WO2000010752A1 - Giesswerkzeug für das giessen von formteilen aus nicht-eisenmetallen - Google Patents

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WO2000010752A1
WO2000010752A1 PCT/EP1999/006233 EP9906233W WO0010752A1 WO 2000010752 A1 WO2000010752 A1 WO 2000010752A1 EP 9906233 W EP9906233 W EP 9906233W WO 0010752 A1 WO0010752 A1 WO 0010752A1
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WO
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casting
heavy metal
casting tool
tool according
particles
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PCT/EP1999/006233
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French (fr)
Inventor
Fidelius Greiner
Marion Von Cetto
Original Assignee
Ges. Für Wolfram Industrie Mbh
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Publication date
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/22—Dies; Die plates; Die supports; Cooling equipment for dies; Accessories for loosening and ejecting castings from dies
    • B22D17/2209—Selection of die materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/06—Permanent moulds for shaped castings
    • B22C9/061—Materials which make up the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D15/00—Casting using a mould or core of which a part significant to the process is of high thermal conductivity, e.g. chill casting; Moulds or accessories specially adapted therefor
    • B22D15/04—Machines or apparatus for chill casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
    • C22C27/04—Alloys based on tungsten or molybdenum

Definitions

  • casting tools e.g. Chill molds or casting molds are required to transfer an almost finished component.
  • Such components can be supplied as semi-finished products, as construction components, as finished parts or the like for further processing or the actual intended use.
  • the molds or casting molds required for this consist of suitable steels, i.e. from ferrous metals.
  • casting tools manufactured from these materials are often unable to cope with the heavy loads caused by intensive contact with liquid light metals. This results in damage to the surface and thus the replacement of worn casting tools. This damage manifests itself in washouts and fire cracks. Wash-out occurs due to erosion, corrosion and welding. Fire cracks are a result of thermal fatigue in the materials involved.
  • Erosion is the mechanical wear caused by the high flow velocities of light metals such as aluminum and magnesium during casting.
  • the erosion of the casting tools is all the more the less resistant the materials used are under the conditions used.
  • Ejection from the mold can then damage the mold surface.
  • the object of the invention is to remedy this.
  • tungsten, tungsten alloys, molybdenum or molybdenum alloys are used as the heavy metal.
  • the molds or casting molds can consist entirely of the high-melting heavy metal or the heavy metal alloy or of steel, the effective surfaces of which face the non-ferrous metal during the casting process are sufficiently strongly coated with the high-melting heavy metal or its alloys.
  • the alloys of tungsten consist of at least 30% tungsten (W) and moreover mainly of the alloying elements nickel (Ni), iron (Fe) and copper (Cu).
  • W tungsten
  • Ni nickel
  • Fe iron
  • Cu copper
  • the alloys of tungsten consist of at least 30% tungsten (W) and moreover mainly of the alloying elements nickel (Ni), iron (Fe) and copper (Cu).
  • the significant improvement in the weldability of aluminum castings by using the casting molds according to the invention is particularly advantageous in the manufacture of aluminum castings composed of chassis and bodies for the automotive industry.
  • Another advantage of the invention has resulted from the fact that magnesium alloys in particular can now be painted.
  • the negligible dissolution of the molding material also leads to a significant increase in the service life of the mold or casting mold during the manufacturing processes.
  • the casting tools, molds, printing and casting molds to be produced from the high-melting heavy metals can have any shape and design in accordance with the manufacturing process used and the material to be used for the manufacturing process.
  • the high-melting heavy metal alloys in particular the tungsten alloy, as a molded element or coating of the molded element or contact part to the molded part to be produced within the molded element, but instead from a sintered part , which consists of a framework of microscopic particles, in particular monocrystals of the heavy metal, which are firmly connected to one another by a binding matrix, and which also contains the heavy metal.
  • the particles or grains are spherical, ideally spherical.
  • the proportions in the shaped element or the shaped element, which consists of a heavy metal alloy, are to be selected in this case, and the sintering process is to be carried out in such a way that a shaped element with high mechanical strength and at the same time a low proportion of the alloy elements added to the heavy metal is achieved on the contact surface between the molded element and molded part.
  • the approximately spherical particles of tungsten have a diameter of 10 ⁇ m to 40 ⁇ m, in particular of 20 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the size of these particles is influenced on the one hand by the percentage (all percentages given in the present application are percentages by weight) and on the other hand by the physical parameters of the sintering process.
  • the particles for example made of tungsten, had a larger diameter, the tensile strength of the corresponding sintered part would be too low, and thus its resistance to temperature changes would decrease.
  • the size of the particles of heavy metal can be controlled by the type of sintering process.
  • alloy elements which are to be selected from elements 22 to 29 or 40 to 47 or 72 to 79 of the periodic table of the elements, and in particular from the group of Elements 25 to 29 or 46 and 78 should be selected, and if possible not include more than three alloy elements in total, so that a dense material is formed.
