EP2123377A1 - Method for manufacturing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool component - Google Patents

Method for manufacturing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool component Download PDF

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EP2123377A1
EP2123377A1 EP08382020A EP08382020A EP2123377A1 EP 2123377 A1 EP2123377 A1 EP 2123377A1 EP 08382020 A EP08382020 A EP 08382020A EP 08382020 A EP08382020 A EP 08382020A EP 2123377 A1 EP2123377 A1 EP 2123377A1
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EP
European Patent Office
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metal
containing material
heat
mold
vacuum
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08382020A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Isaac Walls Angles
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Rovalma SA
Original Assignee
Rovalma SA
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Filing date
Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/007Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of moulds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/09Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure
    • B22D27/13Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/15Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using vacuum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D31/00Cutting-off surplus material, e.g. gates; Cleaning and working on castings
    • B22D31/002Cleaning, working on castings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part. Moreover, the present invention relates to an apparatus for producing a workpiece, in particular a forming tool or a shaping tool part.
  • Methods and devices of the type mentioned for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part, are known from the prior art in different embodiments.
  • Two of the most common methods of producing, for example, forming tools or forming tool parts, are the casting and (mechanical) machining of forged blocks.
  • an alloy having the desired composition is first melted.
  • the melt is then poured into a mold whose shape is already close to the desired final shape of the forming tool or forming tool part.
  • the molten alloy is solidified in the mold, it is first coarsely worked, then heat treated and then finely finished.
  • the liquid melt is first poured into a billet.
  • the billet is solidified, it is extracted, then reheated and then forged - usually in several steps - to bars or blocks.
  • the rods or blocks obtained in this way are then reheated to initiate an annealing process, which the subsequent post-processing simplified.
  • the rods have healed, they are usually cut into blocks of the desired dimensions.
  • These blocks are then formed in a roughing step into a shape that is already close to the final shape of the forming tool or forming tool part. This is followed by a heat treatment and a finishing as in the casting method described above to complete the production of the forming tool or molding tool part.
  • the processing of the bars or blocks is relatively complex, so that the processing costs in this process are many times higher than the cost of materials.
  • the melt is not filled in a cast block, but in a nebulizer, which usually has at least one nozzle, in which a gas is burned against the liquid metal stream, which causes the metal to small, substantially spherical particles (powder) is evaporated.
  • the metal powder thus obtained is then poured into steel containers which are substantially cylindrically shaped.
  • the steel containers are then evacuated to maintain a degree of vacuum and introduced into a hot isostatic press apparatus in which high temperatures and pressures are generated to deform the steel containers and cause the metal powder to densify to form a billet is obtained.
  • the container material When the container material has been removed, there remains a billet which can be forged and subjected to all of the processing steps detailed above in the description of the "Forged Block Machining" method. This manufacturing process increases the cost of production while still.
  • the achievable toughness / ductility can be many times higher than in the conventionally melted and forged blocks. This can be achieved in particular if the alloy has a relatively high content of a brittle ceramic phase.
  • forging increases the toughness / ductility of the forming tool or forming tool part, but on the other hand induces some undesirable properties, the most important of which is anisotropy. Namely, the forging creates a material structure which leads to different properties in the forging direction compared to the directions running transversely to the forging direction. This anisotropy may be particularly detrimental during the heat treatment of the forming tool part as it results in workpiece distortion, leaving more material to be left over for finishing.
  • Another method for producing a forming tool or a forming tool part is the sintering of a metal powder.
  • a metal powder or alternatively a mixture of several metal powders is pressed in order to obtain a body with the desired geometric shape and with a suitable nature, so that it can subsequently be further processed.
  • Such a body is often referred to as a "green body”.
  • the green body is then sintered at high temperature for a sufficient period of time to promote diffusion bonding. If a high density is desired, a final hot isostatic pressing step is performed.
  • a molded article of a ceramic, powder metallurgy or composite material is known. Further, a method for producing such a molded article is disclosed in the aforementioned document.
  • the material composition and / or the structure changes in one, two or all three spatial directions. The changes can be continuous or discontinuous.
  • one or more starting powders are processed into one or more moldable masses. This moldable mass / masses is / are processed in one, two or all three spatial directions continuously or discontinuously to give a shaped body and then cured, the application of the moldable mass or masses being effected as a function of the degree of property to be finally achieved.
  • the present invention has the object to provide a device for producing a corresponding workpiece, in particular a forming tool or forming tool part available.
  • the workpieces such as forming tools or forming tool parts, under vacuum conditions by compacting the heated metal-containing material, which may be present for example as a solid metal-containing body, produced in a heat-resistant form.
  • the production of the workpiece takes place in an evacuable chamber in which the vacuum can be generated and in which optionally also an inert gas atmosphere and / or a reducing gas atmosphere can / can be generated.
  • the method according to the invention makes it possible in a particularly advantageous manner to produce near-net shape, locally isotropic workpieces (for example shaping tools or forming tool parts), which can be obtained by the casting methods known from the prior art, with mechanical properties such as those known from the powder metallurgy methods can be obtained.
  • the oxygen content in the residual gas can be reduced within the evacuable chamber, so that an oxygen contamination of the Surface of the metal-containing material largely prevented, but at least can be significantly reduced and thus workpieces, such as forming tools or forming tool parts, can be produced of particularly high quality.
  • a number of flushings of the evacuatable chamber be carried out with a reducing gas and / or an inert gas, before the vacuum is generated in the evacuable chamber.
  • a vacuum can be generated in the evacuable chamber between two flushings with the inert gas or reducing gas (at least for a short time). The vacuum does not need to be a high vacuum. Due to the generation of the vacuum following the flushes, the residual gas level within the evacuatable chamber is relatively low.
  • a high vacuum is generated and the hot pressing of the heated metal-containing material is carried out under high vacuum conditions.
  • the pressure range of the high vacuum generated within the evacuatable chamber is advantageously on the order of between about 10 -3 and about 10 -7 mbar.
  • the densification of the heated metal-containing material in the heat-resistant form by hot pressing thus takes place not under vacuum conditions, but in an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere.
  • an oxygen contamination of the metal-containing material can also be effectively prevented.
  • This process according to the invention likewise makes it possible to produce in a particularly advantageous manner near net shape, locally isotropic forming tools or forming tool parts, as can be obtained by the casting process, with strength properties, such as can be obtained by a powder metallurgy process.
  • a workpiece (forming tool or forming tool part) produced by the method presented here has a notched impact strength of more than 50 J / cm 2 , while the degree of hardness is preferably greater than 58 HRC.
  • the hot pressing be carried out with a constant expansion rate.
  • the expansion rate can be kept constant, for example, by changing the feed rate of a metal cylinder, by means of which a pressure is exerted on the mold and thus on the metal-containing material.
  • the metal-containing material is filled in the form of at least one layer of a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture in the heat-resistant mold.
  • the method then comprises in particular the step of hot-pressing the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture in the heat-resistant form, which preferably has only a small amount of water added. That for the production of the workpiece metal-containing powders used can be made entirely of one material.
  • the metal-containing powder may, for example, also be a mixture of a metal powder with ceramic particles, wherein the ceramic particles in turn may have a coating.
  • the ability to use mixtures of different metal-containing powders or multiple layers of different metal-containing powders and to introduce them into the refractory form may be particularly advantageous.
  • workpieces in particular shaping tools or shaping tool parts
  • tailor-made mechanical and / or physical properties which can also be graded within their volume.
  • workpieces can be produced which have different mechanical and / or physical properties within their volume in one, two or all three spatial directions.
  • the property gradients may be continuous or discontinuous.
  • coated particles that can be mixed with the metal-containing powder, however, are usually relatively expensive.
  • the ones described here Methods allow the use of such particles without degrading their intrinsic properties, and further allow only the minimum required amount of these particles to be used. Namely, the particles can be placed only in those areas of the forming tool part where they are actually required, so that the manufacturing cost of the workpiece can be kept as low as possible.
  • Some coated particles require controlling certain diffusion parameters (especially temperature and time) during the process to avoid deterioration of the intrinsic properties or to obtain optimal properties, the methods presented here being particularly well suited for this.
  • the densification of the heated metal-containing material takes place in a superplastic state of the material.
  • the heating of the metal-containing material in the heat-resistant form to achieve the superplastic state is preferably carried out comparatively slowly.
  • the superplastic state of a metal-containing material is (depending on the material and depending on the strain rate) usually achieved at a temperature of about 800 ° C to about 1050 ° C.
  • the densification of the heated metal-containing material in the superplastic state is particularly advantageous if the material is in the form of a preformed body in its geometry. This is the case, for example, for a pre-compacted, dimensionally stable green body. If the metal-containing material is present in powder form, the hot pressing can also take place in a non-superplastic state, although here too compacting in the superplastic state is particularly advantageous.
  • a particularly preferred method variant provides for the metal-containing material to be heated further to its diffusion acceleration temperature after the superplastic state has been reached.
  • This diffusion acceleration temperature is alloy-dependent and is, for example, about 1150 ° C for a tool steel.
  • alloys of molybdenum have a higher diffusion acceleration temperature over 1800 ° C
  • alloys of copper have a diffusion acceleration temperature lower than 900 ° C.
  • the diffusion acceleration temperature is maintained for an extended period of time, usually over a period of more than 30 minutes. The holding time depends in particular on the diffusion acceleration temperature and the pressure exerted. It can possibly be several hours or even several days.
  • the metal-containing material is at least partially melted and compacted in an at least partially liquid state.
  • the metal-containing material need not be completely melted.
  • This embodiment of the method may be advantageous for some applications.
  • the pressure exerted on the heated metal-containing material during hot pressing is preferably greater than 20 MPa.
  • the pressure during compaction of the metal-containing material may, depending on the load capacity of the molding material, be in particular between about 20 MPa and about 250 MPa.
  • a cold pressing step can be carried out before the heating of the metal-containing material. This is particularly advantageous when using a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture.
  • the porosity of the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture can be closed to leave as little coherent porosity as possible in the material.
  • the evacuatable chamber can optionally be rinsed with a reducing atmosphere before proceeding with the remaining process steps.
  • the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture can also be entered in a controlled atmosphere environment. Regardless of which process is pursued, it is important to avoid the presence of oxygen between powder grains as much as possible.
  • the process heat after the compression of the metal-containing material preferably by means of a cooling device, is deliberately dissipated.
  • One purpose of such targeted heat removal may be to speed up the overall manufacturing process.
  • the microstructural properties of the workpiece can be adjusted by the targeted heat dissipation. It is particularly advantageous if the pressure exerted on the metal-containing material pressure during the targeted removal of the process heat (cooling phase) is maintained. By this measure, geometry deviations, in particular shrinkage of the workpiece, can be largely prevented.
  • the step of compacting the metal-containing material or the removal of the process heat is followed by at least one post-processing step.
  • This at least one post-processing step may in particular comprise the implementation of a finishing and / or hard-machining method. For example, grinding, high-speed milling or thermally-assisted laser machining can be used.
  • the at least a post-processing step is not carried out under vacuum conditions or under a gas atmosphere.
  • the methods presented here for producing a workpiece allow tailoring of functionalities which can be derived directly from the metallurgical and microstructural composition of the metal-containing material used (in particular a tool steel).
  • the risk of premature heat dissipation occurs in the area of the sheet metal holder during press hardening, since the first contact of the tool workpiece still occurs before the beginning of the actual forming process and thus well before reaching the final contour of the workpiece.
  • the associated premature cooling can be avoided or reduced in their effect that local low thermal conductivity for the tool material are provided in this area. Due to the time-delayed contact between the tool and the workpiece in the other areas, however, a correspondingly higher thermal conductivity is quite desirable.
  • the device according to the invention is particularly suitable for carrying out a method according to one of claims 1 to 9, so that workpieces, such as, for example, shaping tools or shaping tool parts, can be manufactured with the advantageous properties described above.
  • the heat-resistant mold used to make the workpiece should, in terms of its mechanical design, be capable of withstanding the pressure required to flow a metal-containing powder or metal-containing powder mixture.
  • the pressure acting on the metal-containing material during compaction may be between about 20 MPa and about 250 MPa, depending on the load capacity of the molding material.
  • the device moreover comprises means for generating an inert gas atmosphere and / or a reducing gas atmosphere.
  • the densification of the metal-containing material can be carried out in such an embodiment of the device in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere.
  • an oxygen contamination of the surface of the metal-containing material can be prevented.
  • the heat-resistant form may be a ceramic-containing and / or graphite-containing form.
  • the pressures acting on the molding material from which the heat-resistant mold is made are generally greater than 20 MPa, often greater than 30 MPa to 40 MPa, so that concrete, mortar or cement with a low water content and containing at least one Ceramic material as materials for producing the heat-resistant form are particularly advantageous.
  • Al 2 O 3 , zirconium oxide, silicon carbide or SiO 2 is the preferred filler material for the production of the heat-resistant mold.
  • the concrete, cement or mortar may have a content of at least 40%, preferably of at least 60%, in particular of at least 80% Al 2 O 3 . It may, for example, also be provided that the concrete, cement or mortar has a strength which is higher than 150 MPa (preferably higher than 200 MPa).
  • the means for heating the metal-containing material may in a particularly advantageous embodiment comprise at least one heating element, which may for example be embedded in the heat-resistant mold.
  • the at least one heating element extends in the circumferential direction of at least one of the mold parts (preferably at a distance of about 10 to 20 mm from the mold cavity), so that a uniform heating of the metal-containing material can be achieved.
  • the at least one heating element may for example consist of a Ni-Cr resistance wire or an Fe-Cr-Al resistance wire. Other resistance heating wires, which may be made of molybdenum or tungsten, for example, may also be used. An inductively operating heating element can also be used.
  • At least one cooling device may be provided, which may also be embedded in the heat-resistant mold, suitable for selectively cooling the metal-containing material within the heat-resistant mold.
  • the cooling device may, for example, comprise a number of cavities which are introduced into the heat-resistant mold when defined. Through these cavities, a liquid or gaseous cooling fluid can flow, which by means of a supply device or the like can be promoted in order to be able to cool the metal-containing material in the heat-resistant form after compacting targeted.
  • the cooling device may comprise at least one tube embedded in the refractory mold and through which a liquid or gaseous cooling fluid may circulate.
  • the evacuable chamber may also be flooded with a gaseous cooling fluid (for example with nitrogen or argon).
  • a gaseous cooling fluid for example with nitrogen or argon.
  • the gaseous cooling fluid from a pressure tank or a compressed gas cylinder can flow into the cavities, the tube or the evacuable chamber, since the gas continues to cool as it expands.
  • the cooling device forms a cooling circuit, within which the cooling fluid can circulate and within which, for example, a heat exchanger or a compression stage can be provided.
  • At least one temperature detection means and control means may be provided to control the temperature of the metal-containing material in the mold.
  • a model is first made having the desired geometry of the workpiece (eg, a forming tool or forming tool part).
  • This mold model can be made of different materials (for example polystyrene, polypropylene, wood or aluminum). Many other thermoplastics, metals or even ceramics may be used to make the mold model.
  • conventional process techniques or so-called rapid prototyping techniques for example mechanical editing, stereo lithography, three-dimensional wax printing, casting and so on).
  • the mold can be produced by, for example, casting the heat-resistant molding material, especially when the molding material contains a powder or powder mixture, concrete, mortar or the like.
  • the mold is manufactured in this way, it is very easy to embed at least one heating element (in particular a resistance heating element or an induction heating element), a cooling element and possibly also temperature detection means in the mold.
  • the mold is produced by a three-dimensional ceramic printing technique or by a comparable technique which allows to obtain the heat-resistant mold directly, ie without further intermediate steps, no corresponding mold model has to be produced. The same is true when the heat-resistant mold is obtained by directly machining a solid block of a heat-resistant molding material.
  • the concrete when making the heat-resistant mold from concrete, the concrete is poured into the mold model along with a small amount of water and preferably an admixture of a ceramic material.
  • the filling of the mold model should take place as quickly as possible.
  • the mold is cured at a high temperature (for example, about 1200 ° C), so that the residual moisture can escape from the concrete. It is also possible to vibrate the mold model during filling of the molding material, for example, on a vibrating table or the like. It has been found that this can significantly reduce the porosity of the mold.
  • the mold cavity can be at least partially filled with the metallic material, in particular with a metal-containing powder or with a metal-containing powder mixture. This is followed by the remaining process steps for the production of the workpiece.
  • the surface of the mold cavity of the heat-resistant mold has, at least in sections, a ceramic layer and / or a release and lubricant layer.
  • the ceramic layer may be, for example, an oxide layer (for example, zirconia) or a carbide layer (for example, silicon carbide). Any other ceramic that does not react with hot metal can also be used.
  • the release and lubricant layer may be, for example, graphite, molybdenum disulfide, sulfur, phosphorus, boron nitride, mica, or other material that can withstand the relatively high process temperatures.
  • the molding material used has a relatively low thermal conductivity so that it can serve as an insulator between the heating zone in which the metal-containing powder and the metal-containing powder mixture is heated, and the outside of the mold, in particular, when the heat-resistant mold in an advantageous embodiment has a prestressed reinforcing ring made of metal.
  • a prestressed reinforcing ring can create compressive stresses in the mold to compensate for the tensile stresses created when compacting the heated metal-containing material.
  • the surface of the mold cavity may, in a particularly advantageous embodiment, at least in sections have a color layer or dispersion layer.
  • the surface of the mold cavity can be made chemically inert. Also lubricants can be used for this purpose. It may also be advantageous to increase the emissivity of the surface of the ceramic mold in order to make the process more energetically efficient and to keep the heat where it is needed.
  • the active material of the paint or dispersion may be, for example, zirconia, boron nitride, molybdenum disulfide or other graphite, phosphorus or sulfide based components (to name a few).
  • the heat-resistant mold is reinforced with metal particles and / or metal rods and / or metal wires and / or metal wire fabrics.
  • the material can be iron or steel.
  • refractory metals such as tungsten or molybdenum and their alloys, as well as nickel or cobalt based alloys may be more advantageous.
  • textile fibers and / or polymer fibers and / or ceramic fibers and / or glass fibers and / or long-fiber fabric of these materials can be used to reinforce the heat-resistant form.
  • the means for compacting the metal-containing material may in particular comprise a metal cylinder, which is in operative connection with the second molded part of the heat-resistant mold.
  • the metal cylinder can exert sufficiently high pressure on the heat-resistant mold or a part of the heat-resistant mold, thereby to densify the metal-containing material in the mold.
  • An apparatus which is suitable for carrying out a method for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part, comprises an evacuable chamber 1 with a vacuum system, by means of which a vacuum, preferably a high vacuum in the order of magnitude between 10., Is provided in the interior of the evacuatable chamber 1 -3 and 10 -7 mbar can be generated.
  • the vacuum system may include, for example, a rotary vane pump and a turbomolecular pump connected thereto.
  • the rotary vane pump generates a pre-vacuum for the turbomolecular pump.
  • pressure sensor means are provided so that the pressure within the evacuatable chamber 1 can be measured and continuously monitored.
  • the device further comprises a heat-resistant mold 2, which may be, for example, ceramic-containing and / or graphitic, and a first (lower) mold part 2a with a mold cavity and a second (upper), relative to the first mold part 2a movably guided molding 2b includes.
  • a heat-resistant mold 2 which may be, for example, ceramic-containing and / or graphitic
  • the inner diameter of the first mold part 2a is larger than the outer diameter of the second mold part 2b, so that the second mold part 2b can be inserted into the mold cavity of the first mold part 2a.
  • the two heat-resistant molded parts 2a, 2b are preferably made of concrete and a ceramic material (for example, Al 2 O 3 ) and have only a small amount of water.
  • a heating element 3 is embedded, so that the first mold part 2a can be heated in the implementation of the method.
  • the distance of the heating element 3 from the inner surface of the mold cavity of the first mold part 2a is about 10 to 20 mm.
  • the heating element 3 is required to reach the temperature required for the production of the workpiece. It is advantageous if the heating element 3 is embedded directly in the heat-resistant mold 2 as in the embodiment shown here.
  • the heating element 3 may for example be a resistance heating element or an induction heating element, the latter variant being more advantageous because of shorter heating times and better insulation, although it is somewhat more difficult to calibrate.
  • a possible position of the heating element 3 within the first mold part 2a of the heat-resistant mold 2 is shown.
  • the first molded part 2a may also be of modular construction and may have, for example, an inner contact layer adjacent thereto, the heating element 3 and finally an insulation shield.
  • a temperature detecting means 4 which may in particular comprise a conventional thermocouple. This allows the process temperature to be continuously monitored during the performance of the process.
  • the temperature detection means 4 and a control device the process temperature during the implementation of the method can be controlled very precisely.
  • the device has a metal cylinder 5, by means of which a pressure in the direction of arrow can be exerted on the second (upper) mold part 2b.
  • the surface of the mold cavity of the heat-resistant mold 2 can advantageously be coated with a ceramic layer and / or with a release and lubricant layer.
  • the ceramic layer may be, for example, an oxide layer (for example, zirconia) or a carbide layer (for example, silicon carbide). Any other ceramic material that does not react with the hot metal within the mold cavity may also be used.
  • the release and lubricant layer may be, for example, graphite, molybdenum disulfide, sulfur, phosphorus, boron nitride, mica or other material that can withstand the high process temperatures.
  • a glass powder as a release agent. Glass has the advantage that forms a glass separating layer at high temperatures, which can effectively prevent adverse surface reactions with the ambient atmosphere.
  • a metal-containing material in the form of a metal-containing solid body or at least one layer or a portion of a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture from which the workpiece is to be produced is in the Form cavity of the first mold part 2a is introduced and heated therein according to a first embodiment under high vacuum conditions using the at least one heating element 3.
  • the generation of a high vacuum in the interior of the evacuatable chamber 1 during compaction is particularly advantageous. Characterized in that the heating is carried out under high vacuum conditions in the evacuatable chamber 1, an oxygen contamination of the metal-containing material can be effectively prevented, but at least significantly reduced. This is of particular importance when using a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture in order to obtain optimum tool properties.
  • the generation of a high vacuum is quite difficult with most mold materials from which the mold can be made, since they tend to outgas especially at higher temperatures. It is extremely important to have no oxygen as possible, which deteriorates the quality of the powder surface and prevents the complete compaction and diffusion bonding of the metal-containing powder or powder mixture.
  • One way to obtain better process conditions is to cure the refractory mold 2 in a reducing gas atmosphere so as to ensure that voids within the molding material are filled with the reducing gas atmosphere.
  • the heat-resistant mold 2 may be heated in the evacuable chamber 1 prior to filling the metal-containing material, then a vacuum is generated, and then the chamber 1 is filled with a reducing atmosphere to fill the voids within the mold material.
  • a vacuum in the evacuatable chamber 1 can be generated at least for a short time between two flushes.
  • a vacuum is initially generated in the evacuatable chamber 1 and held for a certain period of time t vacuum .
  • an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere is generated in the evacuatable chamber 1 and the metal-containing material is heated.
  • the densification of the heated metal-containing material in the heat-resistant mold 2 is then carried out by hot pressing in the inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere.
  • the metal-containing material is heated in both embodiments after filling in the mold cavity of the first mold part 2a of the heat-resistant mold 2 and optionally placed in a superplastic state, which (depending on the material) is achieved at temperatures between about 800 ° C and about 1050 ° C. If the metal-containing material is in the form of a metal-containing body, the hot pressing is preferably carried out in this superplastic state. The hot pressing is advantageously carried out with a constant rate of expansion and a constant feed rate of the metal cylinder 5.
  • the pressure which is generated during the hot pressing of the metal cylinder 5 and on the second mold part 2b on the metal-containing material within the first molding 2a may be between about 20 MPa and about 250 MPa. The pressure can act continuously or only in phases on the metal-containing material within the heat-resistant mold 2.
  • the hot pressing can also take place under non-superplastic conditions. However, it is particularly advantageous to densify the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture by hot pressing in the superplastic state. Subsequently, the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture can be heated to its diffusion acceleration temperature over a certain period of time (for example about two hours). By this measure, the largest possible material density can be generated in the workpiece.
  • the diffusion acceleration temperature is alloy-dependent and is, for example, about 1150 ° C for a tool steel.
  • alloys of molybdenum have a higher diffusion acceleration temperature over 1800 ° C
  • alloys of copper have a diffusion acceleration temperature lower than 900 ° C.
  • the diffusion acceleration temperature is maintained for an extended period of time, usually over a period of more than 30 minutes.
  • the holding time which may possibly be several days, depends in particular on the diffusion acceleration temperature and the pressure exerted. It can also be provided that the metal-containing material is at least partially melted and compacted in an at least partially liquid state. The metal-containing material need not be completely melted.
  • a layer structure with at least two layers allows the production of a workpiece (for example a forming tool or forming tool part) with graded tool properties with the aid of the method presented here in a particularly advantageous manner.
  • a workpiece for example a forming tool or forming tool part
  • graded tool properties with the aid of the method presented here in a particularly advantageous manner.
  • a property grading in volume can be generated in one, two or all three spatial directions (continuous or discontinuous). Often, a comparatively hard and wear-resistant tool surface is desired, whereas a softer tool base body, on the other hand, is sufficient or even particularly advantageous.
  • a layer-related or partially different material composition is also advantageous.
  • the optimum tooling properties which are usually associated with high costs, can be provided only where they are actually needed.
  • the remaining part of the forming tool or forming tool part can be built from a material with sufficient properties and significantly lower material costs.
  • the process heat is removed selectively after the densification of the metal-containing material by means of the optionally provided cooling device.
  • One purpose of such targeted heat removal may be to speed up the overall manufacturing process.
  • the microstructural properties of the workpiece can be adjusted by the targeted heat dissipation. It is particularly advantageous if the pressure during the targeted removal of the process heat (cooling phase) is maintained.
  • the cooling device may, for example, comprise a number of cavities which are introduced into the heat-resistant mold 2 in a defined manner. Through the cavities, a liquid or gaseous cooling fluid can flow, which can be conveyed by means of a supply device in order to be able to specifically cool the metal-containing material in the heat-resistant mold 2.
  • the cooling device may, for example, also comprise at least one tube embedded in the heat-resistant mold 2 and through which a liquid or gaseous cooling fluid may circulate.
  • the evacuatable chamber 1 can also be flooded with the cooling fluid (for example with nitrogen or argon).
  • the gaseous cooling fluid from a pressure tank or a compressed gas cylinder can flow into the cavities, the tube or the evacuatable chamber 1, since the gas additionally cools down during the expansion.
  • the cooling device forms a cooling circuit within which the cooling fluid can circulate and within which For example, a heat exchanger or a compression stage can be provided.

