EP3590622B1 - Presshärtewerkzeug - Google Patents
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a press hardening tool having the features in the preamble of claim 1.
- a press hardening tool is for example in US 2015/246383 A1 disclosed.
- Press hardening tools are subject to high alternating thermal loads. This leads to a very limited tool life. The relatively frequent replacement of tools has a negative effect on manufacturing costs. Particularly highly stressed areas are located between the tool surface of the press hardening tool and cooling channels. The combined mechanical and thermal stress leads to premature signs of fatigue in the form of fatigue cracks. The cause of the thermal fatigue is the high temperature gradient between the tool surface and the cooling channels integrated in the tool. The closer the cooling channels are to the tool surface, the greater the temperature gradient. It is known to use composite materials for hot forming tools with a tool core and with a contact layer metallurgically connected to the tool core on a tool surface. The contact layer is designed to come into contact with a workpiece to be hot-formed.
- the tool core is made of copper or a copper alloy and has a lower wear resistance than the material of the contact layer.
- the DE 2727892 A1 discloses an alloy for hot forming tools which are said to be very wear-resistant and in particular has 90-97% tungsten and 2-10% iron and / or nickel and possibly 8% alloying elements such as chromium, molybdenum or cobalt.
- alloying elements such as chromium, molybdenum or cobalt.
- the DE 32 07 161 A1 discloses a hard material alloy for forming and cutting tools. If possible, the hard material alloy should not contain any nickel or manganese in a matrix steel alloy, because lowering the aging temperature would result in a decrease in the increase in hardness. It is therefore not a coating alloy that is to be applied to a substrate, but an alloy that forms the complete forming or cutting tool, which is produced in particular using the sintering process.
- One of the prior art is a hot-forming tool that has at least a portion of a surface coating on a tool body.
- the surface coating consists of a raised, metallic relief, which is completely or partially oxidized and converted into a protective layer.
- the tool surface is predominantly oxidic.
- the DE 10 2005 042 765 A1 discloses a further forming tool for forming a workpiece, in particular a sheet steel component.
- the molded surface shells can be made of bronze or copper. This is intended to achieve a high effective cooling capacity.
- EP 2 335 842 A2 referenced, relating to a further embodiment of a hot forming tool.
- the invention is based on the object of showing a press hardening tool which has a longer service life and thus a longer service life.
- the contact layer has at least 50% by weight of nickel or chromium.
- the holding time in the press hardening tool can be significantly reduced in contrast to press hardening tools made of steel.
- the wear of the tool surface, which occurs in the form of abrasion and adhesion, can be minimized by the coating.
- the coating preferably consists of a nickel alloy.
- the alloy in this case contains at least 50% nickel.
- One advantage of a coating made of a nickel alloy is the good thermal conductivity, so that good heat dissipation is also made possible via the coating. Furthermore, there is a significant increase in the mechanical wear resistance of the coated surfaces of the press hardening tool.
- the nickel content is preferably in a range between 65 and 95% by weight.
- the nickel alloy is an alloy that contains cobalt as a further alloy component.
- the coatings can be applied using different methods. In particular, powder flame spraying can be used.
- the layers have a very high adhesive strength and thermal shock resistance.
- the layer thicknesses should have a relatively small thickness which is preferably in the micrometer range.
- the coatings preferably have a certain ductility. Compared to a consistently hard and brittle coating, coatings with ductile properties have a lower risk of damage to the coating or cracks or microcracks occurring within the coating during operation. Cracks would increase the risk of parts of the coating flaking off under mechanical stress.
- the cooling channels could also be arranged significantly further from the tool surface.
- the temperature gradient is smaller.
- the local thermal load is reduced. This also gives the said press hardening tools a higher level of stability and a longer service life.
- Another, fundamental advantage is that by reducing the hold-open time of the press hardening tool, the economy of press hardening can be increased overall, since the press hardening process causes a not inconsiderable part of the production overheads. These press hardening process costs can be reduced by increasing the thermal conductivity.
- a high thermal conductivity of the materials used for press hardening can contribute to an increased resistance of the press hardening tool to wear and thermal fatigue and thus reduce the costs for maintenance, repair and replacement of the press hardening tools.