  • the binding matrix itself is a metal grid structure, which is made from the melt of the alloyed elements, e.g. There is nickel and iron, in which also that
  • Heavy metal is dissolved to a small extent - with tungsten up to 30% tungsten in the binding matrix. It is also possible to sinter at such low temperatures that the elements of the binding matrix do not pass into the melt, but remain in the solid phase.
  • the specified diameter size of the heavy metal particles therefore represents an optimal middle way.
  • the area portion of the heavy metal particles at the contact surface can be increased at the expense of the binding matrix portions by mechanically processing the contact area of the shaped element towards the shaped part after sintering the shaped element, for example by machining removal such as milling or grinding, but also by eroding , is processed.
  • the particles consisting of heavy metal are capped at the contact surface, so that their spherical shape has a flat surface on the contact side. Since the spherical particles build up on the outer surface of the sintering mold during sintering, the area fraction of the particles is increased compared to the binding matrix portion in the contact area compared to this initial structure, and the width of the binding matrix contact areas is thereby reduced to a maximum of 1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the large wetting angle between tungsten and the light metals such as Al and Mg in connection with the small web widths of the binding matrix prevents under-rinsing and thus the removal of heavy metal particles.
  • the heavy metal alloy can be applied to the shaped element as a thin coating, in particular in the non-solid state, i.e. powdered or liquid, or in the form of a sheet-like thin coating, depends on the deformability of the heavy metal alloy and / or its melting point compared to the melting point of the base part of the shaped element.
  • the entire shaped element is made of the tungsten alloy, or a contact part screwed to the base part (e.g. made of iron) or otherwise positively connected. It should be ensured that due to the different thermal expansion behavior of tungsten on the one hand and e.g. Iron, on the other hand, does not warp the contact part made of the heavy metal alloy when heated, which - because of the material savings in the tungsten alloy - will only be used relatively thinly, while the mechanical stability and pressure resistance are ensured by the outer base part should.
  • Fig. 2 the representation of another structure within the shaped element
  • Fig. 3 different form elements.
  • the shaped element consisting of the heavy metal alloy or the part of the shaped element which comes into contact with the shaped part 3 to be produced (contact part 5) consists of a large number of small, spherical, in particular spherical, particles 6 exists, which are held together by a binding matrix 7 filling the spaces.
  • This composite is made by sintering.
  • the particles 6 consist entirely or in particular largely of the heavy metal used, for example tungsten, while the binding matrix consists of a solid mixture of the added alloying elements, for example nickel and iron, and in turn the heavy metal used, for. B. tungsten.
  • the temperature prevailing during sintering is e.g. B. below the melting point of the heavy metal used, z. B. tungsten, but above the melting points of the other alloying elements, e.g. B. nickel and iron.
  • These alloying elements are thus in the form of a melt, which means that part of the tungsten also dissolves in the melt, so that the binding matrix is initially in total solution and solidifies when the sintering process is ended, thus forming the known molecular lattice structure of a metal alloy.
  • the spherical, in particular spherical, particles which consist exclusively of the heavy metal stick directly to one another and, additionally, the existing cavities between the particles which are formed are filled by the described binding matrix, which likewise have a very high adhesiveness to the structure made of heavy metal, a sintered body is formed whose mechanical properties, in particular tensile strength, are significantly higher than that of pure heavy metal, in particular tungsten.
  • the heavy metal content should not exceed an upper limit of 98%, better 95%.
  • the portions of the binding matrix on the contact surface are preferably funnel-shaped. At the beginning of the use of the contact part 5 or shaped element, therefore - as shown in dash-dotted lines - there is an increasing release of material from the binding matrix 7 from the contact surface 10, so that here cavities are formed in the contact surface 10 in the region of the binding matrix 7 will be done.
  • FIG 3a shows a casting mold with its mold halves 1a, 1b.
  • Each mold half 1a, 1b consists on the one hand of a contact part 5a, 5b facing the cavity for the later molded part 3, which is reinforced on its rear side by a corresponding base part 4a, 4b.
  • the base part 4a, 4b can consist of iron or steel material, while the contact part 5a, 5b consists of the heavy metal alloy according to the invention.
  • the two parts preferably lie against one another along a flat or at least straight in one direction contact surface 8 and are connected to one another in a form-locking or material-locking manner.
  • Fig. 3b shows a mold 2 for the continuous casting of z. B. aluminum.
  • the base part 4 surrounding the continuous casting opening again consists of the heavy metal alloy according to the invention, but its wall thickness is again kept thin, since it is supported on the outside by a surrounding base part 4, which can be made of iron or steel.
  • the connection between the two parts can be made in the same way as for casting molds.