Abstract

The method comprises providing a heat resistance form (2) with a first form part (2a) and a second form part (2b) in a evacuable chamber (1), filling a metal containing material in the heat resistance form, generating a vacuum in the evacuable chamber and holding the vacuum over a period, generating a inert- or reduction gas atmosphere in the evacuable chamber after expiration of the period, heating the metal containing material, and condensing the heated metal containing material in the heat resistance form through hot pressing under vacuum conditions. The method comprises providing a heat resistance form (2) with a first form part (2a) and a second form part (2b) in a evacuable chamber (1), filling a metal containing material in the heat resistance form, generating a vacuum in the evacuable chamber and holding the vacuum over a period, generating a inert- or reduction gas atmosphere in the evacuable chamber after expiration of the period, heating the metal containing material, and condensing the heated metal containing material in the heat resistance form through hot pressing under vacuum conditions in the inert- or reduction gas atmosphere. A number of rinsing of the evacuable chamber is performed with a reduction gas and/or an inert gas, before the vacuum in the evacuable chamber is generated. A high vacuum is generated in the evacuable chamber. The hot press of the heated metal containing material is performed under high vacuum conditions. The metal containing material in the form of a layer of a metal containing powder or a metal containing powder mixture is filled into the heat resistance form. Two layers or area are produced with different chemical composition while filling the metal containing powder or a metal containing powder mixture. The metal containing material is melted partially and condensed partially in a fluid condition. A cold pressure welding is carried out before heating-up the metal containing material. The process heat is selectively discharged after condensing the metal containing material. An independent claim is included for a device for manufacturing a shaping tool or a shaping tool part.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils.The present invention relates to a method of manufacturing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part. Moreover, the present invention relates to an apparatus for producing a workpiece, in particular a forming tool or a shaping tool part.

Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Zwei der gebräuchlichsten Verfahren, um zum Beispiel Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile herzustellen, sind das Gießen sowie das (mechanische) Bearbeiten geschmiedeter Blöcke.Methods and devices of the type mentioned for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part, are known from the prior art in different embodiments. Two of the most common methods of producing, for example, forming tools or forming tool parts, are the casting and (mechanical) machining of forged blocks.

Beim Gießen eines Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils wird zunächst eine Legierung mit der gewünschten Zusammensetzung geschmolzen. Die Schmelze wird dann in eine Gussform eingegossen, deren Form bereits nahe an der gewünschten Endform des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils ist. Wenn die Legierungsschmelze in der Gussform erstarrt ist, wird sie zunächst grob bearbeitet, danach wärmebehandelt und anschließend fein nachbearbeitet.When casting a forming tool or molding tool part, an alloy having the desired composition is first melted. The melt is then poured into a mold whose shape is already close to the desired final shape of the forming tool or forming tool part. When the molten alloy is solidified in the mold, it is first coarsely worked, then heat treated and then finely finished.

Beim Bearbeiten geschmiedeter Blöcke wird die flüssige Schmelze zunächst zu einem Barren gegossen. Wenn der Barren erstarrt ist, wird er extrahiert, dann erneut aufgeheizt und anschließend - üblicherweise in mehreren Schritten - zu Stangen beziehungsweise Blöcken geschmiedet. Die auf diese Weise erhaltenen Stangen beziehungsweise Blöcke werden dann wieder aufgeheizt, um einen Ausheilprozess einzuleiten, welcher die spätere Nachbearbeitung vereinfacht. Wenn die Stangen ausgeheilt sind, werden sie üblicherweise in Blöcke mit den gewünschten Abmessungen geschnitten. Diese Blöcke werden dann in einem Grobbearbeitungsschritt in eine Form gebracht, die bereits nahe an der endgültigen Form des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils ist. Daran schließen sich wie beim oben beschriebenen Gießverfahren eine Wärmebehandlung und eine Feinbearbeitung an, um die Herstellung des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils abzuschließen. Die Bearbeitung der Stangen beziehungsweise Blöcke ist relativ aufwändig, so dass die Bearbeitungskosten bei diesem Verfahren um ein Vielfaches höher als die Materialkosten sind.When forging forged blocks, the liquid melt is first poured into a billet. When the billet is solidified, it is extracted, then reheated and then forged - usually in several steps - to bars or blocks. The rods or blocks obtained in this way are then reheated to initiate an annealing process, which the subsequent post-processing simplified. When the rods have healed, they are usually cut into blocks of the desired dimensions. These blocks are then formed in a roughing step into a shape that is already close to the final shape of the forming tool or forming tool part. This is followed by a heat treatment and a finishing as in the casting method described above to complete the production of the forming tool or molding tool part. The processing of the bars or blocks is relatively complex, so that the processing costs in this process are many times higher than the cost of materials.

