhard Dr Ing Betz Dauerform für Metall-, Kunststoff- und Glasguß
    EP0899049A1 (de) * 1997-01-20 1999-03-03 Kabushiki Kaisha Meidensha Verbindungsanordnung zwischen seltenerd-magnet und metallischem material und verbindungsverfahren
    WO1999015294A1 (en) * 1997-09-19 1999-04-01 Isis Innovation Limited Method of liquid phase bonding
    WO2000050209A1 (en) * 1999-02-25 2000-08-31 British Ceramic Research Limited Moulds and method of making the same

    Non-Patent Citations (3)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Title
    BAHEI-EL-DIN Y A; DVORAK G J: "Mechanics of Hot Isostatic Pressing of a Densified Unidirectional SIC/TI Composite", ACTA METALLURGICA ET MATERIALIA, vol. 47, no. 7, 31 July 1995 (1995-07-31), Pergamon Press Inc, Tarrytown, NY, USA, pages 2531 - 2539, XP008022847 *
    NISSEL C: "HIP DIFFUSION BONDING", PMI POWDER METALLURGY INTERNATIONAL, FREIBURG, DE, vol. 16, no. 3, May 1984 (1984-05-01), pages 113 - 116, XP008021057, ISSN: 0048-5012 *
    PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 0131, no. 17 *

    Also Published As

    Publication number Publication date
    DE10229994C1 (de) 2003-10-02

    Similar Documents

    Publication Publication Date Title
    DE3009656C2 (de) Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle
    DE102010011368B4 (de) Verfahren zur Herstellung von pressgehärteten Formbauteilen
    WO2008014910A2 (de) Werkzeugstift für eine werkzeugform sowie verfahren zum herstellen eines solchen werkzeugstifts
    DE102014112244A1 (de) Verfahren und Presse zur Herstellung wenigstens abschnittsweise gehärteter Blechbauteile
    EP3225331B1 (de) Verfahren zum giessen eines konturierten metallgegenstandes, insbesondere aus tial
    CH660313A5 (de) Verfahren zur herstellung einer verschlussplatteneinheit fuer einen schiebeverschluss.
    DE69710624T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Verbundisolators
    EP1264646A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Metallprofilstranges
    EP0224782A2 (de) Verfahren zum Freiformschmieden von Werkstücken
    DE102015225370B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hybridbauteils, sowie hiermit hergestelltes metallisches Hybridbauteil
    DE10119839C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Achselements für Kraftfahrzeuge
    DE112015003111T5 (de) Lenkungsstützbügel
    DE102004027109A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines eine Gravur aufweisenden, temperierbaren Werkzeugs im Wege des Gießens
    EP1378313A1 (de) Verfahren zum Herstellen und/oder Wärmebehandeln eines räumlichen Werkstoffverbundes
    DE102017001528A1 (de) Formwerkzeug
    DE102017124724B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Schaltgabel
    EP3163123B1 (de) Zahnkranz sowie verfahren und vorrichtung zu dessen herstellung
    DE102008053839B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils
    AT395687B (de) Flachrezipient fuer strangpressen und verfahren zu dessen herstellung
    DE102021000614A1 (de) Kokille zur rissfreien Herstellung eines Metallgegenstandes mit mindestens einem Hinterschnitt, insbesondere aus intermetallischen Legierungen wie TiAl, FeAl und anderen spröden oder rissanfälligen Werkstoffen, sowie ein entsprechendes Verfahren.
    DE102004056294B4 (de) Werkzeug zur Umformung eines Werkstücks
    DE102013210807A1 (de) Überlast-Löseeinrichtung in einer Servopresse
    AT514367B1 (de) Hohle Zahnstange und Verfahren zu deren Herstellung
    AT514504B1 (de) Zahnstange warm umgeformt mit Gewindenut
    DE60116885T2 (de) Verfahren zur herstellung eines geschlossenen profils

    Legal Events

    Date Code Title Description
    PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

    AK Designated contracting states

    Kind code of ref document: A1

    Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

    AX Request for extension of the european patent

    Extension state: AL LT LV MK

    17P Request for examination filed

    Effective date: 20040707

    AKX Designation fees paid

    Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

    RBV Designated contracting states (corrected)

    Designated state(s): BE CH FR GB LI SE

    17Q First examination report despatched

    Effective date: 20040914

    REG Reference to a national code

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: 8566

    STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

    Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

    18D Application deemed to be withdrawn

    Effective date: 20060329