  • 3c shows an example of a mold half again, for example 1a, of a casting mold, which in turn consists of contact part 5 and base part 4 made of heavy metal alloy on the one hand and iron or steel on the other hand.
  • the contact surface 8 is channel-shaped with a hat-shaped cross section.
  • the heavy metal alloy used for contact part 5, for example tungsten alloy is only flexible to a limited extent, even when used as flat strip material or sheet metal, so that the radii of curvature of the contact surface 6 must be based on this flexibility of the heavy metal alloy and must not be too small.
  • a strip material with a constant thickness made of the heavy metal alloy is preferably used and applied to the base part 4, the thickness of the strip material used being so large that the cross section of the contact surface 10 to be produced is still completely within the cross section of the strip material 9.
  • the contact surface 10 is then produced in the desired shape by spark erosion or machining.

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Abstract

Beim Gießen von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, beispielsweise aus den Leichtmetallen Aluminium oder Magnesium, treten Probleme hinsichtlich der Lackierfähigkeit oder Schweißfähigkeit dieser gegossenen Formteile auf, sofern die Gießwerkzeuge, z.B. die Gießform, aus Eisen besteht. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Gießwerkzeuge, z.B. die Gießform, aus einer Schwermetalllegierung, beispielsweise einer Wolframlegierung, herzustellen oder damit auf der Kontaktseite zum Formteil hin zu beschichten. Insbesondere wird die Schwermetalllegierung dabei als gesintertes Formteil vorliegen, die auf der Kontaktseite nachträglich bearbeitet, insbesondere mechanisch bearbeitet, insbesondere spanend, bearbeitet wird.

Description

Gießwerkzeug für das Gießen von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen
I. Technischer Hintergrund
Für das Herstellen von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium, durch Gießen werden Gießwerkzeuge, z.B. Kokillen oder Gieß-Formen benötigt, um ein nahezu fertiges Bauteil überführen zu können.
Solche Bauteile können als Halbzeuge, als Konstruktionsbauteile, als Fertigteile oder ähnliches der Weiterverarbeitung oder dem eigentlichen Gebrauchszweck zugeführt werden. Die hierzu benötigten Kokillen oder Gieß-Formen bestehen aus geeigneten Stählen, d.h. aus Eisenmetallen.
Es hat sich gezeigt, dass Gießwerkzeuge (Kokillen, Tiegel, Ansaugrohre, Pyrometer-Schutzrohre usw.) aus diesen Werkstoffen den großen Belastungen durch den intensiven Kontakt mit flüssigen Leichtmetallen oft nicht gewachsen sind. Schäden an der Oberfläche und damit der Austausch verschlissener Gießwerkzeuge sind die Folge. Diese Schäden äußern sich in Auswaschungen und Brandrissen. Auswaschungen entstehen durch Erosion, Korrosion und Anschweißungen. Brandrisse sind eine Folge thermischer Ermüdung der beteiligten Werkstoffe.
Als Erosion bezeichnet man den mechanischen Verschleiß, welcher durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten von Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium beim Gießen hervorgerufen wird. Die Erosion der Gießwerkzeuge ist um so geringer je widerstandsfähiger die verwendeten Werkstoffe unter den eingesetzten Bedingungen sind.
Der Begriff Korrosion faßt alle physikalischen Effekte zusammen, welche das Auflösen der Gießwerkzeuge begünstigen. Diesem Mechanismus liegt die Tatsache zugrunde, daß die meisten Legierungselemente des Stahls in den Leichtmetallen Aluminium und Magnesium löslich sind. Diese Auflösung führt mit der Zeit zu einem erheblichen Materialabtrag.
Zu Anschweissungen oder auch zum Verkleben kommt es, wenn ein
Leichtmetallgussstück im Kontakt mit der Formoberfläche erstarrt. Beim
Auswerfen aus der Form können dann Schäden an der Formoberfläche entstehen.
Mit den Auswaschungen ist eine Materialverschleppung in daß Gussteil verbunden. Diese Verunreinigungen können schwerwiegende Konsequenzen haben.
Es hat sich nun gezeigt, dass Bauteile aus Nicht-Eisenmetallen insbesondere aus Aluminium oder Magnesium und deren Legierungen, die mittels solcher Kokillen und Formen hergestellt worden sind, bei der Weiterverarbeitung - insbesondere im Automobilbau -, zu erheblichen Schwierigkeiten führen und darüber hinaus eine starke Korrosionsneigung zeigen.