Wenn man die beiden vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren etwas genauer betrachtet, stellt sich die Frage, weshalb Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile überhaupt aus geschmiedeten Blöcken hergestellt werden. In der Tat scheinen Gießverfahren zur Herstellung von Formgebungswerkzeugen beziehungsweise Formgebungswerkzeugteilen auf den ersten Blick sinnvoller zu sein, da sie erheblich kostengünstiger sind als das Bearbeiten geschmiedeter Blöcke. Auf der anderen Seite sind die mechanischen Eigenschaften der durch die beiden vorstehend beschriebenen Verfahren erhaltenen Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile sehr unterschiedlich. Es ist die resultierende Zähigkeit/Duktilität der Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile, die das verfahrenstechnisch erheblich komplexere und damit weitaus teurere Bearbeiten geschmiedeter Blöcke vorteilhaft macht. Während des Schmiedeprozesses werden nämlich die relativ spröden Karbidnetzwerke des Gussteils zerstört und die Zähigkeit/Duktilität kann dadurch sogar verdoppelt werden. Wenn die Teile relativ groß sind (größer als 600 mm für die meisten Kaltarbeitswerkzeugstähle und 200 mm für die meisten Schnellarbeitsstähle) wird dieser Effekt im Kernbereich des Blocks beziehungsweise der Stange nicht erreicht, wo die relativ spröde Gussteilstruktur erhalten bleibt.Looking more closely at the two manufacturing methods described above, the question arises as to why molding tools or forming tool parts are even made from forged blocks. In fact, casting processes for the production of forming tools or forming tool parts seem to make more sense at first glance, since they are considerably less expensive than the machining of forged blocks. On the other hand, the mechanical properties of the forming tools or forming tool parts obtained by the two methods described above are very different. It is the resulting toughness / ductility of the forming tools or forming tool parts, which makes the process technically much more complex and therefore much more expensive processing forged blocks advantageous. Namely, during the forging process, the relatively brittle carbide networks of the casting are destroyed and the toughness / ductility can thereby be even doubled. If the parts are relatively large (greater than 600 mm for most cold work tool steels and 200 mm for most high speed steels) this effect is not achieved in the core area of the billet or bar, where the relatively brittle casting structure is maintained.

Wenn eine noch höhere Zähigkeit/Duktilität des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils gewünscht ist, wird häufig ein noch komplexeres Verfahren eingesetzt. Dabei handelt es sich um die so genannte PulverMetallurgie (kurz: PM). Die Schmelze wird dabei nicht in einen Gussblock, sondern in einen Zerstäuber eingefüllt, welcher üblicherweise zumindest eine Düse aufweist, in der ein Gas gegen den flüssigen Metallstrom verbrannt wird, was dazu führt, dass das Metall zu kleinen, im Wesentlichen kugelförmigen Teilchen (Pulver) verdampft wird. Das auf diese Weise erhaltene Metallpulver wird anschließend in Stahlbehälter, die im Wesentlichen zylindrisch geformt sind, eingefüllt. Die Stahlbehälter werden dann evakuiert, um ein gewisses Maß an Vakuum zu erhalten, und in eine heißisostatische Pressvorrichtung eingeführt, in der hohe Temperaturen und Drücke erzeugt werden, um die Stahlbehälter zu verformen und zu erreichen, dass sich das Metallpulver verdichtet, so dass ein Barren erhalten wird. Wenn das Behältermaterial entfernt worden ist, bleibt ein Barren übrig, der geschmiedet werden kann und all den Bearbeitungsschritten unterzogen werden kann, die oben bei der Beschreibung des Verfahrens "Bearbeitung geschmiedeter Blöcke" näher erläutert worden sind. Dieses Herstellungsverfahren erhöht die Herstellungskosten zwar weiter. Andererseits kann aber die erreichbare Zähigkeit/Duktilität um ein Vielfaches höher sein als bei den auf herkömmliche Weise geschmolzenen und geschmiedeten Blöcken. Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn die Legierung einen relativ hohen Gehalt einer spröden Keramikphase aufweist.If even higher toughness / ductility of the forming tool or forming tool part is desired, an even more complex process is often used. This is what is known as powder metallurgy (PM for short). The melt is not filled in a cast block, but in a nebulizer, which usually has at least one nozzle, in which a gas is burned against the liquid metal stream, which causes the metal to small, substantially spherical particles (powder) is evaporated. The metal powder thus obtained is then poured into steel containers which are substantially cylindrically shaped. The steel containers are then evacuated to maintain a degree of vacuum and introduced into a hot isostatic press apparatus in which high temperatures and pressures are generated to deform the steel containers and cause the metal powder to densify to form a billet is obtained. When the container material has been removed, there remains a billet which can be forged and subjected to all of the processing steps detailed above in the description of the "Forged Block Machining" method. This manufacturing process increases the cost of production while still. On the other hand, the achievable toughness / ductility can be many times higher than in the conventionally melted and forged blocks. This can be achieved in particular if the alloy has a relatively high content of a brittle ceramic phase.

Das Schmieden erhöht zwar einerseits die Zähigkeit/Duktilität des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils, induziert jedoch andererseits einige unerwünschte Eigenschaften, von denen die wichtigste die Anisotropie ist. Das Schmieden schafft nämlich ein Materialgefüge, das zu unterschiedlichen Eigenschaften in der Schmiederichtung im Vergleich zu den transversal zur Schmiederichtung verlaufenden Richtungen führt. Diese Anisotropie kann insbesondere während der Wärmebehandlung des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils nachteilig sein, da sie zu einem Werkstückverzug führt, so dass mehr Material für die Endbearbeitung übrig gelassen werden muss.On the one hand, forging increases the toughness / ductility of the forming tool or forming tool part, but on the other hand induces some undesirable properties, the most important of which is anisotropy. Namely, the forging creates a material structure which leads to different properties in the forging direction compared to the directions running transversely to the forging direction. This anisotropy may be particularly detrimental during the heat treatment of the forming tool part as it results in workpiece distortion, leaving more material to be left over for finishing.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Formgebungswerkzeugs beziehungsweise eines Formgebungswerkzeugteils ist das Sintern eines Metallpulvers. Dabei wird ein Metallpulver oder alternativ eine Mischung mehrerer Metallpulver gepresst, um einen Körper mit der gewünschten geometrischen Form und mit einer geeigneten Beschaffenheit zu erhalten, so dass er anschließend weiterbearbeitet werden kann. Ein derartiger Körper wird häufig auch als "Grünkörper" bezeichnet. Der Grünkörper wird dann bei hoher Temperatur über einen ausreichend langen Zeitraum gesintert, um eine Diffusionsbindung zu fördern. Wenn eine hohe Dichte gewünscht ist, wird ein abschließender heißisostatischer Pressschritt durchgeführt. Verschiedene Varianten eines derartigen Verfahrens sind zum Beispiel in der DE 198 252 23 C2 , der WO 02/20863 A1 , der DE 195 08 959 C2 , der DE 197 52 505 C1 , der DE 698 148 96 T2 , der EP 1 281 461 A1 und der EP 0 919 635 A2 offenbart.Another method for producing a forming tool or a forming tool part is the sintering of a metal powder. In this case, a metal powder or alternatively a mixture of several metal powders is pressed in order to obtain a body with the desired geometric shape and with a suitable nature, so that it can subsequently be further processed. Such a body is often referred to as a "green body". The green body is then sintered at high temperature for a sufficient period of time to promote diffusion bonding. If a high density is desired, a final hot isostatic pressing step is performed. Different variants of such a method are for example in DE 198 252 23 C2 , of the WO 02/20863 A1 , of the DE 195 08 959 C2 , of the DE 197 52 505 C1 , of the DE 698 148 96 T2 , of the EP 1 281 461 A1 and the EP 0 919 635 A2 disclosed.

Der industrielle Bedarf an Werkstücken und Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften ist in letzter Zeit sehr stark angestiegen. Daher sind neue Konzepte, wie zum Beispiel die intelligente Werkzeugherstellung entwickelt worden. Für viele Zwecke ist der einfachste Weg, um eine Komponente mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu erhalten, ein Formgebungswerkzeug beziehungsweise ein Formgebungswerkzeugteil mit entsprechend gradierten Eigenschaften zu verwenden.The industrial demand for workpieces and components with tailor-made properties has recently risen sharply. Therefore, new concepts, such as the intelligent tooling has been developed. For many purposes, the simplest way to obtain a component with tailored properties is to use a forming tool or part with appropriately graded properties.

Aus der DE 195 089 59 C2 ist zum Beispiel ein Formkörper aus einem keramischen, pulvermetallurgischen oder Verbundwerkstoff bekannt. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Formkörpers in der vorstehend genannten Druckschrift offenbart. Innerhalb des Formkörpers ändert sich die stoffliche Zusammensetzung und/oder die Struktur in einer, zwei oder allen drei Raumrichtungen. Die Änderungen können kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Zur Herstellung des Formkörpers werden ein oder mehrere Ausgangspulver zu einer oder mehreren formbaren Massen verarbeitet. Diese formbare(n) Masse/Massen wird/werden in einer, zwei oder allen drei Raumrichtungen kontinuierlich oder diskontinuierlich zu einem Formkörper verarbeitet und anschließend ausgehärtet, wobei das Aufbringen der formbaren Masse oder Massen in Abhängigkeit von der abschließend zu erzielenden Eigenschaftsgradierung erfolgt.From the DE 195 089 59 C2 For example, a molded article of a ceramic, powder metallurgy or composite material is known. Further, a method for producing such a molded article is disclosed in the aforementioned document. Within the shaped body, the material composition and / or the structure changes in one, two or all three spatial directions. The changes can be continuous or discontinuous. To produce the shaped body, one or more starting powders are processed into one or more moldable masses. This moldable mass / masses is / are processed in one, two or all three spatial directions continuously or discontinuously to give a shaped body and then cured, the application of the moldable mass or masses being effected as a function of the degree of property to be finally achieved.

Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Beton (trotz seiner im Vergleich zu anderen Werkstoffen sehr geringen Festigkeit und Zähigkeit) zur Herstellung von Formgebungswerkzeugen einzusetzen. In der DE 699 08 273 T2 wird zum Beispiel ein Presswerkzeug beschrieben, welches hauptsächlich aus Beton besteht.It is also known from the prior art to use concrete (despite its very low strength and toughness in comparison to other materials) for the production of shaping tools. In the DE 699 08 273 T2 For example, a press tool is described which mainly consists of concrete.

In der internationalen Patentanmeldung WO 2006/056621 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formgebungswerkzeugs durch eine superplastische Deformation oder durch Heißverdichten eines metallischen Pulvers in einer Zementform beschrieben. Die Eigenschaften des Formgebungswerkzeugs, die durch das Heißverdichten des Pulvers erhalten werden, sind unter besonderer Berücksichtigung der Festigkeit und Zähigkeit/Duktilität nicht besonders gut. Die Ursache dafür liegt insbesondere in der Oberflächenoxidation des metallischen Pulvers, die dessen optimale Verdichtung verhindert. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, zur Verfügung zu stellen, welches eine endformnahe Herstellung eines Werkstücks ermöglicht, das eine vorteilhafte Kombination aus hoher Festigkeit und gleichzeitig günstigen Zähigkeits- und Duktilitätseigenschaften aufweist. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung eines entsprechenden Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder Formgebungswerkzeugteils, zur Verfügung zu stellen.In the international patent application WO 2006/056621 A2 For example, a method of making a forming tool by superplastic deformation or by hot compacting a metallic powder in a cement mold is described. The Characteristics of the forming die obtained by hot compacting the powder are not particularly good in consideration of strength and toughness / ductility. The cause lies in particular in the surface oxidation of the metallic powder, which prevents its optimal compression. It is an object of the present invention to provide a method for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part, which enables near-net-shape production of a workpiece having an advantageous combination of high strength and at the same time favorable toughness and ductility properties , In addition, the present invention has the object to provide a device for producing a corresponding workpiece, in particular a forming tool or forming tool part available.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere erfindungsgemäße Lösung liefert ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with regard to the method by a method having the features of claim 1. A further inventive solution provides a method having the features of claim 4. With regard to the device, the object underlying the present invention by a device having the features of claim 10 is achieved. The subclaims relate to advantageous developments of the invention.

Gemäß Anspruch 1 umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, die nachfolgenden Schritte:

  • Bereitstellen einer hitzebeständigen Form mit einem ersten Formteil und mindestens einem zweiten Formteil in einer evakuierbaren Kammer,
  • Einfüllen eines metallhaltigen Werkstoffs in die hitzebeständige Form,
  • Erzeugen eines Vakuums in der evakuierbaren Kammer,
  • Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs,
  • Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form durch Heißpressen unter Vakuumbedingungen.
According to claim 1, a method according to the invention for producing a workpiece, in particular a shaping tool or a shaping tool part, comprises the following steps:
  • Providing a heat-resistant mold with a first molded part and at least one second molded part in one evacuable chamber,
  • Filling a metal-containing material in the heat-resistant form,
  • Creating a vacuum in the evacuable chamber,
  • Heating the metal-containing material,
  • Compacting the heated metal-containing material in the heat-resistant form by hot pressing under vacuum conditions.

Gemäß Anspruch 1 werden die Werkstücke, wie zum Beispiel Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile, unter Vakuumbedingungen durch Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs, der beispielsweise als fester metallhaltiger Körper vorliegen kann, in einer hitzebeständigen Form hergestellt. Die Herstellung des Werkstücks erfolgt in einer evakuierbaren Kammer, in der das Vakuum erzeugt werden kann und in der gegebenenfalls auch eine Inertgasatmosphäre und/oder eine Reduktionsgasatmosphäre erzeugt werden können/kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise die Herstellung endformnaher, lokal isotroper Werkstücke (zum Beispiel Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile), wie sie durch die aus dem Stand der Technik bekannten Gießverfahren erhalten werden können, mit mechanischen Eigenschaften, wie sie durch die bekannten Pulvermetallurgie-Verfahren erhalten werden können. Durch das Erzeugen eines Vakuums kann insbesondere der Sauerstoffgehalt im Restgas innerhalb der evakuierbaren Kammer reduziert werden, so dass eine Sauerstoffkontamination der Oberfläche des metallhaltigen Werkstoffs weitgehend verhindert, zumindest jedoch erheblich verringert werden kann und somit Werkstücke, wie zum Beispiel Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile, von besonders hoher Qualität erzeugt werden können.According to claim 1, the workpieces, such as forming tools or forming tool parts, under vacuum conditions by compacting the heated metal-containing material, which may be present for example as a solid metal-containing body, produced in a heat-resistant form. The production of the workpiece takes place in an evacuable chamber in which the vacuum can be generated and in which optionally also an inert gas atmosphere and / or a reducing gas atmosphere can / can be generated. The method according to the invention makes it possible in a particularly advantageous manner to produce near-net shape, locally isotropic workpieces (for example shaping tools or forming tool parts), which can be obtained by the casting methods known from the prior art, with mechanical properties such as those known from the powder metallurgy methods can be obtained. By generating a vacuum, in particular the oxygen content in the residual gas can be reduced within the evacuable chamber, so that an oxygen contamination of the Surface of the metal-containing material largely prevented, but at least can be significantly reduced and thus workpieces, such as forming tools or forming tool parts, can be produced of particularly high quality.

