Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines warmarbeitswerkzeuges

Beschreibung

[0001] Die Herstellung von porenfreien oder fast porenfreien Vorformlingen durch Zerstäuben einer Metallschmelze und sofortiges Auffangen der Tropfen in einer Form ist bereits bekannt. Beispielsweise wird ein solches Verfahren in der_.DE-OS 25 37 103 beschrieben. Die relative Dichte dieser Vorformtinge soll mindestens 90 %, normalerweise 95 - 99 % betragen. Das bedeutet, daß die noch vorhandenen Poren miteinander nicht mehr verbunden sind. Dies ist wichtig, weil die Teile im warmen Zustand durch Schmieden, Pressen oder Strangpressen weiter verarbeitet werden sollen und das Eindringen von Sauerstoff in die Poren zu. einer unerwünschten inneren Oxidation führen würde mit der Folge einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften.

[0002] Weiterhin ist es allgemeiner Stand der Technik, poröse Fertigteile oder Halbzeuge, die einer Wärmebehandlung in einem Reaktionsgas oder im Vakuum unterworfen werden sollen, nach pulvermetallurgischen Verfahren herzustellen. Dieser Weg erfordert mindestens folgende Schritte: Herstellen des Pulvers, Verdichtung des Pulvers, Sintern des Formkörpers. Insbesondere bei der Herstellung großer Teile ist das Verdichten mit hohem apparativen Aufwand verbunden.

[0003] Ferner ist es bekannt, dem Metallpulver vor dem Pressen Hartstoffe (z.B. A1₂0₃) zuzusetzen, um verschleißfeste Formkörper herzustellen. Nachteilig ist dabei häufig ein starker Verschleiß der Preßwerkzeuge.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein verefnfachtes Verfahren, das die Herstellung eines warmarbeitswerkzeuges mit einer relativen Dichte von 70 - 90 % aus einer zerstäubten Metallschmelze erlaubt, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

[0005] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 - 10 angegebenen. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Ist im Anspruch 11 gekennzeichnet. Bevorzugte Ausführungen dieser Vorrichtung gehen aus den Ansprüchen 12 - 14 hervor.

[0006] Mit der Erfindung lassen sich große poröse warmarbeitswerkzeugeLnnittelbar durch Zerstäuben einer Metallschmelze und Auffangen der Schmelzenpartikel in einer Form herstellen. Dabei sind die Verfahrensparameter, d.h. insbesondere die Überhitzung der Schmelze, der Schmelzendurchfluß pro Zeiteinheit (der durch den Durchmesser des Schmelzentrahls bestimmt wird), die Menge, Temperatur und Geschwindigkeit des Zerstäubungsgases und der Abstand der Form von der Zerstäubungsdüse so zu wählen, daß die Schmelzenpartikel beim Auftreffen auf die unter der Zerstäubungsdüse befindliche Form bzw. auf die in der Form bereits angesammelten Schmelzenpartikel bereits soweit abgekühlt sind, daß sie eine teigige Konsistenz aufweisen. Unter "teigig" wird hierbei ein Zustand verstanden, bei dem die Partikel unter leichtem Druck noch verformbar sind, d.h. daß die Partikel bereits völlig durcherstarrt sein oder aber noch einen flüssigen Kern haben können, der allerdings so klein sein muß, daß der ihn umgebende Hüllkörper beim Auftreffen auf die Form nicht mehr zerplatzt. Dies ist erforderlich, damit das hergestellte werkzeug eine relative Dichte von 70 - 90 %, vorzugsweise 80 -85 % aufweist. Außerdem sollen die Schmelzenpartikel noch genügend Wärmeenergie besitzen, um miteinander zu verschweissen (sintern).

[0007] Die Einstellung der Partikelkonsistenz unterscheidet sich grundlegend von derjenigen zur Erzeugung von Metallpulver, bei der ein fester Partikelcharakter erforderlich ist und die Partikel möglichst wenig Wärmeenergie besitzen sollen, um ein Zusammenbacken zu verhindern.

[0008] Umgekehrt werden bei einem Verfahren entsprechend der DE-OS 25 37 103 besonders weiche Partikel erzeugt, damit sich eine möglichst hohe relative Dichte einstellt; d.h. die auf der Oberfläche der in der Form angesammelten Teilchenanhäufung entstandenen Vertiefungen und Unebenheiten müssen dabei durch die nachfolgenden Partikel weitestgehend aufgefüllt werden, damit keine miteinander verbundenen Poren entstehen.

[0009] Nach der Erfindung wird also bei der Zerstäubung der Schmelze eine Verfdhrensparameter-Kombination eingestellt, die nach dem Stand der Technik in jedem Fall zu vermeiden war.

[0010] Eine geeignete Parameter-Kombination läßt sich z.B. dadurch ermitteln, daß in Versuchen der Abstand zwischen Form und Zerstäubungsdüse bei sonst konstanten Bedingungen variiert wird. Dabei ist zu beachten, daß in der Tendenz eine höhere Überhitzung der Schmelze, eine Erhöhung der Schmelzendurchflußmenge pro Zeiteinheit, eine Erhöhung der Gastemperatur und eine Verminderung der Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Zerstäubungsgases unter sonst jeweils konstanten Bedingungen zu einer weicheren Partikelkonsistenz führen wird, also zu einer höheren relativen Dichte.