So lassen sich z.B. zwischen aus Aluminium gegossenen Karosserieteilen auf einfache Weise keine dauerhaft festen Schweißverbindungen herstellen. Eine weitere Schwierigkeit hat sich beim Lackieren von aus Magnesium oder Magnesium-Legierungen bestehenden Fertigteilen, wie sie insbesondere für Automobile z.B. in der Form von Tür- und Kofferdeckelgriffen benötigt werden, ergeben; solche Teile nehmen beim Lackieren nur teilweise die aufgebrachten Farben an und korrodieren nach ihrer Herstellung sehr rasch. a) Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausgehend von der durch viele Versuche ermittelten Erkenntnis, dass ursächlich für die eingangs genannten Schwierigkeiten das Verschleppen und Auswaschen von Legierungsbestandteilen aus der Kokille oder Form beim Gießvorgang der Nicht-Eisenmetalle und deren Überführung in die Oberflächenschicht des jeweiligen Gussteiles oder Spritzgussteiles ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch die Verwendung von hochschmelzenden Schwermetallen als Werkstoff zur Herstellung von Gießformen für das Gießen von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden als Schwermetall Wolfram, Wolfram-Legierungen, Molybdän oder Molybdän-Legierungen verwendet.
Hierbei können die Kokillen oder Gießformen vollständig aus dem hochschmelzenden Schwermetall oder der Schwermetall-Legierung oder aber aus Stahl bestehen, deren wirksame während des Gießvorganges dem Nicht- Eisenmetall zugewandten Flächen mit dem hochschmelzenden Schwermetall oder dessen Legierungen ausreichend stark beschichtet sind.
Erfindungsgemäß bestehen die Legierungen des Wolfram aus mindestens 30% Wolfram (W) und darüber hinaus hauptsächlich aus den Legierungselementen Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu). Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Gießwerkzeuge kommt es nicht, zumindest aber nur zu geringen Auswaschungen und Brandrissen des Gießwerkzeugwerkstoffs. Hierfür sind mehrere Eigenschaften des Werkstoffs verantwortlich. Durch seine hohe Warmhärte und gute Anlassbeständigkeit setzt er dem mechanischen Verschleiß durch strömende flüssige Metalle einen hohen Widerstand entgegen. Es treten deshalb deutlich weniger Erosionserscheinungen auf als bei Verwendung herkömmlicher Werkstoffe. Die Schwermetalle, insbesondere Wolfram und Molybdän, gehen bei den verwendeten Gießtemperaturen und -zeiten in nur sehr geringen Mengen in Lösung, so dass kaum Korrosion zu beobachten ist. Zusätzlich behindert die bei den verwendeten Gießtemperaturen in geringem Maße stattfindende Oxidation der Schwermetalle das Anschweißen der Leichtmetalle an die Gießform. Eine Beschädigung der Gießform durch Anschweißen wird hierdurch wirksam verhindert. Seine Struktur und seine mechanischen Eigenschaften aber auch seine vergleichsweise geringe Wärmeausdehnung machen den Werkstoff zudem sehr beständig gegen thermische Ermüdung. Er ist deshalb kaum anfällig gegen Brandrisse.
Dies hat zur Folge, dass das zur Herstellung der Formteile verwendete Leichtmetall nicht oder nur sehr gering verunreinigt wird und die Kokille bzw. die Form nicht oder nur wenig verschleißt.
Somit lassen sich Leichtmetall-Gusslegierungen mit höherer Reinheit als bisher möglich herstellen. Es hat sich gezeigt, dass damit die Schweißbarkeit von Leichtmetall-Legierungen deutlich verbessert und gleichzeitig die Korrosionsneigung stark vermindert wird.
Die deutliche Verbesserung der Schweißbarkeit von Aluminiumgussteilen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Gießformen ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Aluminiumgussteilen zusammengesetzten Chassis und Karosserien für den Automobilbau. Ein weiterer Vorteil der Erfindung hat sich daraus ergeben, dass insbesondere Magnesium-Legierungen nunmehr lackierbar werden. Die verschwindend geringe Anlösung des Formwerkstoffes führt zudem zu einer signifikanten Standzeiterhöhung der Kokille bzw. Gießform während der Herstellungsprozesse.
Die aus den hochschmelzenden Schwermetallen herzustellenden Gießwerkzeuge, Kokillen, Druck- und Gießformen können jede beliebige Form und Ausbildung entsprechend dem angewendeten Herstellungsprozess und dem für den Herstellungsprozess zu verwendenden Werkstoff aufweisen.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die hochschmelzenden Schwermetall-Legierungen, insbesondere die Wolfram-Legierung, als Formelement bzw. Beschichtung des Formelementes oder Kontaktteil zum herzustellenden Formteil hin innerhalb des Formelementes nicht als gegossenes Teil zu verwenden, sondern stattdessen aus einem gesinterten Teil, welches aus einem Gerüst aus mikroskopisch kleinen Partikeln, insbesondere Monokristallen des Schwermetalls besteht, die durch eine Bindematrix fest miteinander verbunden sind, und die ebenfalls das Schwermetall enthält.
Die Partikel bzw. Körner (Monokristalle) sind dabei sphärisch, idealerweise kugelförmig.