Um den Sauerstoffgehalt innerhalb der evakuierbaren Kammer weiter zu reduzieren, nachdem der metallhaltige Werkstoff in die hitzebeständige Form eingefüllt worden ist, wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass eine Anzahl von Spülungen der evakuierbaren Kammer mit einem Reduktionsgas und/oder einem Inertgas durchgeführt wird, bevor das Vakuum in der evakuierbaren Kammer erzeugt wird. Vorteilhaft kann zwischen zwei Spülungen mit dem Inertgas beziehungsweise Reduktionsgas (zumindest kurzzeitig) ein Vakuum in der evakuierbaren Kammer erzeugt werden. Das Vakuum braucht kein Hochvakuum zu sein. Durch das sich an die Spülungen anschließende Erzeugen des Vakuums ist das Restgasniveau innerhalb der evakuierbaren Kammer relativ gering.In order to further reduce the oxygen content within the evacuatable chamber after the metal-containing material has been introduced into the heat-resistant mold, it is proposed in a particularly advantageous embodiment that a number of flushings of the evacuatable chamber be carried out with a reducing gas and / or an inert gas, before the vacuum is generated in the evacuable chamber. Advantageously, a vacuum can be generated in the evacuable chamber between two flushings with the inert gas or reducing gas (at least for a short time). The vacuum does not need to be a high vacuum. Due to the generation of the vacuum following the flushes, the residual gas level within the evacuatable chamber is relatively low.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass in der evakuierbaren Kammer ein Hochvakuum erzeugt wird und das Heißpressen des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt wird. Der Druckbereich des Hochvakuums, der innerhalb der evakuierbaren Kammer erzeugt wird, liegt vorteilhaft in einer Größenordnung zwischen etwa 10-3 und etwa 10-7 mbar. Durch das Erzeugen eines Hochvakuums kann insbesondere der Sauerstoffgehalt im Restgas innerhalb der Vakuumkammer weiter reduziert werden, so dass eine Sauerstoffkontamination der Oberfläche des metallhaltigen Werkstoffs weiter verringert werden kann.In a particularly preferred embodiment, it is proposed that in the evacuatable chamber a high vacuum is generated and the hot pressing of the heated metal-containing material is carried out under high vacuum conditions. The pressure range of the high vacuum generated within the evacuatable chamber is advantageously on the order of between about 10 -3 and about 10 -7 mbar. By generating a high vacuum, in particular the oxygen content in the residual gas within the vacuum chamber can be further reduced, so that an oxygen contamination of the surface of the metal-containing material can be further reduced.

Gemäß Anspruch 4 umfasst ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils die nachfolgenden Schritte:

  • Bereitstellen einer hitzebeständigen Form mit einem ersten Formteil und mindestens einem zweiten Formteil in einer evakuierbaren Kammer,
  • Einfüllen eines metallhaltigen Werkstoffs in die hitzebeständige Form,
  • Erzeugen eines Vakuums in der evakuierbaren Kammer und Halten des Vakuums über einen Zeitraum tVakuum,
  • Erzeugen einer Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre in der evakuierbaren Kammer nach Ablauf des Zeitraums tVakuum,
  • Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs,
  • Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form durch Heißpressen in der Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre.
According to claim 4, an alternative method according to the invention for the production of a workpiece, forming tool or forming tool part comprises the following steps:
  • Providing a heat-resistant mold having a first molded part and at least one second molded part in an evacuable chamber,
  • Filling a metal-containing material in the heat-resistant form,
  • Generating a vacuum in the evacuable chamber and maintaining the vacuum for a period of time t vacuum ,
  • Generating an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere in the evacuatable chamber after expiration of the period t vacuum ,
  • Heating the metal-containing material,
  • Compacting the heated metal-containing material in the heat-resistant form by hot pressing in the inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere.

Bei dieser alternativen erfindungsgemäßen Lösung erfolgt das Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form durch Heißpressen somit nicht unter Vakuumbedingungen, sondern in einer Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre. Dadurch kann eine Sauerstoffkontamination des metallhaltigen Werkstoffs ebenfalls wirksam verhindert werden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ebenfalls in besonders vorteilhafter Weise die Herstellung endformnaher, lokal isotroper Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile, wie sie durch das Gießverfahren erhalten werden können, mit Festigkeitseigenschaften, wie sie durch ein Pulvermetallurgie-Verfahren erhalten werden können.In this alternative solution according to the invention, the densification of the heated metal-containing material in the heat-resistant form by hot pressing thus takes place not under vacuum conditions, but in an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere. As a result, an oxygen contamination of the metal-containing material can also be effectively prevented. This process according to the invention likewise makes it possible to produce in a particularly advantageous manner near net shape, locally isotropic forming tools or forming tool parts, as can be obtained by the casting process, with strength properties, such as can be obtained by a powder metallurgy process.

Ein Vorteil der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass die erreichbaren Werkstücktoleranzen so gering sind, dass ein sich üblicherweise anschließender Grobbearbeitungsschritt (beispielsweise mittels spanender Bearbeitungsverfahren) des Werkstücks ebenfalls eliminiert werden kann. Vorzugsweise weist ein mit den hier vorgestellten Verfahren hergestelltes Werkstück (Formgebungswerkzeug beziehungsweise Formgebungswerkzeugteil) eine Kerbschlagzähigkeit von mehr als 50 J/cm2 auf, während der Härtegrad vorzugsweise größer als 58 HRC ist.An advantage of the method according to the invention presented here is that the achievable workpiece tolerances are so small that a usually subsequent rough machining step (for example by means of machining processes) of the workpiece can likewise be eliminated. Preferably, a workpiece (forming tool or forming tool part) produced by the method presented here has a notched impact strength of more than 50 J / cm 2 , while the degree of hardness is preferably greater than 58 HRC.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Heißpressen mit konstanter Dehnrate durchgeführt wird. Die Dehnrate kann zum Beispiel über eine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit eines Metallzylinders, mittels dessen ein Druck auf die Form und damit auf den metallhaltigen Werkstoff ausgeübt wird, konstant gehalten werden.In a particularly preferred embodiment, it is proposed that the hot pressing be carried out with a constant expansion rate. The expansion rate can be kept constant, for example, by changing the feed rate of a metal cylinder, by means of which a pressure is exerted on the mold and thus on the metal-containing material.

Es kann in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass der metallhaltige Werkstoff in Form mindestens einer Schicht eines metallhaltigen Pulvers oder einer metallhaltigen Pulvermischung in die hitzebeständige Form eingefüllt wird. Das Verfahren umfasst dann insbesondere den Schritt des Heißpressens des metallhaltigen Pulvers beziehungsweise der metallhaltigen Pulvermischung in der hitzebeständigen Form, welche vorzugsweise nur eine geringe Wasserbeimischung aufweist. Das zur Herstellung des Werkstücks verwendete metallhaltige Pulver kann vollständig aus einem Material bestehen. Das metallhaltige Pulver kann zum Beispiel auch eine Mischung eines Metallpulvers mit Keramikpartikeln sein, wobei die Keramikpartikel ihrerseits eine Beschichtung aufweisen können.It can be provided in an advantageous embodiment that the metal-containing material is filled in the form of at least one layer of a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture in the heat-resistant mold. The method then comprises in particular the step of hot-pressing the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture in the heat-resistant form, which preferably has only a small amount of water added. That for the production of the workpiece metal-containing powders used can be made entirely of one material. The metal-containing powder may, for example, also be a mixture of a metal powder with ceramic particles, wherein the ceramic particles in turn may have a coating.

Für zahlreiche Anwendungen kann die Möglichkeit, Mischungen verschiedener metallhaltiger Pulver oder mehrere Schichten beziehungsweise Bereiche aus unterschiedlichen metallhaltigen Pulvern zu verwenden und in die hitzebeständige Form einzugeben, besonders vorteilhaft sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, dass beim Einfüllen des metallhaltigen Pulvers oder der metallhaltigen Pulvermischung mindestens zwei Schichten oder Bereiche mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung erzeugt werden. Dadurch ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, Werkstücke (insbesondere Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile) mit maßgeschneiderten mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften herzustellen, die auch innerhalb ihres Volumens gradiert sein können. Auf diese Weise können also mit anderen Worten auch Werkstücke erzeugt werden, die innerhalb ihres Volumens in einer, zwei oder auch allen drei Raumrichtungen unterschiedliche mechanische und/oder physikalische Eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaftsgradienten können kontinuierlich oder auch diskontinuierlich sein.For many applications, the ability to use mixtures of different metal-containing powders or multiple layers of different metal-containing powders and to introduce them into the refractory form may be particularly advantageous. In a particularly advantageous embodiment, it is therefore proposed that at least two layers or regions of different chemical composition are produced during the filling of the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture. This makes it possible in a particularly advantageous manner to produce workpieces (in particular shaping tools or shaping tool parts) with tailor-made mechanical and / or physical properties, which can also be graded within their volume. In this way, in other words, workpieces can be produced which have different mechanical and / or physical properties within their volume in one, two or all three spatial directions. The property gradients may be continuous or discontinuous.

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang auch die Möglichkeit, ein Metallpulver mit vergleichsweise harten beschichteten oder unbeschichteten Partikeln zu mischen. Dadurch kann ein besseres Verhältnis zwischen der Zähigkeit/Duktilität und der Verschleißbeständigkeit erhalten werden. Die beschichteten Partikel, die mit dem metallhaltigen Pulver vermischt werden können, sind in der Regel allerdings relativ teuer. Die hier beschriebenen Verfahren ermöglichen die Verwendung derartiger Partikel, ohne ihre intrinsischen Eigenschaften zu verschlechtern und erlauben es ferner, nur die minimal erforderliche Menge dieser Partikel zu verwenden. Die Partikel können nämlich nur in denjenigen Bereichen des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils platziert werden, wo sie tatsächlich erforderlich sind, so dass die Herstellungskosten für das Werkstück so gering wie möglich gehalten werden können. Einige beschichtete Partikel erfordern es, bestimmte Diffusionsparameter (insbesondere Temperatur und Zeit) während des Prozesses zu steuern, um eine Verschlechterung der intrinsischen Eigenschaften zu vermeiden oder optimale Eigenschaften zu erhalten, wobei die hier vorgestellten Verfahren dafür besonders gut geeignet sind. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, unterschiedliche Arten von metallhaltigen Pulvern beziehungsweise metallhaltigen Pulvermischungen in unterschiedliche Arbeits- und Trägerzonen eines Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils einzubringen, um auf diese Weise maßgeschneiderte Werkzeugeigenschaften zu erhalten.Of particular interest in this context is the possibility of mixing a metal powder with comparatively hard coated or uncoated particles. Thereby, a better balance between toughness / ductility and wear resistance can be obtained. The coated particles that can be mixed with the metal-containing powder, however, are usually relatively expensive. The ones described here Methods allow the use of such particles without degrading their intrinsic properties, and further allow only the minimum required amount of these particles to be used. Namely, the particles can be placed only in those areas of the forming tool part where they are actually required, so that the manufacturing cost of the workpiece can be kept as low as possible. Some coated particles require controlling certain diffusion parameters (especially temperature and time) during the process to avoid deterioration of the intrinsic properties or to obtain optimal properties, the methods presented here being particularly well suited for this. In particular, it is possible to introduce different types of metal-containing powders or metal-containing powder mixtures into different working and carrier zones of a forming tool or forming tool part in order to obtain tailor-made tool properties in this way.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in einem superplastischen Zustand des Werkstoffs erfolgt. Das Aufheizen des metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form zum Erreichen des superplastischen Zustands erfolgt vorzugsweise vergleichsweise langsam. Der superplastische Zustand eines metallhaltigen Werkstoffs wird (werkstoffabhängig und abhängig von der Dehnrate) üblicherweise bei einer Temperatur von etwa 800°C bis etwa 1050°C erreicht. Das Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs im superplastischen Zustand ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Werkstoff in Form eines in seiner Geometrie vorgeformten Körpers vorliegt. Dies ist zum Beispiel für einen vorverdichteten, formstabilen Grünling der Fall. Wenn der metallhaltige Werkstoff in Pulverform vorliegt, kann das Heißpressen auch in einem nicht-superplastischen Zustand erfolgen, obwohl auch hier das Verdichten im superplastischen Zustand besonders vorteilhaft ist.In a particularly preferred embodiment, it is proposed that the densification of the heated metal-containing material takes place in a superplastic state of the material. The heating of the metal-containing material in the heat-resistant form to achieve the superplastic state is preferably carried out comparatively slowly. The superplastic state of a metal-containing material is (depending on the material and depending on the strain rate) usually achieved at a temperature of about 800 ° C to about 1050 ° C. The densification of the heated metal-containing material in the superplastic state is particularly advantageous if the material is in the form of a preformed body in its geometry. This is the case, for example, for a pre-compacted, dimensionally stable green body. If the metal-containing material is present in powder form, the hot pressing can also take place in a non-superplastic state, although here too compacting in the superplastic state is particularly advantageous.

Um insbesondere bei einem in Pulverform vorliegenden metallhaltigen Werkstoff die größtmögliche Dichte innerhalb des Werkstücks erzeugen zu können, sieht eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante vor, dass der metallhaltige Werkstoff nach dem Erreichen des superplastischen Zustands weiter auf seine Diffusionsbeschleunigungstemperatur aufgeheizt wird. Diese Diffusionsbeschleunigungstemperatur ist legierungsabhängig und liegt zum Beispiel bei einem Werkzeugstahl in einer Größenordnung von etwa 1150° C. Legierungen aus Molybdän haben demgegenüber eine höhere Diffusionsbeschleunigungstemperatur über 1800° C und Legierungen aus Kupfer haben eine Diffusionsbeschleunigungstemperatur, die kleiner als 900° C ist. Vorzugsweise wird die Diffusionsbeschleunigungstemperatur über einen längeren Zeitraum, üblicherweise über einen Zeitraum von mehr als 30 Minuten gehalten. Die Haltezeit hängt insbesondere von der Diffusionsbeschleunigungstemperatur und dem ausgeübten Druck ab. Sie kann gegebenenfalls mehrere Stunden oder auch mehrere Tage betragen.In order to be able to produce the greatest possible density within the workpiece, in particular in the case of a metal-containing material in powder form, a particularly preferred method variant provides for the metal-containing material to be heated further to its diffusion acceleration temperature after the superplastic state has been reached. This diffusion acceleration temperature is alloy-dependent and is, for example, about 1150 ° C for a tool steel. On the other hand, alloys of molybdenum have a higher diffusion acceleration temperature over 1800 ° C, and alloys of copper have a diffusion acceleration temperature lower than 900 ° C. Preferably, the diffusion acceleration temperature is maintained for an extended period of time, usually over a period of more than 30 minutes. The holding time depends in particular on the diffusion acceleration temperature and the pressure exerted. It can possibly be several hours or even several days.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der metallhaltige Werkstoff zumindest teilweise geschmolzen wird und in einem zumindest teilweise flüssigen Zustand verdichtet wird. Der metallhaltige Werkstoff braucht nicht vollständig geschmolzen zu sein. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass vor dem Verdichten nur eine Phase des metallhaltigen Werkstoffs geschmolzen wird. Diese Ausführungsform des Verfahrens kann für einige Anwendungszwecke vorteilhaft sein.In a further advantageous embodiment, it is proposed that the metal-containing material is at least partially melted and compacted in an at least partially liquid state. The metal-containing material need not be completely melted. For example, there is the possibility that only one phase of the metal-containing material is melted before compacting. This embodiment of the method may be advantageous for some applications.

Damit ein metallhaltiges Pulver beziehungsweise eine metallhaltige Pulvermischung beim Heißpressen seine/ihre größtmögliche Dichte erreicht, müssen insbesondere die folgenden Prozessbedingungen eingehalten werden

  1. a) ausreichend Zeit und eine ausreichend hohe Temperatur, damit der Diffusionsprozess stattfinden kann;
  2. b) ein ausreichend hoher Druck, damit das metallhaltige Pulver fließen und die Leerstellen auffüllen kann (ein Bereich der superplastischen Deformation des metallhaltigen Pulvers ist dabei, wie oben bereits erwähnt, besonders vorteilhaft);
  3. c) das Fehlen von Sauerstoff, um eine Oberflächenoxidation des metallhaltigen Pulvers zu vermeiden.
In order for a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture to reach its maximum density during hot pressing, the following process conditions in particular must be observed
  1. a) sufficient time and a sufficiently high temperature for the diffusion process to take place;
  2. b) sufficiently high pressure to allow the metal-containing powder to flow and fill in the voids (a region of superplastic deformation of the metal-containing powder is particularly advantageous, as mentioned above);
  3. c) the absence of oxygen to avoid surface oxidation of the metal-containing powder.