Landscapes
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Presshärtewerkzeug mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Solch ein Presshärtewerkzeug ist zum Beispiel in
US 2015/246383 A1 offenbart. - Presshärtewerkzeuge unterliegen hohen thermischen Wechselbeanspruchungen. Das führt zu einer sehr begrenzten Lebensdauer der Werkzeuge. Der relativ häufige Austausch der Werkzeuge wirkt sich negativ auf die Fertigungskosten aus. Besonders hoch beanspruchte Bereiche befinden sich zwischen der Werkzeugoberfläche des Presshärtewerkzeuges und Kühlkanälen. Die kombinierte mechanische und thermische Beanspruchung führt zu vorzeitigen Ermüdungserscheinungen in Form von Ermüdungsrissen. Die Ursache für die thermisch bedingte Ermüdung ist der hohe Temperaturgradient zwischen der Werkzeugoberfläche und den in das Werkzeug integrierten Kühlkanälen. Der Temperaturgradient ist umso größer, je näher sich die Kühlkanäle an der Werkzeugoberfläche befinden. Es ist bekannt, für Warmumformwerkzeuge Verbundwerkstoffe einzusetzen mit einem Werkzeugkern und mit einer mit dem Werkzeugkern metallurgisch verbundenen Kontaktschicht an einer Werkzeugoberfläche. Die Kontaktschicht ist dazu ausgebildet, mit einem warmumzuformenden Werkstück in Kontakt zu kommen. Der Werkzeugkern besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und besitzt eine geringere Verschleißbeständigkeit als der Werkstoff der Kontaktschicht.
- Es ist aus dem Stand der Technik (
US 2015/0246383 A1 ) bekannt, im Kontaktbereich zu den umzuformenden Blechen Oberflächen aus kupferhaltigen Metallwerkstoffen zu benutzen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern, während der Werkzeugkern einen geringeren Kupferanteil aufweist. - Die
DE 2727892 A1 offenbart eine Legierung für Warmumformwerkzeuge, die sehr verschleißbeständig sein sollen, und insbesondere 90-97 % Wolfram und 2-10 % Eisen und/oder Nickel und ggf. 8 % Legierungselemente wie Chrom, Molybdän oder Kobalt aufweist. Hier wir eine höhere Verschleißfestigkeit mit einer geringeren thermischen Leitfähigkeit erkauft. - Die
DE 32 07 161 A1 offenbart eine Hartstofflegierung für Umform- und Schneidewerkzeuge. Die Hartstofflegierung soll möglichst kein Nickel und kein Mangan in einer Matrixstahllegierung enthalten, weil durch die Senkung der Auslagerungstemperatur eine Verringerung der Härtesteigerung hervorgerufen würde. Es handelt sich daher auch nicht um eine Beschichtungslegierung, die auf ein Substrat aufgebracht werden soll, sondern um eine Legierung, die das komplette Umform- bzw. Schneidwerkzeug bildet, das insbesondere im Sinterverfahren hergestellt wird. - Durch die
EP 3 017 888 A1 zählt ein Warmumformwerkzeug zum Stand der Technik, das an einem Werkzeuggrundkörper wenigstens anteilig eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Die Oberflächenbeschichtung besteht aus einem erhabenen, metallischen Relief, welches ganz oder teilweise oxidiert und in eine Schutzschicht umgewandelt wird. Die Werkzeugoberfläche ist überwiegend oxidisch. - Die
DE 10 2005 042 765 A1 offenbart ein weiteres Formwerkzeug zum Formen eines Werkstückes, insbesondere eines Stahlblechbauteils. Die Formflächenschalen können aus Bronze oder Kupfer bestehen. Dadurch soll eine hohe effektive Kühlleistung erreicht werden. - Zum Stand der Technik wird ferner auf die
EP 2 335 842 A2 verwiesen, betreffend eine weitere Ausführungsform eines Warmumformwerkzeugs. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Presshärtewerkzeug aufzuzeigen, welches eine höhere Standzeit und damit eine längere Lebensdauer besitzt.
- Die Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Presshärtewerkzeug gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Der Unteranspruch betrifft vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Erfindungsgemäß besitzt die Kontaktschicht wenigstens 50 Gewichts-% Nickel, oder Chrom.