Die Mengenverhältnisse im Formelement, bzw. dem Formelement, welches aus einer Schwermetall-Legierung besteht, sind dabei so zu wählen, und das Sinter- Verfahren ist dabei so durchzuführen, dass ein Formelement mit hoher mechanischer Festigkeit und gleichzeitig geringem Mengenanteil der dem Schwermetall beigefügten Legierungselemente an der Kontaktfläche zwischen Formelement und Formteil erzielt wird.
Insbesondere bei Wolfram als verwendetem Schwermetall ist dies erzielbar, wenn die etwa kugelförmigen Partikel aus Wolfram einen Durchmesser von 10 μm bis 40 μm, insbesondere von 20 μm bis 30 μm besitzen. Die Größe dieser Partikel wird einerseits durch die prozentualen (alle in der vorliegenden Anmeldungen angegebenen Prozentangaben sind Gewichtsprozente) und andererseits durch die physikalischen Parameter des Sinter-Vorganges beeinflusst.
Würden die Partikel, beispielsweise aus Wolfram, einen größeren Durchmesser besitzen, so würde die Zugfestigkeit des entsprechenden Sinter-Teiles zu gering werden, und damit seine Temperaturwechselbeständigkeit abnehmen.
Mit sinkendem Durchmesser der Partikel steigt zunehmend die Gefahr des Herauslösens solcher z.B. Wolfram-Partikel aus dem gesinterten Formelement beim Gießen des Formteiles aus der Kontaktfläche heraus mit der Folge einer Einlagerung in die oberflächennahen Bereichen des Formteiles. Diese Verunreinigung würde wieder zu Undefinierten Veränderungen des Korrosionsverhaltens, der Abriebfestigkeit, der spanenden Bearbeitbarkeit und der Lackierfähigkeit führen.
Da beim Sintern die Korngröße zunimmt, je länger die Zeitdauer des Sintems ist, und je höher die Temperatur ist, bei der das Sintern stattfindet, kann durch die Art des Sintervorganges die Größe der Partikel aus Schwermetall gesteuert werden.
Dabei muss zusätzlich berücksichtigt werden, dass der Sintervorgang in Abhängigkeit von der Zugabe an Legierungselementen, die ja aus den Elementen 22 bis 29 bzw. 40 bis 47 bzw. 72 bis 79 des Periodensystems der Elemente gewählt werden sollen, und dabei insbesondere aus der Gruppe der Elemente 25 bis 29 bzw. 46 und 78 gewählt werden sollen, und nach Möglichkeit nicht mehr als drei Legierungselemente in der Summe umfassen, so geführt wird, daß ein dichter Werkstoff entsteht.
Die Bindematrix selbst ist ein Metallgittergefüge, welches aus der Schmelze der zulegierten Elemente, z.B. Nickel und Eisen besteht, in welcher auch das
Schwermetall in geringem Maße gelöst wird - bei Wolfram bis zu 30% Wolfram in der Bindematrix. Es ist auch ein Sintern bei so niedrigen Temperaturen möglich, daß die Elemente der Bindematrix dabei nicht in Schmelze übergehen, sondern in fester Phase verbleiben.
Beim Herstellen von Formteilen aus Aluminium sollte insbesondere auf Kupfer als Bestandteil der Legierung verzichtet werden, da Kupfer gleichzeitig im Formteil aus Aluminium vorliegt, und deshalb zum Eingehen einer Verbindung mit dem Formteil neigt.
Neben dem Nachteil der abnehmenden Zugfestigkeit bei zu großen Partikel- durchmessern aus Schwermetall vergrößert sich auch der Durchmesser derjenigen Kontaktflächen, die durch die Bindematrix erzeugt werden. Je kleiner diese Bindematrix-Kontaktflächen sind, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass durch mechanische Abrasion, Haftenbleiben am Formteil u.a. Partikel aus der Bindematrix herausgelöst und im Formteil in oberflächennahen Bereichen eingelagert werden.
Die angegebene Durchmessergröße der Schwermetall-Partikel stellt daher einen optimalen Mittelweg dar.
Weiterhin kann an der Kontaktfläche der Flächenanteil der Schwermetall-Partikel zu Lasten der Bindematrix-Anteile vergrößert werden, indem die Kontaktfläche des Formelementes zum Formteil hin nach dem Sintern des Formelementes mechanisch bearbeitet werden, beispielsweise durch spanende Abnahme wie Fräsen oder Schleifen, aber auch durch Erodieren, bearbeitet wird.
Dadurch werden die aus Schwermetall bestehenden Partikel an der Kontaktfläche gekappt, so dass deren sphärische Form auf der Kontaktseite eine ebene Fläche aufweist. Da beim Sintern sich die sphärischen Partikel an die Außenfläche der Sinterform anlegen, wird gegenüber dieser Ausgangsstruktur der Flächenanteil der Partikel gegenüber dem Bindematrixanteil in der Kontaktfläche vergrößert, und dadurch auch die Breite der Bindematrix-Kontaktflächen auf maximal 1 μm bis 5 μm verringert. Der große Benetzungswinkel zwischen Wolfram und den Leichtmetallen wie AI und Mg in Verbindung mit den geringen Stegbreiten der Bindematrix verhindert ein Unterspülen und damit das Herauslösen von Schwermetallpartikeln.