Der Druck, der während des Heißpressens (beispielsweise mittels eines Metallzylinders) auf den erwärmten metallhaltigen Werkstoff ausgeübt wird, ist vorzugsweise größer als 20 MPa. Der Druck während des Verdichtens des metallhaltigen Werkstoffs kann - abhängig von der Belastbarkeit des Formmaterials - insbesondere zwischen etwa 20 MPa und etwa 250 MPa betragen.The pressure exerted on the heated metal-containing material during hot pressing (for example by means of a metal cylinder) is preferably greater than 20 MPa. The pressure during compaction of the metal-containing material may, depending on the load capacity of the molding material, be in particular between about 20 MPa and about 250 MPa.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann vor dem Aufheizen des metallhaltigen Werkstoffs ein Kaltpressschritt durchgeführt werden. Dieser ist insbesondere bei der Verwendung eines metallhaltigen Pulvers beziehungsweise einer metallhaltigen Pulvermischung besonders vorteilhaft. Durch den Kaltpressschritt kann die Porosität des metallhaltigen Pulvers beziehungsweise der metallhaltigen Pulvermischung geschlossen werden, um so wenig zusammenhängende Porosität wie möglich im Werkstoff zu belassen.In a further advantageous development of the method, a cold pressing step can be carried out before the heating of the metal-containing material. This is particularly advantageous when using a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture. By the cold pressing step, the porosity of the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture can be closed to leave as little coherent porosity as possible in the material.

Nach dem Kaltpressschritt kann die evakuierbare Kammer gegebenenfalls mit einer Reduktionsatmosphäre gespült werden, bevor mit den übrigen Verfahrensschritten fortgefahren wird. In einer alternativen Variante kann das metallhaltige Pulver beziehungsweise die metallhaltige Pulvermischung auch in eine kontrollierte Atmosphärenumgebung eingegeben werden. Unabhängig davon, welcher Prozess verfolgt wird, ist es wichtig, die Anwesenheit von Sauerstoff zwischen Pulverkörnern möglichst zu vermeiden.After the cold pressing step, the evacuatable chamber can optionally be rinsed with a reducing atmosphere before proceeding with the remaining process steps. In an alternative variant, the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture can also be entered in a controlled atmosphere environment. Regardless of which process is pursued, it is important to avoid the presence of oxygen between powder grains as much as possible.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Prozesswärme nach dem Verdichten des metallhaltigen Werkstoffs, vorzugsweise mittels einer Kühlvorrichtung, gezielt abgeführt wird. Ein Zweck einer derartigen gezielten Wärmeabfuhr kann darin bestehen, das Herstellungsverfahren insgesamt zu beschleunigen. Darüber hinaus können durch die gezielte Wärmeabfuhr die mikrostrukturellen Eigenschaften des Werkstücks eingestellt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der auf den metallhaltigen Werkstoff ausgeübte Druck während der gezielten Abfuhr der Prozesswärme (Kühlphase) gehalten wird. Durch diese Maßnahme können Geometrieabweichungen, insbesondere Schrumpfungen des Werkstücks, weitgehend verhindert werden.In a particularly preferred embodiment, it is provided that the process heat after the compression of the metal-containing material, preferably by means of a cooling device, is deliberately dissipated. One purpose of such targeted heat removal may be to speed up the overall manufacturing process. In addition, the microstructural properties of the workpiece can be adjusted by the targeted heat dissipation. It is particularly advantageous if the pressure exerted on the metal-containing material pressure during the targeted removal of the process heat (cooling phase) is maintained. By this measure, geometry deviations, in particular shrinkage of the workpiece, can be largely prevented.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass sich an den Schritt des Verdichtens des metallhaltigen Werkstoffs oder des Abführens der Prozesswärme mindestens ein Nachbearbeitungsschritt anschließt. Dieser mindestens eine Nachbearbeitungsschritt kann insbesondere die Durchführung eines Feinbearbeitungs- und/oder Hartbearbeitungsverfahrens umfassen. Dabei können zum Beispiel Schleifverfahren, Hochgeschwindigkeitsfräsverfahren oder thermisch unterstützte Laserbearbeitungsverfahren zum Einsatz kommen. Der mindestens eine Nachbearbeitungsschritt wird nicht unter Vakuumbedingungen beziehungsweise unter einer Gasatmosphäre ausgeführt.In a further advantageous embodiment, it is proposed that the step of compacting the metal-containing material or the removal of the process heat is followed by at least one post-processing step. This at least one post-processing step may in particular comprise the implementation of a finishing and / or hard-machining method. For example, grinding, high-speed milling or thermally-assisted laser machining can be used. The at least a post-processing step is not carried out under vacuum conditions or under a gas atmosphere.

Zusammenfassend erlauben die hier vorgestellten Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs beziehungsweise eines Formgebungswerkzeugteils, ein Maßschneidern von Funktionalitäten, die sich direkt aus der metallurgischen und mikrostrukturellen Zusammensetzung des verwendeten metallhaltigen Werkstoffs (insbesondere eines Werkzeugstahls) ableiten lassen.In summary, the methods presented here for producing a workpiece, in particular a forming tool or a shaping tool part, allow tailoring of functionalities which can be derived directly from the metallurgical and microstructural composition of the metal-containing material used (in particular a tool steel).

Solche Funktionalitäten sind zum Beispiel

  • Verschleißbeständigkeit,
  • Wärmeleitfähigkeit,
  • elektrische Leitfähigkeit,
  • Beständigkeit unter thermischer und/oder mechanischer Beanspruchung,
  • sensorische und aktuatorische Funktionalitäten auf der Grundlage piezoelektrischer Effekte, eines Formgedächtniseffektes oder der Absorption elektromagnetischer Wellen.
Such functionalities are for example
  • Wear resistance,
  • thermal conductivity,
  • electric conductivity,
  • Resistance under thermal and / or mechanical stress,
  • sensory and actuatory functionalities based on piezoelectric effects, a shape memory effect or the absorption of electromagnetic waves.

Dabei kann eine solche ortsvariable Funktionalitätsverteilung unterschiedlichen Motivationen folgen.In this case, such a location-variable distribution of functionality can follow different motivations.

1. Integrales Temperaturmanagement1. Integral temperature management

Im Bereich der Umformung von Blechwerkstoffen ist die Technologie des Press-, Form- oder Profilhärtens von zunehmendem Interesse für die Herstellung solcher Bauteile, die in Ihrer Anwendung höchsten Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Energieeffizienz genügen müssen. Solche Prozesse sind einerseits durch die Ausnutzung eines deutlich erhöhten Formänderungsvermögens bei hohen Prozesstemperaturen gekennzeichnet, andererseits durch die unmittelbar im Anschluss beziehungsweise bereits mit der Formgebung stattfindende thermische Behandlung. Sofern es sich bei einer solchen thermischen Behandlung um ein Härten handelt, ist es aus technologischen Gründen, jedoch auch aus Gründen der Prozessproduktivität einerseits wünschenswert, eine schnelle Abfuhr der im Werkstück gespeicherten Wärme zu erreichen, andererseits kann jedoch eine vorzeitige Härtung die weitere Ausformung durch eine Herabsetzung des Formänderungsvermögens nachhaltig behindern. Die Folgen sind erhöhte Formgebungskräfte bis hin zum Bauteilversagen durch Rissbildung. Die Gefahr einer vorzeitigen Wärmeabfuhr tritt im Bereich des Blechhalters beim Presshärten auf, da hier der Erstkontakt Werkzeug-Werkstück noch vor Beginn des eigentlichen Umformprozesses und damit weit vor dem Erreichen der Endkontur des Werkstückes eintritt. Die damit verbundene vorzeitige Abkühlung kann dadurch vermieden beziehungsweise in ihrer Auswirkung reduziert werden, dass in diesem Bereich lokal vorliegende geringe Wärmeleitfähigkeiten für den Werkzeugwerkstoff vorgesehen werden. Aufgrund des zeitversetzten Kontaktes zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück in den übrigen Bereichen ist hier eine entsprechend höhere Wärmeleitfähigkeit dagegen durchaus erwünscht.In the area of sheet metal forming, the technology of press, mold or profile hardening is of increasing interest in the production of such components which meet the highest safety and energy efficiency requirements in your application have to. On the one hand, such processes are characterized by the utilization of a significantly increased shape-changing capability at high process temperatures, and on the other hand by the thermal treatment taking place immediately after or already taking place with the shaping. If such a thermal treatment is a hardening, it is desirable for technological reasons, but also for reasons of process productivity on the one hand to achieve a rapid removal of heat stored in the workpiece, on the other hand, however, a premature curing further formation by a Permanently impair the reduction in the ability to transform. The consequences are increased shaping forces up to component failure due to cracking. The risk of premature heat dissipation occurs in the area of the sheet metal holder during press hardening, since the first contact of the tool workpiece still occurs before the beginning of the actual forming process and thus well before reaching the final contour of the workpiece. The associated premature cooling can be avoided or reduced in their effect that local low thermal conductivity for the tool material are provided in this area. Due to the time-delayed contact between the tool and the workpiece in the other areas, however, a correspondingly higher thermal conductivity is quite desirable.

2. Zeit- und ortsvariables Temperaturmanagement2. Time and place variable temperature management

Ist es nun das Ziel, durch eine Variabilisierung der thermischen Prozessbedingungen im Sinne orts- und zeitvariabler thermomechanischer Prozessbedingungen Bauteile herzustellen, die komplexe mikrostrukturelle Eigenschaftsverläufe aufweisen, so entstehen aus solchen Prozessstrategien durchaus komplexe Anforderungsprofile für das Werkzeug. Lokal veränderliche Wärmeleitfähigkeiten sind dabei nur ein Ausführungsmerkmal, andere Merkmale können darin bestehen, durch die Ausnutzung ortsvariabler elektrischer, piezoelektrischer Effekte, ja sogar auch Formgedächtniseffekten bis hin zur Absorption elektromagnetischer Wellen diese Flexibilisierung im Hinblick auf sensorische und aktuatorische Aufgaben im Sinne einer gezielten Einstellung lokaler thermischer und/oder mechanischer Prozessbedingungen zu unterstützen.If the goal is to produce components that have complex microstructural property profiles by variabilizing the thermal process conditions in the sense of spatially and time-variable thermomechanical process conditions, then such complex process strategies are quite complex Requirement profiles for the tool. Locally variable Wärmeleitfähigkeiten are only one embodiment feature, other features may consist of the use of local variable electrical, piezoelectric effects, even shape memory effects even up to the absorption of electromagnetic waves, this flexibility in terms of sensory and aktuatorische tasks in terms of a targeted adjustment of local thermal and / or mechanical process conditions.

Gemäß Anspruch 10 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils:

  • eine evakuierbare Kammer,
  • eine hitzebeständige Form, die in der evakuierbaren Kammer untergebracht ist und ein erstes Formteil und mindestens ein zweites Formteil aufweist, die einen Formhohlraum bilden, wobei ein metallhaltiger Werkstoff, insbesondere ein metallhaltiges Pulver oder eine metallhaltige Pulvermischung, in den Formhohlraum einfüllbar ist,
  • Mittel zum Erzeugen eines Vakuums in der evakuierbaren Kammer,
  • Mittel zum Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form,
  • Mittel zum Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form durch Heißpressen.
According to claim 10, a device according to the invention for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part comprises:
  • an evacuable chamber,
  • a heat-resistant mold accommodated in the evacuable chamber and having a first mold part and at least one second mold part forming a mold cavity, wherein a metal-containing material, in particular a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture, can be filled into the mold cavity,
  • Means for creating a vacuum in the evacuable chamber,
  • Means for heating the metal-containing material in the heat-resistant form,
  • Means for compacting the heated metal-containing material in the heat-resistant form by hot pressing.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet, so dass Werkstücke, wie zum Beispiel Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile, mit den oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden können. Die hitzebeständige Form, die zur Herstellung des Werkstücks verwendet wird, sollte hinsichtlich ihrer mechanischen Ausgestaltung dazu geeignet sein, dem Druck standzuhalten, welcher erforderlich ist, um ein metallhaltiges Pulver beziehungsweise eine metallhaltige Pulvermischung fließen zu lassen. Der während des Verdichtens auf den metallhaltigen Werkstoff wirkende Druck kann - abhängig von der Belastbarkeit des Formmaterials - zwischen etwa 20 MPa und etwa 250 MPa betragen.The device according to the invention is particularly suitable for carrying out a method according to one of claims 1 to 9, so that workpieces, such as, for example, shaping tools or shaping tool parts, can be manufactured with the advantageous properties described above. The heat-resistant mold used to make the workpiece should, in terms of its mechanical design, be capable of withstanding the pressure required to flow a metal-containing powder or metal-containing powder mixture. The pressure acting on the metal-containing material during compaction may be between about 20 MPa and about 250 MPa, depending on the load capacity of the molding material.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung darüber hinaus Mittel zum Erzeugen einer Inertgasatmosphäre und/oder einer Reduktionsgasatmosphäre aufweist. Das Verdichten des metallhaltigen Werkstoffs kann bei einer derartigen Ausgestaltung der Vorrichtung in einer Inertgasatmosphäre oder einer Reduktionsgasatmosphäre durchgeführt werden. Dadurch kann eine Sauerstoffkontamination der Oberfläche des metallhaltigen Werkstoffs verhindert werden.In a particularly advantageous embodiment it is provided that the device moreover comprises means for generating an inert gas atmosphere and / or a reducing gas atmosphere. The densification of the metal-containing material can be carried out in such an embodiment of the device in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. As a result, an oxygen contamination of the surface of the metal-containing material can be prevented.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die hitzebeständige Form eine keramikhaltige und/oder graphithaltige Form sein. Die auf das Formmaterial, aus dem die hitzebeständige Form hergestellt ist, einwirkenden Drücke sind im Allgemeinen größer als 20 MPa, häufig auch größer als 30 MPa bis 40 MPa, so dass Beton, Mörtel oder Zement mit einer geringen Wasserbeimischung und mit einem Gehalt mindestens eines Keramikwerkstoffs als Materialien zur Herstellung der hitzebeständigen Form besonders vorteilhaft sind. Dabei sind Al2O3, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder SiO2 die bevorzugten Zusatzwerkstoffe für die Herstellung der hitzebeständigen Form. Vorzugsweise kann der Beton, Zement oder Mörtel einen Gehalt von mindestens 40%, vorzugsweise von mindestens 60%, insbesondere von mindestens 80% Al2O3 aufweisen. Es kann zum Beispiel auch vorgesehen sein, dass der Beton, Zement oder Mörtel eine Festigkeit aufweist, die höher als 150 MPa (vorzugsweise höher als 200 MPa) ist.In a particularly preferred embodiment, the heat-resistant form may be a ceramic-containing and / or graphite-containing form. The pressures acting on the molding material from which the heat-resistant mold is made are generally greater than 20 MPa, often greater than 30 MPa to 40 MPa, so that concrete, mortar or cement with a low water content and containing at least one Ceramic material as materials for producing the heat-resistant form are particularly advantageous. In this case, Al 2 O 3 , zirconium oxide, silicon carbide or SiO 2 is the preferred filler material for the production of the heat-resistant mold. Preferably, the concrete, cement or mortar may have a content of at least 40%, preferably of at least 60%, in particular of at least 80% Al 2 O 3 . It may, for example, also be provided that the concrete, cement or mortar has a strength which is higher than 150 MPa (preferably higher than 200 MPa).