- Durch die deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (240-350 W/mK) kann die Zuhaltezeit im Presshärtewerkzeug im Gegensatz zu Presshärtewerkzeugen aus Stahl deutlich reduziert werden. Der Verschleiß der Werkzeugoberfläche, welche in Form von Abrasion und Adhäsion auftritt, kann durch die Beschichtung minimiert werden.
- Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einer Nickellegierung. Die Legierung enthält in diesem Fall wenigstens 50% Nickel. Ein Vorteil einer Beschichtung aus einer Nickellegierung ist die gute Wärmeleitfähigkeit, so dass auch über die Beschichtung ein guter Wärmeabfluss ermöglicht wird. Weiterhin ergibt sich eine wesentliche Erhöhung des mechanischen Verschleißwiderstandes der beschichteten Oberflächen des Presshärtewerkzeuges. Bei der Verwendung einer Nickellegierung für die Grundmatrix liegt der Nickelanteil vorzugsweise in einem Bereich zwischen 65 und 95 Gewichts-%. Insbesondere handelt es sich bei der Nickellegierung um eine Legierung, die als weiteren Legierungsbestandteil Kobalt enthält.
- Die Beschichtungen können mit unterschiedlichen Verfahren aufgebracht werden. Insbesondere kann das Pulverflammspritzen zum Einsatz kommen. Die Schichten besitzen eine sehr hohe Haftfähigkeit und Thermoschockbeständigkeit.
- Die Schichtdicken sollten aufgrund der Wärmeleitfähigkeit, die geringer ist als diejenige von Kupfer, eine relativ geringe Dicke aufweisen, die vorzugsweise im Mikrometerbereich liegt.
- Bevorzugt besitzen die Beschichtungen eine gewisse Duktilität. Im Vergleich zu einer durchgehend harten und spröden Beschichtung besteht durch Beschichtungen mit duktilen Eigenschaften eine geringere Gefahr, dass im Laufe des Betriebs Beschädigungen der Beschichtung auftreten oder auch Risse oder Mikrorisse innerhalb der Beschichtung auftreten. Risse würden die Gefahr eines Abplatzens von Teilstücken der Beschichtung unter mechanischer Belastung erhöhen.
- Durch den Einsatz von Kupferwerkstoffen in Kombination mit einer geeigneten Beschichtung könnten die Kühlkanäle auch deutlich weiter von der Werkzeugoberfläche angeordnet werden. Der Temperaturgradient ist kleiner. Die lokale thermische Belastung wird reduziert. Auch dadurch besitzen die besagten Presshärtewerkzeuge eine höhere Standfestigkeit und eine höhere Lebensdauer.
- Ein weiterer, grundsätzlicher Vorteil ist, dass durch die Reduzierung der Zuhaltezeit des Presshärtewerkzeuges die Wirtschaftlichkeit des Presshärtens insgesamt gesteigert werden kann, da der Presshärteprozess einen nicht unerheblichen Teil der Fertigungsgemeinkosten verursacht. Durch eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit können diese Kosten des Presshärteprozesses gesenkt werden.
- Eine hohe Wärmeleitfähigkeit der zum Presshärten verwendeten Werkstoffe kann zu einem erhöhten Widerstand des Presshärtewerkzeuges gegen Verschleiß und thermische Ermüdung beitragen und somit die Kosten für Wartung, Reparatur und Neubeschaffung der Presshärtewerkzeuge reduzieren.
Claims (2)
- Presshärtewerkzeuge aus einem Verbundwerkstoff mit einem Werkzeugkern mit einer mit dem Werkzeugkern verbundenen Kontaktschicht an einer Werkzeugoberfläche, die dazu ausgebildet ist, mit einem warm umzuformenden Werkstück in Kontakt zu kommen, wobei der Werkzeugkern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht metallurgisch mit dem Werkzeugkern verbunden ist und wenigstens 50 Gew.-% Nickel, oder Chrom enthält, wobei der Werkzeugkern eine geringere Verschleißbeständigkeit als der Werkstoff der Kontaktschicht besitzt und wobei der Werkzeugkern auf einem Werkzeugträger aus Stahl befestigt ist.
- Presshärtewerkzeuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht 65 - 95 Gew.-% Nickel oder Chrom enthält.
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