Ob die Schwermetall-Legierung auf dem Formelement als dünne, insbesondere im nicht-festen Zustand aufgebrachte, also pulverisierte oder flüssige, Beschichtung aufgebracht werden kann, oder in Form eines blechartigen dünnen Überzuges, hängt von der Verformbarkeit der Schwermetall-Legierung und/oder deren Schmelzpunkt im Vergleich zum Schmelzpunkt des Basisteiles des Formelementes ab.
Bei Verwendung von Wolfram als Schwermetall auf einem Basisteil aus Eisen ist wegen des vergleichsweise niedrigen Schmelzpunktes von Eisen im Vergleich zu Wolfram ein Aufschweißen des Wolframs weder in flüssigem noch im pulverisierten Zustand (durch Sintern) möglich, wohl aber durch thermisches Spritzen, wie z. B. Plasmaspritzen.
Vorzugsweise besteht daher bei Wolfram als Schwermetall-Bestandteil entweder das gesamte Formelement aus der Wolfram-Legierung, oder ein mit dem Basisteil (z.B. aus Eisen) verschraubtes oder anderweitig formschlüssig verbundenes Kontaktteil. Dabei ist darauf zu achten, dass aufgrund des unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens von Wolfram einerseits und z.B. Eisen andererseits keine Verwerfung des aus der Schwermetall-Legierung bestehenden Kontaktteiles bei Erhitzen erfolgt, welches ja - aus Gründen der Materialersparnis bei der Wolfram-Legierung - nur relativ dünn dimensioniert verwendet werden wird, während die mechanische Stabilität und Druckfestigkeit durch das außen anliegende Basisteil gewährleistet werden soll.
c) Ausführungsbeispiele Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Schnittdarstellung durch den Kontaktbereich zwischen Formelement und Formteil,
Fig. 2: die Darstellung eines anderen Gefüges innerhalb des Formelementes und
Fig. 3: unterschiedliche Formelemente.
In Fig. 1 ist zu erkennen, dass das aus der Schwermetall-Legierung bestehende Formelement bzw. der Teil des Formelementes, der mit dem herzustellenden Formteil 3 in Kontakt gerät (Kontaktteil 5), aus einer Vielzahl von kleinen, sphärischen, insbesondere kugelförmigen Partikeln 6 besteht, die durch eine die Zwischenräume ausfüllende Bindematrix 7 zusammengehalten werden.
Dieser Verbund ist durch Sintern hergestellt. Die Partikel 6 bestehen vollständig oder insbesondere weitestgehend aus dem verwendeten Schwermetall, beispielsweise Wolfram, während die Bindematrix aus einem Feststoffgemisch aus den zugegebenen Legierungselementen, beispielsweise Nickel und Eisen, sowie wiederum dem verwendeten Schwermetall, z. B. Wolfram besteht.
Die beim Sintern herrschende Temperatur liegt z. B. unter dem Schmelzpunkt des jeweils verwendeten Schwermetalls, z. B. Wolfram, jedoch über den Schmelzpunkten der anderen Legierungselemente, z. B. Nickel und Eisen. Diese Legierungselemente liegen somit als Schmelze vor, wodurch auch ein Teil des Wolframs in der Schmelze in Lösung geht, so dass die Bindematrix zunächst insgesamt in Lösung vorliegt und beim Beenden des Sintervorganges erstarrt und damit die bekannte molekulare Gitterstruktur einer Metall-Legierung bildet. Dadurch, dass die ausschließlich aus dem Schwermetall bestehenden sphärischen, insbesondere kugeligen Partikel direkt miteinander verkleben und zusätzlich die bestehenden Hohlräume zwischen den sich bildenden Partikeln durch die beschriebene Bindematrix ausgefüllt werden, die ebenfalls eine sehr hohe Adhäsionsfähigkeit gegenüber dem Gerüst aus Schwermetall aufweisen, entsteht ein Sinterkörper, dessen mechanische Eigenschaften, insbesondere Zugfestigkeit deutlich über der des reinen Schwermetalls, insbesondere Wolfram, liegt.
Da Dehnung und Zugfestigkeit mit steigendem Schwermetallgehalt abnehmen und damit die Sprödheit zunimmt, sollte der Gehalt an Schwermetall eine Obergrenze von 98%, besser 95%, nicht überschreiten.