Die Mittel zum Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs können in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mindestens ein Heizelement umfassen, das zum Beispiel in die hitzebeständige Form eingebettet sein kann. Vorzugsweise erstreckt sich das mindestens eine Heizelement in Umfangsrichtung mindestens eines der Formteile (vorzugsweise in einem Abstand von etwa 10 bis 20 mm vom Formhohlraum), so dass ein gleichmäßiges Aufheizen des metallhaltigen Werkstoffs erreicht werden kann. Das mindestens eine Heizelement kann zum Beispiel aus einem Ni-Cr-Widerstandsdraht oder aus einem Fe-Cr-Al-Widerstandsdraht bestehen. Andere Widerstandsheizdrähte, die beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram bestehen können, können ebenfalls verwendet werden. Auch ein induktiv arbeitendes Heizelement ist einsetzbar.The means for heating the metal-containing material may in a particularly advantageous embodiment comprise at least one heating element, which may for example be embedded in the heat-resistant mold. Preferably, the at least one heating element extends in the circumferential direction of at least one of the mold parts (preferably at a distance of about 10 to 20 mm from the mold cavity), so that a uniform heating of the metal-containing material can be achieved. The at least one heating element may for example consist of a Ni-Cr resistance wire or an Fe-Cr-Al resistance wire. Other resistance heating wires, which may be made of molybdenum or tungsten, for example, may also be used. An inductively operating heating element can also be used.

Ferner kann in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die ebenfalls in die hitzebeständige Form eingebettet sein kann, geeignet, den metallhaltigen Werkstoff innerhalb der hitzebeständigen Form gezielt abzukühlen. Dadurch kann zusätzlich eine Kühlmöglichkeit für den in die hitzebeständige Form eingefüllten metallhaltigen Werkstoff zur Verfügung gestellt werden. Die Kühlvorrichtung kann zum Beispiel eine Anzahl von Hohlräumen umfassen, die bei der Herstellung definiert in die hitzebeständige Form eingebracht werden. Durch diese Hohlräume kann ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid strömen, das mittels einer Versorgungseinrichtung oder dergleichen gefördert werden kann, um den metallhaltigen Werkstoff in der hitzebeständigen Form nach dem Verdichten gezielt kühlen zu können.Furthermore, in a preferred embodiment, at least one cooling device may be provided, which may also be embedded in the heat-resistant mold, suitable for selectively cooling the metal-containing material within the heat-resistant mold. As a result, a cooling possibility for the metal-containing material filled into the heat-resistant mold can additionally be made available. The cooling device may, for example, comprise a number of cavities which are introduced into the heat-resistant mold when defined. Through these cavities, a liquid or gaseous cooling fluid can flow, which by means of a supply device or the like can be promoted in order to be able to cool the metal-containing material in the heat-resistant form after compacting targeted.

Die Kühlvorrichtung kann zum Beispiel mindestens ein Rohr umfassen, das in die hitzebeständige Form eingebettet ist und durch das ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid zirkulieren kann. Die evakuierbare Kammer kann darüber hinaus auch mit einem gasförmigen Kühlfluid (zum Beispiel mit Stickstoff oder Argon) geflutet werden. Vorzugsweise kann das gasförmige Kühlfluid aus einem Drucktank oder einer Druckgasflasche in die Hohlräume, das Rohr oder die evakuierbare Kammer einströmen, da sich das Gas bei der Ausdehnung weiter abkühlt. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, dass die Kühlvorrichtung einen Kühlkreislauf bildet, innerhalb dessen das Kühlfluid zirkulieren kann und innerhalb dessen beispielsweise ein Wärmetauscher oder eine Kompressionsstufe vorgesehen sein kann.For example, the cooling device may comprise at least one tube embedded in the refractory mold and through which a liquid or gaseous cooling fluid may circulate. The evacuable chamber may also be flooded with a gaseous cooling fluid (for example with nitrogen or argon). Preferably, the gaseous cooling fluid from a pressure tank or a compressed gas cylinder can flow into the cavities, the tube or the evacuable chamber, since the gas continues to cool as it expands. There is in particular the possibility that the cooling device forms a cooling circuit, within which the cooling fluid can circulate and within which, for example, a heat exchanger or a compression stage can be provided.

Darüber hinaus können zumindest ein Temperaturerfassungsmittel und Regelungsmittel vorgesehen sein, um die Temperatur des metallhaltigen Werkstoffs in der Form zu regeln.In addition, at least one temperature detection means and control means may be provided to control the temperature of the metal-containing material in the mold.

Um die hitzebeständige Form zu erzeugen, wird zunächst ein Modell mit der gewünschten Geometrie des Werkstücks (beispielsweise eines Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils) hergestellt. Dieses Formenmodell kann aus unterschiedlichen Materialien (zum Beispiel aus Polystyren, Polypropylen, Holz oder Aluminium) hergestellt werden. Zahlreiche andere Thermoplaste, Metalle oder sogar Keramikwerkstoffe können zur Herstellung des Formenmodells verwendet werden. Um das Formenmodell zu erhalten, können herkömmliche Verfahrenstechniken oder auch so genannte Rapid-Prototyping-Techniken (zum Beispiel mechanisches Bearbeiten, Stereo-Lithographie, dreidimensionaler Wachsdruck, Gießen und so weiter) eingesetzt werden.To create the heat resistant mold, a model is first made having the desired geometry of the workpiece (eg, a forming tool or forming tool part). This mold model can be made of different materials (for example polystyrene, polypropylene, wood or aluminum). Many other thermoplastics, metals or even ceramics may be used to make the mold model. To obtain the mold model, conventional process techniques or so-called rapid prototyping techniques (for example mechanical editing, stereo lithography, three-dimensional wax printing, casting and so on).

Mit dem auf diese Weise erhaltenen Formenmodell kann die Form zum Beispiel durch Gießen des hitzebeständigen Formmaterials hergestellt werden, insbesondere, wenn das Formmaterial ein Pulver oder Pulvergemisch, Beton, Mörtel oder dergleichen enthält. Wenn die Form in dieser Weise hergestellt wird, ist es sehr einfach, mindestens ein Heizelement (insbesondere ein Widerstandsheizelement oder ein Induktionsheizelement), ein Kühlelement und gegebenenfalls auch Temperaturerfassungsmittel in die Form einzubetten. Wenn die Form durch eine dreidimensionale keramische Drucktechnik oder durch eine vergleichbare Technik erzeugt wird, welche es erlaubt, die hitzebeständige Form direkt - also ohne weitere Zwischenschritte - zu erhalten, muss kein entsprechendes Formenmodell hergestellt werden. Dasselbe trifft zu, wenn die hitzebeständige Form durch eine unmittelbare mechanische Bearbeitung eines festen Blocks eines hitzebeständigen Formmaterials erhalten wird.With the mold model thus obtained, the mold can be produced by, for example, casting the heat-resistant molding material, especially when the molding material contains a powder or powder mixture, concrete, mortar or the like. When the mold is manufactured in this way, it is very easy to embed at least one heating element (in particular a resistance heating element or an induction heating element), a cooling element and possibly also temperature detection means in the mold. If the mold is produced by a three-dimensional ceramic printing technique or by a comparable technique which allows to obtain the heat-resistant mold directly, ie without further intermediate steps, no corresponding mold model has to be produced. The same is true when the heat-resistant mold is obtained by directly machining a solid block of a heat-resistant molding material.

Wenn man die hitzebeständige Form zum Beispiel aus Beton herstellt, wird der Beton zusammen mit einer geringen Wasserbeimengung und vorzugsweise einer Beimischung eines Keramikwerkstoffs in das Formenmodell eingefüllt. Um eine Porenbildung zu vermeiden und auch kompliziertere Geometrien mit dem Formmaterial auszufüllen, sollte das Füllen des Formenmodells möglichst schnell erfolgen. Anschließend wird die Form bei einer hohen Temperatur (zum Beispiel etwa 1200° C) ausgehärtet, so dass die Restfeuchtigkeit aus dem Beton entweichen kann. Es besteht ferner die Möglichkeit, das Formenmodell während des Einfüllens des Formmaterials zum Beispiel auf einem Schwingungstisch oder dergleichen in Schwingungen zu versetzen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Porosität der Form wesentlich verringert werden kann.For example, when making the heat-resistant mold from concrete, the concrete is poured into the mold model along with a small amount of water and preferably an admixture of a ceramic material. In order to avoid pore formation and also to fill in more complicated geometries with the molding material, the filling of the mold model should take place as quickly as possible. Subsequently, the mold is cured at a high temperature (for example, about 1200 ° C), so that the residual moisture can escape from the concrete. It is also possible to vibrate the mold model during filling of the molding material, for example, on a vibrating table or the like. It has been found that this can significantly reduce the porosity of the mold.

Nachdem die Form in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt und in der evakuierbaren Kammer bereitgestellt worden ist, kann der Formhohlraum zumindest teilweise mit dem metallischen Werkstoff, insbesondere mit einem metallhaltigen Pulver beziehungsweise mit einer metallhaltigen Pulvermischung gefüllt werden. Daran schließen sich dann die übrigen Prozessschritte für die Herstellung des Werkstücks an.After the mold has been produced in the manner described above and provided in the evacuable chamber, the mold cavity can be at least partially filled with the metallic material, in particular with a metal-containing powder or with a metal-containing powder mixture. This is followed by the remaining process steps for the production of the workpiece.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Oberfläche des Formhohlraums der hitzebeständigen Form zumindest abschnittsweise eine Keramikschicht und/oder eine Trenn- und Schmiermittelschicht aufweist. Die Keramikschicht kann zum Beispiel eine Oxidschicht (zum Beispiel aus Zirkonoxid) oder eine Karbidschicht (zum Beispiel aus Siliziumkarbid) sein. Jedes andere Keramikmaterial, das nicht mit heißem Metall reagiert, kann ebenfalls verwendet werden. Die Trenn- und Schmiermittelschicht kann zum Beispiel aus Graphit, Molybdän-Disulfid, Schwefel, Phosphor, Bornitrid, Glimmer oder einem anderen Material bestehen, welches die relativ hohen Prozesstemperaturen aushalten kann. Es ist ebenfalls sehr wünschenswert, dass das verwendete Formmaterial eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, damit es als Isolator zwischen der Aufheizzone, in der das metallhaltige Pulver beziehungsweise das metallhaltige Pulvergemisch erwärmt wird, und dem Äußeren der Form dienen kann, insbesondere, wenn die hitzebeständige Form in einer vorteilhaften Ausführungsform einen vorgespannten Armierungsring aus Metall aufweist. Ein derartiger vorgespannter Armierungsring kann Druckspannungen in der Form erzeugen, um die Zugspannungen zu kompensieren, die beim Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs entstehen.In a particularly preferred embodiment, it is proposed that the surface of the mold cavity of the heat-resistant mold has, at least in sections, a ceramic layer and / or a release and lubricant layer. The ceramic layer may be, for example, an oxide layer (for example, zirconia) or a carbide layer (for example, silicon carbide). Any other ceramic that does not react with hot metal can also be used. The release and lubricant layer may be, for example, graphite, molybdenum disulfide, sulfur, phosphorus, boron nitride, mica, or other material that can withstand the relatively high process temperatures. It is also highly desirable that the molding material used has a relatively low thermal conductivity so that it can serve as an insulator between the heating zone in which the metal-containing powder and the metal-containing powder mixture is heated, and the outside of the mold, in particular, when the heat-resistant mold in an advantageous embodiment has a prestressed reinforcing ring made of metal. Such a prestressed reinforcing ring can create compressive stresses in the mold to compensate for the tensile stresses created when compacting the heated metal-containing material.

Um eine Reaktion des metallhaltigen Werkstoffs mit dem Formmaterial der hitzebeständigen Form zu vermeiden, kann die Oberfläche des Formhohlraums in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform zumindest abschnittsweise eine Farbschicht oder Dispersionsschicht aufweisen. Durch das Aufbringen einer Farbe beziehungsweise Dispersion kann die Oberfläche des Formhohlraums chemisch inerter gemacht werden. Auch Schmiermittel können zu diesem Zweck verwendet werden. Es kann auch vorteilhaft sein, die Emissivität der Oberfläche der keramischen Form zu erhöhen, um den Prozess energetisch effizienter zu gestalten und die Wärme dort zu halten, wo sie erforderlich ist. Das aktive Material der Farbe oder der Dispersion kann zum Beispiel Zirkonoxid, Bornitrid, Molybdändisulfid sein oder andere Komponenten auf Graphit-, Phosphor-, oder Sulfidbasis (um nur einige zu nennen) umfassen.In order to avoid a reaction of the metal-containing material with the mold material of the heat-resistant mold, the surface of the mold cavity may, in a particularly advantageous embodiment, at least in sections have a color layer or dispersion layer. By applying a color or dispersion, the surface of the mold cavity can be made chemically inert. Also lubricants can be used for this purpose. It may also be advantageous to increase the emissivity of the surface of the ceramic mold in order to make the process more energetically efficient and to keep the heat where it is needed. The active material of the paint or dispersion may be, for example, zirconia, boron nitride, molybdenum disulfide or other graphite, phosphorus or sulfide based components (to name a few).

Um insbesondere die Scherfestigkeit der hitzebeständigen Form zu erhöhen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die hitzebeständige Form mit Metallteilchen und/oder Metallstangen und/oder Metalldrähten und/oder Metalldrahtgeweben verstärkt ist. Als Material kann Eisen oder Stahl eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen können jedoch besonders hitzebeständige Metalle, wie zum Beispiel Wolfram oder Molybdän und deren Legierungen und auch Legierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis vorteilhafter sein. Zum Verstärken der hitzebeständigen Form können darüber hinaus auch Textilfasern und/oder Polymerfasern und/oder Keramikfasern und/oder Glasfasern und/oder Langfasergewebe dieser Werkstoffe verwendet werden.In particular, in order to increase the shear strength of the heat-resistant mold, it may be provided in a preferred embodiment that the heat-resistant mold is reinforced with metal particles and / or metal rods and / or metal wires and / or metal wire fabrics. The material can be iron or steel. For high temperature applications, however, particularly refractory metals, such as tungsten or molybdenum and their alloys, as well as nickel or cobalt based alloys may be more advantageous. In addition, textile fibers and / or polymer fibers and / or ceramic fibers and / or glass fibers and / or long-fiber fabric of these materials can be used to reinforce the heat-resistant form.

Die Mittel zum Verdichten des metallhaltigen Werkstoffs können insbesondere einen Metallzylinder umfassen, der mit dem zweiten Formteil der hitzebeständigen Form in Wirkverbindung steht. Während des Betriebs der Vorrichtung kann der Metallzylinder einen ausreichend hohen Druck auf die hitzebeständige Form beziehungsweise einen Teil der hitzebeständigen Form ausüben, um dadurch den metallhaltigen Werkstoff in der Form zu verdichten.The means for compacting the metal-containing material may in particular comprise a metal cylinder, which is in operative connection with the second molded part of the heat-resistant mold. During operation of the device, the metal cylinder can exert sufficiently high pressure on the heat-resistant mold or a part of the heat-resistant mold, thereby to densify the metal-containing material in the mold.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Abbildung. Dabei zeigt

Fig. 1
eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, geeignet ist.
Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows
Fig. 1
a schematically simplified view of a device according to a preferred embodiment of the present invention, which is suitable for carrying out a method for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part.

Eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils geeignet ist, umfasst eine evakuierbare Kammer 1 mit einem Vakuumsystem, mittels dessen im Inneren der evakuierbaren Kammer 1 ein Vakuum, vorzugsweise ein Hochvakuum in einer Größenordnung zwischen 10-3 und 10-7 mbar erzeugt werden kann. Das Vakuumsystem kann zum Beispiel eine Drehschieberpumpe und eine daran angeschlossene Turbomolekularpumpe umfassen. Die Drehschieberpumpe erzeugt dabei ein Vorvakuum für die Turbomolekularpumpe. Ferner sind Drucksensormittel vorgesehen, damit der Druck innerhalb der evakuierbaren Kammer 1 gemessen und kontinuierlich überwacht werden kann.An apparatus which is suitable for carrying out a method for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part, comprises an evacuable chamber 1 with a vacuum system, by means of which a vacuum, preferably a high vacuum in the order of magnitude between 10., Is provided in the interior of the evacuatable chamber 1 -3 and 10 -7 mbar can be generated. The vacuum system may include, for example, a rotary vane pump and a turbomolecular pump connected thereto. The rotary vane pump generates a pre-vacuum for the turbomolecular pump. Furthermore, pressure sensor means are provided so that the pressure within the evacuatable chamber 1 can be measured and continuously monitored.

Die Vorrichtung weist ferner eine hitzebeständige Form 2 auf, die zum Beispiel keramikhaltig und/oder graphithaltig sein kann und ein erstes (unteres) Formteil 2a mit einem Formhohlraum sowie ein zweites (oberes), relativ zum ersten Formteil 2a bewegbar geführtes Formteil 2b umfasst. Man erkennt, dass der Innendurchmesser des ersten Formteils 2a größer als der Außendurchmesser des zweiten Formteils 2b ist, so dass das zweite Formteil 2b in den Formhohlraum des ersten Formteils 2a eingeführt werden kann. Die beiden hitzebeständigen Formteile 2a, 2b sind vorzugsweise aus Beton und einem Keramikwerkstoff (zum Beispiel Al2O3) hergestellt und weisen nur eine geringe Wasserbeimengung auf.The device further comprises a heat-resistant mold 2, which may be, for example, ceramic-containing and / or graphitic, and a first (lower) mold part 2a with a mold cavity and a second (upper), relative to the first mold part 2a movably guided molding 2b includes. It can be seen that the inner diameter of the first mold part 2a is larger than the outer diameter of the second mold part 2b, so that the second mold part 2b can be inserted into the mold cavity of the first mold part 2a. The two heat-resistant molded parts 2a, 2b are preferably made of concrete and a ceramic material (for example, Al 2 O 3 ) and have only a small amount of water.

In das erste Formteil 2a ist ein Heizelement 3 eingebettet, damit das erste Formteil 2a bei der Durchführung des Verfahrens aufgeheizt werden kann. Vorzugsweise beträgt der Abstand des Heizelements 3 von der inneren Oberfläche des Formhohlraums des ersten Formteils 2a etwa 10 bis 20 mm. Das Heizelement 3 ist erforderlich, um die für die Herstellung des Werkstücks benötigte Temperatur zu erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement 3 wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel unmittelbar in die hitzebeständige Form 2 eingebettet ist. Das Heizelement 3 kann zum Beispiel ein Widerstandsheizelement oder ein Induktionsheizelement sein, wobei die letztgenannte Variante wegen kürzerer Aufheizzeiten und besserer Isolation vorteilhafter ist, wenngleich sie jedoch etwas schwieriger zu kalibrieren ist. Ferner kann eine (in Fig. 1 nicht explizit gezeigte) Kühlvorrichtung vorgesehen sein, mittels derer auch eine Kühlung des metallhaltigen Werkstücks in der Form 2 möglich ist.In the first mold part 2a, a heating element 3 is embedded, so that the first mold part 2a can be heated in the implementation of the method. Preferably, the distance of the heating element 3 from the inner surface of the mold cavity of the first mold part 2a is about 10 to 20 mm. The heating element 3 is required to reach the temperature required for the production of the workpiece. It is advantageous if the heating element 3 is embedded directly in the heat-resistant mold 2 as in the embodiment shown here. The heating element 3 may for example be a resistance heating element or an induction heating element, the latter variant being more advantageous because of shorter heating times and better insulation, although it is somewhat more difficult to calibrate. Furthermore, a (in Fig. 1 not explicitly shown), by means of which a cooling of the metal-containing workpiece in the mold 2 is possible.

In Fig. 1 ist beispielhaft eine mögliche Position des Heizelements 3 innerhalb des ersten Formteils 2a der hitzebeständigen Form 2 gezeigt. Alternativ dazu kann das erste Formteil 2a auch modular aufgebaut sein und beispielsweise eine innere Kontaktlage, daran angrenzend das Heizelement 3 und schließlich ein Isolationsschild aufweisen. Darüber hinaus ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in das erste Formteil 2a ein Temperaturerfassungsmittel 4 eingebettet, das insbesondere ein herkömmliches Thermoelement umfassen kann. Dadurch kann die Prozesstemperatur während der Durchführung des Verfahrens kontinuierlich überwacht werden. Durch das Vorsehen des mindestens einen Heizelements 3, (gegebenenfalls einer Kühlvorrichtung), des Temperaturerfassungsmittels 4 und einer Regelungseinrichtung kann die Prozesstemperatur während der Durchführung des Verfahrens sehr exakt geregelt werden.In Fig. 1 For example, a possible position of the heating element 3 within the first mold part 2a of the heat-resistant mold 2 is shown. Alternatively, the first molded part 2a may also be of modular construction and may have, for example, an inner contact layer adjacent thereto, the heating element 3 and finally an insulation shield. In addition, in the here shown Embodiment embedded in the first mold part 2a, a temperature detecting means 4, which may in particular comprise a conventional thermocouple. This allows the process temperature to be continuously monitored during the performance of the process. By providing the at least one heating element 3, (optionally a cooling device), the temperature detection means 4 and a control device, the process temperature during the implementation of the method can be controlled very precisely.

Ferner weist die Vorrichtung einen Metallzylinder 5 auf, mittels dessen ein Druck in Pfeilrichtung auf das zweite (obere) Formteil 2b ausgeübt werden kann. Die Oberfläche des Formhohlraums der hitzebeständigen Form 2 kann vorteilhaft mit einer Keramikschicht und/oder mit einer Trenn- und Schmiermittelschicht beschichtet sein. Die Keramikschicht kann zum Beispiel eine Oxidschicht (zum Beispiel aus Zirkonoxid) oder eine Karbidschicht (zum Beispiel aus Siliziumkarbid) sein. Jedes andere Keramikmaterial, das nicht mit dem heißen Metall innerhalb des Formhohlraums reagiert, kann ebenfalls verwendet werden. Die Trenn- und Schmiermittelschicht kann zum Beispiel aus Graphit, Molybdän-Disulfid, Schwefel, Phosphor, Bornitrid, Glimmer oder einem anderen Material bestehen, welches den hohen Prozesstemperaturen standhalten kann. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, ein Glaspulver als Trennmittel zu verwenden. Glas hat den Vorteil, dass sich bei hohen Temperaturen eine Glastrennschicht bildet, die nachteilige Oberflächenreaktionen mit der Umgebungsatmosphäre wirksam verhindern kann.Furthermore, the device has a metal cylinder 5, by means of which a pressure in the direction of arrow can be exerted on the second (upper) mold part 2b. The surface of the mold cavity of the heat-resistant mold 2 can advantageously be coated with a ceramic layer and / or with a release and lubricant layer. The ceramic layer may be, for example, an oxide layer (for example, zirconia) or a carbide layer (for example, silicon carbide). Any other ceramic material that does not react with the hot metal within the mold cavity may also be used. The release and lubricant layer may be, for example, graphite, molybdenum disulfide, sulfur, phosphorus, boron nitride, mica or other material that can withstand the high process temperatures. In addition, it is possible to use a glass powder as a release agent. Glass has the advantage that forms a glass separating layer at high temperatures, which can effectively prevent adverse surface reactions with the ambient atmosphere.

Ein metallhaltiger Werkstoff in Form eines metallhaltigen festen Körpers oder mindestens einer Schicht oder eines Bereichs eines metallhaltigen Pulvers oder einer metallhaltigen Pulvermischung, aus dem/der das Werkstück hergestellt werden soll, wird in den Formhohlraum des ersten Formteils 2a eingebracht und darin gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel unter Hochvakuumbedingungen mit Hilfe des mindestens einen Heizelements 3 erwärmt. Damit das Verdichten des metallhaltigen Pulvers beziehungsweise der metallhaltigen Pulvermischung so rasch wie möglich erfolgen kann, ist die Erzeugung eines Hochvakuums im Inneren der evakuierbaren Kammer 1 während des Verdichtens besonders vorteilhaft. Dadurch, dass das Erwärmen unter Hochvakuumbedingungen in der evakuierbaren Kammer 1 durchgeführt wird, kann eine Sauerstoffkontaminierung des metallhaltigen Werkstoffs wirksam verhindert, zumindest jedoch erheblich verringert werden. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung eines metallhaltigen Pulvers beziehungsweise einer metallhaltigen Pulvermischung von besonderer Wichtigkeit, um optimale Werkzeugeigenschaften zu erhalten.A metal-containing material in the form of a metal-containing solid body or at least one layer or a portion of a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture from which the workpiece is to be produced is in the Form cavity of the first mold part 2a is introduced and heated therein according to a first embodiment under high vacuum conditions using the at least one heating element 3. In order for the compaction of the metal-containing powder or of the metal-containing powder mixture to take place as quickly as possible, the generation of a high vacuum in the interior of the evacuatable chamber 1 during compaction is particularly advantageous. Characterized in that the heating is carried out under high vacuum conditions in the evacuatable chamber 1, an oxygen contamination of the metal-containing material can be effectively prevented, but at least significantly reduced. This is of particular importance when using a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture in order to obtain optimum tool properties.

Die Erzeugung eines Hochvakuums ist mit den meisten Formmaterialien, aus denen die Form hergestellt werden kann, recht schwierig, da sie insbesondere bei höheren Temperaturen zum Ausgasen neigen. Überaus wichtig ist es, möglichst keinen Sauerstoff zu haben, welcher die Qualität der Pulveroberfläche verschlechtert und das vollständige Verdichten und Diffusionsschweißen des metallhaltigen Pulvers beziehungsweise Pulvergemischs verhindert. Eine Möglichkeit, um bessere Prozessbedingungen zu erhalten, besteht darin, die hitzebeständige Form 2 in einer Reduktionsgasatmosphäre auszuhärten, um auf diese Weise sicherzustellen, dass Leerstellen innerhalb des Formmaterials mit der Reduktionsgasatmosphäre aufgefüllt werden. Alternativ dazu kann die hitzebeständige Form 2 in der evakuierbaren Kammer 1 vor dem Einfüllen des metallhaltigen Werkstoffs aufgeheizt werden, dann ein Vakuum erzeugt werden und anschließend die Kammer 1 mit einer Reduktionsatmosphäre gefüllt werden, um die Leerstellen innerhalb des Formmaterials aufzufüllen.The generation of a high vacuum is quite difficult with most mold materials from which the mold can be made, since they tend to outgas especially at higher temperatures. It is extremely important to have no oxygen as possible, which deteriorates the quality of the powder surface and prevents the complete compaction and diffusion bonding of the metal-containing powder or powder mixture. One way to obtain better process conditions is to cure the refractory mold 2 in a reducing gas atmosphere so as to ensure that voids within the molding material are filled with the reducing gas atmosphere. Alternatively, the heat-resistant mold 2 may be heated in the evacuable chamber 1 prior to filling the metal-containing material, then a vacuum is generated, and then the chamber 1 is filled with a reducing atmosphere to fill the voids within the mold material.

Um den Sauerstoffgehalt in der evakuierbaren Kammer 1 weiter zu verringern und damit die Prozessbedingungen weiter zu verbessern, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, dass mehrere Spülungen der evakuierbaren Kammer 1 mit einer Reduktionsgasatmosphäre und/oder einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden, bevor schließlich das Hochvakuum in der evakuierbaren Kammer 1 erzeugt wird. Vorteilhaft kann zwischen zwei Spülungen zumindest kurzzeitig ein Vakuum in der evakuierbaren Kammer 1 erzeugt werden.In order to further reduce the oxygen content in the evacuatable chamber 1 and thus further improve the process conditions, there is moreover the possibility that several flushes of the evacuatable chamber 1 are carried out with a reducing gas atmosphere and / or an inert gas atmosphere, before finally the high vacuum in the evacuatable Chamber 1 is generated. Advantageously, a vacuum in the evacuatable chamber 1 can be generated at least for a short time between two flushes.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird nach dem Einfüllen des metallhaltigen Werkstoffs in die hitzebeständige Form zunächst ein Vakuum in der evakuierbaren Kammer 1 erzeugt und über einen bestimmten Zeitraum tVakuum gehalten. Nach Ablauf des Zeitraums tVakuum wird in der evakuierbaren Kammer 1 eine Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre erzeugt und der metallhaltige Werkstoff erwärmt. Das Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form 2 erfolgt dann durch Heißpressen in der Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre.According to a second embodiment, after the metal-containing material has been introduced into the heat-resistant mold, a vacuum is initially generated in the evacuatable chamber 1 and held for a certain period of time t vacuum . After expiration of the period t vacuum , an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere is generated in the evacuatable chamber 1 and the metal-containing material is heated. The densification of the heated metal-containing material in the heat-resistant mold 2 is then carried out by hot pressing in the inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere.

Der metallhaltige Werkstoff wird in beiden Ausführungsbeispielen nach dem Einfüllen in den Formhohlraum des ersten Formteils 2a der hitzebeständigen Form 2 aufgeheizt und dabei gegebenenfalls in einen superplastischen Zustand versetzt, der (werkstoffabhängig) bei Temperaturen zwischen etwa 800°C und etwa 1050°C erreicht wird. Wenn der metallhaltige Werkstoff in Form eines metallhaltigen Körpers vorliegt, erfolgt das Heißpressen bevorzugt in diesem superplastischen Zustand. Das Heißpressen erfolgt vorteilhaft mit konstanter Dehnrate und einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit des Metallzylinders 5. Der Druck, welcher während des Heißpressens vom Metallzylinder 5 erzeugt wird und über das zweite Formteil 2b auf den metallhaltigen Werkstoff innerhalb des ersten Formteils 2a wirkt, kann zwischen etwa 20 MPa und etwa 250 MPa betragen. Der Druck kann dabei kontinuierlich oder nur phasenweise auf den metallhaltigen Werkstoff innerhalb der hitzebeständigen Form 2 wirken.The metal-containing material is heated in both embodiments after filling in the mold cavity of the first mold part 2a of the heat-resistant mold 2 and optionally placed in a superplastic state, which (depending on the material) is achieved at temperatures between about 800 ° C and about 1050 ° C. If the metal-containing material is in the form of a metal-containing body, the hot pressing is preferably carried out in this superplastic state. The hot pressing is advantageously carried out with a constant rate of expansion and a constant feed rate of the metal cylinder 5. The pressure which is generated during the hot pressing of the metal cylinder 5 and on the second mold part 2b on the metal-containing material within the first molding 2a may be between about 20 MPa and about 250 MPa. The pressure can act continuously or only in phases on the metal-containing material within the heat-resistant mold 2.

Wenn der metallhaltige Werkstoff in Form eines metallhaltigen Pulvers beziehungsweise einer metallhaltigen Pulvermischung vorliegt, kann das Heißpressen auch unter nicht-superplastischen Bedingungen erfolgen. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, das metallhaltige Pulvers beziehungsweise die metallhaltige Pulvermischung durch Heißpressen im superplastischen Zustand zu verdichten. Anschließend kann das metallhaltige Pulvers beziehungsweise die metallhaltige Pulvermischung über einen bestimmten Zeitraum (zum Beispiel etwa zwei Stunden) auf dessen Diffusionsbeschleunigungstemperatur erwärmt werden. Durch diese Maßnahme kann die größtmögliche Materialdichte im Werkstück erzeugt werden. Die Diffusionsbeschleunigungstemperatur ist legierungsabhängig und liegt zum Beispiel bei einem Werkzeugstahl in einer Größenordnung von etwa 1150° C. Legierungen aus Molybdän haben im Vergleich dazu eine höhere Diffusionsbeschleunigungstemperatur über 1800° C und Legierungen aus Kupfer haben eine Diffusionsbeschleunigungstemperatur, die kleiner als 900° C ist. Vorzugsweise wird die Diffusionsbeschleunigungstemperatur über einen längeren Zeitraum, üblicherweise über einen Zeitraum von mehr als 30 Minuten gehalten. Die Haltezeit, die gegebenenfalls auch mehrere Tage betragen kann, hängt insbesondere von der Diffusionsbeschleunigungstemperatur und dem ausgeübten Druck ab. Es kann auch vorgesehen sein, dass der metallhaltige Werkstoff zumindest teilweise geschmolzen wird und in einem zumindest teilweise flüssigen Zustand verdichtet wird. Der metallhaltige Werkstoff braucht nicht vollständig geschmolzen zu sein.If the metal-containing material is in the form of a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture, the hot pressing can also take place under non-superplastic conditions. However, it is particularly advantageous to densify the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture by hot pressing in the superplastic state. Subsequently, the metal-containing powder or the metal-containing powder mixture can be heated to its diffusion acceleration temperature over a certain period of time (for example about two hours). By this measure, the largest possible material density can be generated in the workpiece. The diffusion acceleration temperature is alloy-dependent and is, for example, about 1150 ° C for a tool steel. In comparison, alloys of molybdenum have a higher diffusion acceleration temperature over 1800 ° C, and alloys of copper have a diffusion acceleration temperature lower than 900 ° C. Preferably, the diffusion acceleration temperature is maintained for an extended period of time, usually over a period of more than 30 minutes. The holding time, which may possibly be several days, depends in particular on the diffusion acceleration temperature and the pressure exerted. It can also be provided that the metal-containing material is at least partially melted and compacted in an at least partially liquid state. The metal-containing material need not be completely melted.

Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass vor dem Verdichten nur eine Phase des metallhaltigen Werkstoffs geschmolzen wird. Diese Ausführungsform des Verfahrens kann für einige Anwendungszwecke vorteilhaft sein.
Es besteht zum Beispiel auch die Möglichkeit, dass in die hitzebeständige Form 2 mindestens zwei Schichten oder Bereiche mit unterschiedlichen metallhaltigen Pulvern beziehungsweise metallhaltigen Pulvermischungen eingefüllt werden. Ein Schichtaufbau mit mindestens zwei Schichten erlaubt in besonders vorteilhafter Weise die Herstellung eines Werkstücks (beispielsweise eines Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils) mit gradierten Werkzeugeigenschaften mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens. So ist es zum Beispiel möglich, Formgebungswerkzeuge beziehungsweise Formgebungswerkzeugteile mit unterschiedlichen mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften innerhalb ihres Volumens herzustellen. Eine Eigenschaftsgradierung im Volumen kann in einer, zwei oder allen drei Raumrichtungen (kontinuierlich oder diskontinuierlich) erzeugt werden. Häufig ist eine vergleichsweise harte und verschleißfeste Werkzeugoberfläche gewünscht, wohingegen ein demgegenüber weicherer Werkzeuggrundkörper ausreichend oder gegebenenfalls sogar besonders vorteilhaft ist.
For example, there is the possibility that only one phase of the metal-containing material is melted before compacting. This embodiment of the method may be advantageous for some applications.
For example, there is also the possibility that in the heat-resistant mold 2 at least two layers or areas are filled with different metal-containing powders or metal-containing powder mixtures. A layer structure with at least two layers allows the production of a workpiece (for example a forming tool or forming tool part) with graded tool properties with the aid of the method presented here in a particularly advantageous manner. For example, it is possible to produce shaping tools or forming tool parts with different mechanical and / or physical properties within their volume. A property grading in volume can be generated in one, two or all three spatial directions (continuous or discontinuous). Often, a comparatively hard and wear-resistant tool surface is desired, whereas a softer tool base body, on the other hand, is sufficient or even particularly advantageous.

Um die Kosten für das Formgebungswerkzeug beziehungsweise das Formgebungswerkzeugteil zu verringern, ist eine schichtbeziehungsweise bereichsweise unterschiedliche Materialzusammensetzung ebenfalls vorteilhaft. So können die optimalen Werkzeugeigenschaften, die normalerweise mit hohen Kosten verbunden sind, nur dort vorgesehen sein, wo sie auch tatsächlich benötigt werden. Der übrige Teil des Formgebungswerkzeugs beziehungsweise Formgebungswerkzeugteils kann aus einem Material mit ausreichenden Eigenschaften und wesentlich geringeren Materialkosten aufgebaut werden.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Prozesswärme nach dem Verdichten des metallhaltigen Werkstoffs mit Hilfe der optional vorgesehenen Kühlvorrichtung gezielt abgeführt wird. Ein Zweck einer derartigen gezielten Wärmeabfuhr kann darin bestehen, das Herstellungsverfahren insgesamt zu beschleunigen. Darüber hinaus können durch die gezielte Wärmeabfuhr die mikrostrukturellen Eigenschaften des Werkstücks eingestellt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Druck während der gezielten Abfuhr der Prozesswärme (Kühlphase) gehalten wird. Dadurch können in vorteilhafter Weise Geometrieabweichungen, insbesondere Schrumpfungen des Werkstücks, weitgehend verhindert werden. Die Kühlvorrichtung kann zum Beispiel eine Anzahl von Hohlräumen umfassen, die definiert in die hitzebeständige Form 2 eingebracht werden. Durch die Hohlräume kann ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid strömen, das mittels einer Versorgungseinrichtung gefördert werden kann, um den metallhaltigen Werkstoff in der hitzebeständigen Form 2 gezielt kühlen zu können.
In order to reduce the costs for the forming tool or the forming tool part, a layer-related or partially different material composition is also advantageous. Thus, the optimum tooling properties, which are usually associated with high costs, can be provided only where they are actually needed. The remaining part of the forming tool or forming tool part can be built from a material with sufficient properties and significantly lower material costs.
It can also be provided that the process heat is removed selectively after the densification of the metal-containing material by means of the optionally provided cooling device. One purpose of such targeted heat removal may be to speed up the overall manufacturing process. In addition, the microstructural properties of the workpiece can be adjusted by the targeted heat dissipation. It is particularly advantageous if the pressure during the targeted removal of the process heat (cooling phase) is maintained. As a result, geometry deviations, in particular shrinkages of the workpiece, can be largely prevented in an advantageous manner. The cooling device may, for example, comprise a number of cavities which are introduced into the heat-resistant mold 2 in a defined manner. Through the cavities, a liquid or gaseous cooling fluid can flow, which can be conveyed by means of a supply device in order to be able to specifically cool the metal-containing material in the heat-resistant mold 2.

Die Kühlvorrichtung kann zum Beispiel auch mindestens ein Rohr umfassen, das in die hitzebeständige Form 2 eingebettet ist und durch das ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid zirkulieren kann. Die evakuierbare Kammer 1 kann darüber hinaus auch mit dem Kühlfluid (zum Beispiel mit Stickstoff oder Argon) geflutet werden. Vorzugsweise kann das gasförmige Kühlfluid aus einem Drucktank oder einer Druckgasflasche in die Hohlräume, das Rohr oder die evakuierbare Kammer 1 einströmen, da sich das Gas bei der Ausdehnung zusätzlich weiter abkühlt. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, dass die Kühlvorrichtung einen Kühlkreislauf bildet, innerhalb dessen das Kühlfluid zirkulieren kann und innerhalb dessen beispielsweise ein Wärmetauscher oder eine Kompressionsstufe vorgesehen sein kann.The cooling device may, for example, also comprise at least one tube embedded in the heat-resistant mold 2 and through which a liquid or gaseous cooling fluid may circulate. The evacuatable chamber 1 can also be flooded with the cooling fluid (for example with nitrogen or argon). Preferably, the gaseous cooling fluid from a pressure tank or a compressed gas cylinder can flow into the cavities, the tube or the evacuatable chamber 1, since the gas additionally cools down during the expansion. In particular, there is the possibility that the cooling device forms a cooling circuit within which the cooling fluid can circulate and within which For example, a heat exchanger or a compression stage can be provided.

Claims (19)

Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer hitzebeständigen Form (2) mit einem ersten Formteil (2a) und mindestens einem zweiten Formteil (2b) in einer evakuierbaren Kammer (1), - Einfüllen eines metallhaltigen Werkstoffs in die hitzebeständige Form (2), - Erzeugen eines Vakuums in der evakuierbaren Kammer (1), - Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs, - Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form (2) durch Heißpressen unter Vakuumbedingungen. Method for producing a workpiece, in particular a shaping tool or a shaping tool part, comprising the steps: Providing a heat-resistant mold (2) with a first molded part (2a) and at least one second molded part (2b) in an evacuable chamber (1), - filling a metal-containing material in the heat-resistant mold (2), Generating a vacuum in the evacuable chamber (1), Heating the metal-containing material, - Compressing the heated metal-containing material in the heat-resistant mold (2) by hot pressing under vacuum conditions. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Spülungen der evakuierbaren Kammer (1) mit einem Reduktionsgas und/oder einem Inertgas durchgeführt wird, bevor das Vakuum in der evakuierbaren Kammer (1) erzeugt wird.A method according to claim 1, characterized in that a number of flushes of the evacuable chamber (1) with a reducing gas and / or an inert gas is carried out before the vacuum in the evacuable chamber (1) is generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der evakuierbaren Kammer (1) ein Hochvakuum erzeugt wird und das Heißpressen des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that in the evacuable chamber (1), a high vacuum is generated and the hot pressing of the heated metal-containing material is carried out under high vacuum conditions. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer hitzebeständigen Form (2) mit einem ersten Formteil (2a) und mindestens einem zweiten Formteil (2b) in einer evakuierbaren Kammer (1), - Einfüllen eines metallhaltigen Werkstoffs in die hitzebeständige Form (2), - Erzeugen eines Vakuums in der evakuierbaren Kammer (1) und Halten des Vakuums über einen Zeitraum tVakuum, - Erzeugen einer Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre in der evakuierbaren Kammer (1) nach Ablauf des Zeitraums tVakuum, - Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs, - Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form (2) durch Heißpressen in der Inertgasatmosphäre oder Reduktionsgasatmosphäre. Method for producing a workpiece, in particular a shaping tool or a shaping tool part, comprising the steps: Providing a heat-resistant mold (2) with a first molded part (2a) and at least one second molded part (2b) in an evacuable chamber (1), - filling a metal-containing material in the heat-resistant mold (2), Generating a vacuum in the evacuable chamber (1) and maintaining the vacuum for a period of time t vacuum , Generating an inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere in the evacuable chamber (1) after the expiration of the period t vacuum , Heating the metal-containing material, - Compressing the heated metal-containing material in the heat-resistant mold (2) by hot pressing in the inert gas atmosphere or reducing gas atmosphere. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der metallhaltige Werkstoff in Form mindestens einer Schicht eines metallhaltigen Pulvers oder einer metallhaltigen Pulvermischung in die hitzebeständige Form (2) eingefüllt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the metal-containing material in the form of at least one layer of a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture in the heat-resistant mold (2) is filled. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einfüllen des metallhaltigen Pulvers oder der metallhaltigen Pulvermischung mindestens zwei Schichten oder Bereiche mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung erzeugt werden.A method according to claim 5, characterized in that when filling the metal-containing powder or the metal-containing Powder mixture at least two layers or areas of different chemical composition are generated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der metallhaltige Werkstoff zumindest teilweise geschmolzen wird und in einem zumindest teilweise flüssigen Zustand verdichtet wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metal-containing material is at least partially melted and is compressed in an at least partially liquid state. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufheizen des metallhaltigen Werkstoffs ein Kaltpressschritt durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that before the heating of the metal-containing material, a cold pressing step is performed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswärme nach dem Verdichten des metallhaltigen Werkstoffs gezielt abgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the process heat is dissipated specifically after compacting the metal-containing material. Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere eines Formgebungswerkzeugs oder eines Formgebungswerkzeugteils, umfassend - eine evakuierbare Kammer (1), - eine hitzebeständige Form (2), die in der evakuierbaren Kammer (1) untergebracht ist und ein erstes Formteil (2a) und mindestens ein zweites Formteil (2b) aufweist, die einen Formhohlraum bilden, wobei ein metallhaltiger Werkstoff, insbesondere ein metallhaltiges Pulver oder eine metallhaltige Pulvermischung in den Formhohlraum einfüllbar ist, - Mittel zum Erzeugen eines Vakuums in der evakuierbaren Kammer (2), - Mittel zum Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form (2), - Mittel zum Verdichten des erwärmten metallhaltigen Werkstoffs in der hitzebeständigen Form (2) durch Heißpressen. Device for producing a workpiece, in particular a forming tool or a forming tool part, comprising an evacuable chamber (1), a heat-resistant mold (2) accommodated in the evacuable chamber (1) and having a first mold part (2a) and at least one second mold part (2b) forming a mold cavity, a metal-containing material, in particular a metal-containing powder or a metal-containing powder mixture can be introduced into the mold cavity, Means for generating a vacuum in the evacuable chamber (2), Means for heating the metalliferous material in the heat-resistant form (2), - Means for compacting the heated metal-containing material in the heat-resistant mold (2) by hot pressing. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung darüber hinaus Mittel zum Erzeugen einer Inertgasatmosphäre und/oder einer Reduktionsgasatmosphäre aufweist.Apparatus according to claim 10, characterized in that the device further comprises means for generating an inert gas atmosphere and / or a reducing gas atmosphere. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erwärmen des metallhaltigen Werkstoffs mindestens ein Heizelement (3) umfassen, das in die hitzebeständige Form (2) eingebettet ist, und dass die Vorrichtung mindestens eine Kühlvorrichtung umfasst, geeignet, den metallhaltigen Werkstoff innerhalb der hitzebeständigen Form (2) gezielt abzukühlen, wobei die Kühlvorrichtung vorzugsweise in die hitzebeständige Form (2) eingebettet ist.Device according to one of claims 10 or 11, characterized in that the means for heating the metal-containing material comprise at least one heating element (3) embedded in the heat-resistant mold (2) and in that the device comprises at least one cooling device suitable for selectively cool the metal-containing material within the heat-resistant mold (2), wherein the cooling device is preferably embedded in the heat-resistant mold (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die hitzebeständige Form (2) aus Beton, Zement oder Mörtel mit einer Beimischung mindestens eines Keramikwerkstoffs besteht.Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the heat-resistant mold (2) consists of concrete, cement or mortar with an admixture of at least one ceramic material. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton, Zement oder Mörtel einen Gehalt von mindestens 40 %, vorzugsweise von mindestens 60 %, insbesondere von mindestens 80 % Al2O3 aufweist.Apparatus according to claim 13, characterized in that the concrete, cement or mortar has a content of at least 40%, preferably of at least 60%, in particular of at least 80% Al 2 O 3 . Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Beton, Zement oder Mörtel eine Festigkeit aufweist, die höher als 150 MPa, vorzugsweise höher als 200 MPa ist.Apparatus according to claim 13 or 14, characterized in that the concrete, cement or mortar has a strength which is higher than 150 MPa, preferably higher than 200 MPa. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen mechanisch vorgespannten Armierungsring umfasst, geeignet, Druckspannungen in der hitzebeständigen Form (2) zu erzeugen.Device according to one of claims 10 to 15, characterized in that the device comprises a mechanically prestressed reinforcing ring, suitable to generate compressive stresses in the heat-resistant mold (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Formhohlraums der hitzebeständigen Form (2) zumindest abschnittsweise eine Keramikschicht und/oder eine Trenn- und Schmiermittelschicht aufweist.Device according to one of claims 10 to 16, characterized in that the surface of the mold cavity of the heat-resistant mold (2) at least partially has a ceramic layer and / or a release and lubricant layer. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die hitzebeständige Form (2) mit Metallteilchen und/oder Metallstangen und/oder Metalldrähten und/oder Metalldrahtgeweben verstärkt ist.Device according to one of claims 10 to 17, characterized in that the heat-resistant mold (2) is reinforced with metal particles and / or metal rods and / or metal wires and / or metal wire fabrics. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verdichten des metallhaltigen Werkstoffs einen Metallzylinder (5) umfassen, der mit dem zweiten Formteil (2b) der hitzebeständigen Form (2) in Wirkverbindung steht.Device according to one of claims 10 to 18, characterized in that the means for compressing the metal-containing material comprise a metal cylinder (5) which is in operative connection with the second mold part (2b) of the heat-resistant mold (2).
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