Wie in Fig. 1 an der mechanisch bearbeiteten, beispielsweise gefrästen, Kontaktfläche 10 zum Formteil 3, welches beispielsweise aus Aluminium gegossen wird, zu erkennen ist, bildet sich aufgrund der Temperatur von ca. 700° des eingegossenen Aluminiums an der Oberfläche der Partikel 6 eine dünne Schicht aus einem oder mehreren Oxiden des Schwermetalles, beispielsweise WO2, WO3, aus, die gegenüber dem Formteil 3 als Trennmittel wirkt.
Da durch die mechanische Bearbeitung der Kontaktfläche 10 die sphärischen bis runden Partikel 6 an der Kontaktfläche eingeebnet werden, wird hierdurch deren Flächenanteil vergrößert und demgegenüber der Flächenanteil an Bindematrix 7 an der Kontaktfläche 10 verringert. Darüber hinaus sind die Bindematrix-Anteile an der Kontaktfläche in die Tiefe betrachtet vorzugsweise trichterförmig ausgebildet. Zu Beginn der Benutzung des Kontaktteiles 5 bzw. Formelementes wird daher - wie in strichpunktierten Linien dargestellt - eine zunehmende Auslösung von Material aus der Bindematrix 7 von der Kontaktfläche 10 her stattfinden, so dass hier eine Ausbildung von Kavitäten in der Kontaktfläche 10 im Bereich der Bindematrix 7 erfolgen wird.
Dadurch wird jedoch gleichzeitig das zur Kontaktfläche 10 hin frei verfügbare Material der Bindematrix 7 immer weniger und damit geht auch die Auslösung und Abwanderung in das Formteil 3 hinein immer langsamer vor sich, mit zunehmendem Gebrauch des Formelementes, ohne dass gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit eines Ausbrechens von Partikeln 6, die direkt an der Kontaktfläche 10 liegen, dramatisch zunimmt.
Fig. 3 zeigt unterschiedliche Formelemente:
In Fig. 3a ist eine Gießform mit ihren Formhälften 1a, 1 b dargestellt. Dabei besteht jede Formhälfte 1a, 1b einerseits aus einem dem Hohlraum für das spätere Formteil 3 zugewandten Kontaktteil 5a, 5b, welches auf seiner Rückseite durch ein entsprechendes Basisteil 4a, 4b verstärkt wird. Das Basisteil 4a, 4b kann aus Eisen oder Stahlwerkstoff bestehen, während das Kontaktteil 5a, 5b aus der erfindungsgemäßen Schwermetall-Legierung besteht. Die beiden Teile liegen vorzugsweise entlang einer ebenen oder zumindest in einer Richtung geraden Berührungsfläche 8 aneinander an und sind formschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
Dadurch ist es möglich, das Basisteil 4 relativ schwach zu dimensionieren und damit den Materialbedarf an der Schwermetall-Legierung zu reduzieren.
Demgegenüber zeigt Fig. 3b eine Kokille 2 für das Stranggießen von z. B. Aluminium. Das die Stranggussöffnung umgebende Basisteil 4 besteht wiederum aus der erfindungsgemäßen Schwermetall-Legierung, ist jedoch in seiner Wandstärke wiederum dünn gehalten, da es auf der Außenseite durch ein umgebendes Basisteil 4, welches aus Eisen oder Stahl bestehen kann, abgestützt wird. Die Verbindung zwischen den beiden Teilen kann analog wie bei Gießformen erfolgen.
Fig. 3c zeigt beispielhaft im Detail nochmals eine Formhälfte, z.B. 1a einer Gießform, die wiederum aus Kontaktteil 5 und Basisteil 4 aus Schwermetall- Legierung einerseits und Eisen oder Stahl andererseits besteht. Die Kontaktfläche 8 ist dabei rinnenförmig mit hutförmigem Querschnitt ausgebildet. Die für das Kontaktteil 5 verwendete Schwermetall-Legierung, z.B. Wolfram-Legierung, ist - auch bei Verwendung als Flachbandmaterial oder Blech - nur begrenzt biegsam, so dass die Krümmungsradien der Kontaktfläche 6 auf diese Biegsamkeit der Schwermetall-Legierung abgestellt sein muss und nicht zu klein sein dürfen. Dabei wird vorzugsweise ein Bandmaterial mit gleichbleibender Dicke aus der Schwermetall-Legierung verwendet und auf das Basisteil 4 aufgebracht, wobei die Dicke des verwendeten Bandmaterials so groß ist, dass der Querschnitt der herzustellenden Kontaktfläche 10 noch vollständig innerhalb des Querschnittes des Bandmaterials 9 liegt.
Anschließend erfolgt durch Funkenerodieren oder spanende mechanische Bearbeitung die Herstellung der Kontaktfläche 10 in der gewünschten Form.
BEZUGSZEICHENLISTE
1a ,b Gießform
2 Kokille
3 Formteil
4 Basisteil
5 Kontaktteil
6 Partikel
7 Bindematrix
8 Berührungsfläche
9 Bandmaterial 10 Kontaktfläche

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Gießwerkzeug wie Formelement, Ansaugrohr, Tiegel, zum Herstellen von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium, mittels Strangguss, Kokillenguss oder Druckguss, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug wenigstens auf den das herzustellende Formteil kontaktierenden Seiten aus einer Schwermetall-Legierung, insbesondere einer Schwermetall-Legierung mit hochschmelzendem Schwermetall, insbesondere aus einer Wolfram- oder Molybdän-Legierung, besteht.
2. Gießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug eine Gießform (1a, 1b) ist.
3. Gießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug eine Kokille (2) ist.
4. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwermetall-Legierung ausschließlich aus dem entsprechenden Schwermetall besteht.
5. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwermetall-Legierung 30% bis 98%, insbesondere 90% bis 95% an Schwermetall, insbesondere an Wolfram, und den Rest Legierungselemente enthält.
6. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwermetall-Legierung mindestens 90% Wolfram und maximal 10% Legierungselemente enthält.
7. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Legierungselemente die chemischen Elemente der Spalten 5 bis 11 aus der 4. bis einschließlich 7. Zeile des Periodensystems Verwendung finden, und insbesondere die Elemente Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Palladium und Platin.
8. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug vollständig aus der Schwermetall-Legierung besteht, und insbesondere die Schwermetall-Legierung als Sinter-Element vorliegt.
9. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (4) und Kontaktteil (5) flächig miteinander verbunden, insbesondere durch Form- oder Stoffschluß, insbesondere verschweißt, sind.
10. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug aus einem Basisteil (4) auf der vom Formteil abgewandten Seite und einem Kontaktteil (5) aus der Schwermetall-Legierung auf der das Formteil (3) kontaktierenden Seite gebildet ist.
11. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (4) in Form einer Oberflächenbeschichtung auf dem Kontaktteil (5) hergestellt ist.
12. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (4) und das Kontaktteil (5) formschlüssig, insbesondere mittels Verschraubung, miteinander verbunden sind.
13. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktteil (5) nach der Verbindung mit dem Basisteil (4) auf der Kontaktseite zum Formteil hin oberflächenbearbeitet, insbesondere spanend bearbeitet oder erodiert, ist.
14. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Schwermetall-Legierung, insbesondere Wolfram-Legierung, bestehende Kontaktteil (5) bzw. gesamte Gießwerkzeug aus sphärischen, insbesondere kugelförmigen, Partikeln (6) aus Schwermetall sowie in den Zwischenräumen zwischen den Partikeln aus einer Bindematrix (7) besteht, deren Gemisch ebenfalls das Schwermetall enthält.
15. Gießwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sphärischen Partikel einen Durchmesser von 10 μm bis 40 μm, insbesondere von 20 μm bis 30 μm aufweisen, und der Schwermetallgehalt der Bindematrix (7) zwischen 0% und 30% und 100%, insbesondere zwischen 20% und 30%, beträgt.
16. Verfahren zum Herstellen von Gießwerkzeugen, welche zur Herstellung von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, insbesondere aus Aluminium oder
Magnesium, mittels Kokillenguß, Strangguss oder Druckguss dienen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug wenigstens auf der dem herzustellenden Formteil (3) zugewandten Kontaktseite durch Sintern einer Schwermetall-Legierung, insbesondere einer Wolfram-Legierung, erzielt wird, das nach dem Sintern ein Gefüge aus Partikeln, die aus dem Schwermetall bestehen und einer Bindematrix, die die Partikel (6) miteinander verbindet, und die ebenfalls das Schwermetall enthält, besteht.
17. Verfahren zum Herstellen von Gießwerkzeugen, welche zur Herstellung von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, insbesondere aus Aluminium oder Magnesium, mittels Kokillenguß, Strangguss oder Druckguss dienen, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (6) sphärische Partikel, insbesondere kugelförmige Partikel sind.
18. Verfahren zum Herstellen von Gießwerkzeugen, welche zur Herstellung von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, insbesondere aus Aluminium oder
Magnesium, mittels Kokillenguß, Strangguss oder Druckguss dienen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Partikel (6) zwischen 10 μm bis 40 μm, insbesondere zwischen 20 μm und 30 μm, liegen.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei aus Aluminium herzustellenden Formteile die Schwermetall-Legierung und somit auch die Bindematrix möglichst wenig, insbesondere kein, Kupfer enthält.
20. Verwendung von hochschmelzenden Schwermetallen, insbesondere von Wolfram, als Werkstoff zur Herstellung von Gießwerkzeugen, welche zum Herstellen von Formteilen aus Nicht-Eisenmetallen, insbesondere Aluminium oder Magnesium, mittels Strangguss, Druckguss oder Kokillenguss benutzt werden.
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