[0011] Die relative Dichte von höchstens 90 %, vorzugsweise 80 - 85 %, gewährleistet einen porösen Formkörper, dessen Poren weitestgehend miteinander in Verbindung stehen. Das ermöglicht es, den Fonnkörper, für dessen Gestaltgebung kein Preßvorgang erforderlich war, einer Reaktionsglühbehandlung zu unterziehen, bei der die angestrebten Reaktionen (z.B. Entkohlung, Oxidation, Reduktion, Aufstickung usw.) nicht nur in einem in der Tiefe eng begrenzten Oberflächenbereich, sondern wegen der offenen Porenstruktur durchgängig oder zumindest in großen Teilen seines Volumens stattfinden. Dadurch lassen sich mit durchgehender Tiefenwirkung gewünschte Werkstoffeigenschaften (z.B. Warmfestigkeit) einstellen.

[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von Werlkzeugen mit gezielt unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb des Formkörpervolumens. Dies ist z.B. dadurch möglich, daß während des Zerstäubungsvorganges zeitlich gesteuert Hartstoffe (z.B. Karbide, Nitride, Oxide usw.) der Zerstäubungsdüse zugeführt und mit dem Strom der Schmelzenpartikel in den Formkörper eingebracht werden.

[0013] Dadurch läßt sich erreichen, daß nur bestimmte Zonen mit Hartstoffen durchsetzt sind. Beispielsweise können so bei einem verschleißfesten Körper die Volumenteile, die zur Aufnahme von Befestigungselementen dienen und daher noch mechanisch zu bearbeiten sind (z.B. Gewindebohrungen), von Hartstoffen freigehalten werden, um die spätere Bearbeitung nicht zu erschweren. Es ist selbstverständlich auch möglich, den gesamten Formkörper gleichmäßig mit Hartstoffen zu durchsetzen.

[0014] In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Entstehung von Hartstoffen beim Zerstäuben der Metallschmelze und/oder während -einer Reaktionsglühbehandlung (d.h. im Formkörper selbst) zu bewirken. Hierzu können der Schmelze vor dem Zerstäuben ein oder auch mehrere Metalle (z.B. Al, Ti, Nb) zulegiert werden, die mit dem bei der Zerstäubung und/oder der Reaktionsglühung verwendeten Gas (z.B. Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoffanteil der Luft usw.) reagieren können und dabei Hartstoffe (z.B. A1203) bilden. Für die Glühbehandlung sollte der Formkörper eine relative Dichte von etwa 80 - 85 % aufweisen.

[0015] Um eine Reaktion z.B. mit dem Sauerstoff der Luft auszuschließen, wird die Zerstäubung der Metallschmelze und das Auffangen in der Form vorteilhaft in einem von der äußeren Atmosphäre abgeschlossenen Behälter vorgenommen.

[0016] Als Zerstäubungsgas können dann inerte Gase wie Argon oder auch Stickstoff verwendet werden. Sind die Anforderungen an den Reinheitsgrad der inerten Atmosphäre nicht zu groß und kann z.B. Stickstoff als Zerstäubungsgas verwendet werden, dann bietet es sich an, die Zerstäubung in einem offenen Behälter vorzunehmen, wobei eine weitgehende Abschirmung der äußeren Atmosphäre durch die Spülwirkung des ständig bei der Zerstäubung neu dem Behälter zugeführten Stickstoffs erzielt wird.

[0017] Die Einstellung unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften innerhalb des Werkzeuges ·läßt sich auch dadurch realisieren, daß der Abstand der Auffangform von der Zerstäubungsdüse im Zeitablauf verändert wird, so daß im Formkörper Schichten unterschiedlicher Dichte, also auch unterschiedlicher Porosität entstehen. Dies hat z.B. auch Einfluß auf eine sich ggf. anschließende Reaktionsglühbehandlung. Eine hohe Dichte ist in der Regel dort erwünscht, wo Befestigungselemente am Werkzeug angebracht werden sollen.

[0018] Eine gleichmäßige oder auch gezielt ungleichmäßige Füllung der Form, ggf. in Verbindung mit einer Änderung des Abstandes der Form von der Düse, läßt-sich durch Bewegen der Form unter der Düse in etwa horizontalen Richtungen bewirken. Im Prinzip wäre es auch möglich, umgekehrt die Strahlrichtung der Düse so zu verändern, daß die Auftreffzone der Schmelzenpartikel in einem gewünschten Bereich der Form liegt. Auf diese Weise kann, eventuell auch in Verbindung mit einer zeitlich dosierten Hartstoffzugabe, ein Werkzeug mit stark unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften innerhalb des Formkörpervolumens erzeugt werden.

[0019] Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkzeuge sind im Regelfall direkt als Fertigteile verwendbar oder müssen nur noch einer vergleichsweise einfachen mechanischen Bearbeitung (z.B. Sitzflächen, Bohrung) unterzogen werden. In manchen Fällen ist es jedoch wichtig, die offene Porenstruktur des Formkörpers wieder weitgehend zu beseitigen.

[0020] Dies kann durch Verdichten (z.B. durch Schmieden oder Strangpressen) oder auch durch Tränken in einem die Poren ausfüllenden Medium geschehen.

[0021] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Schotelzenbehälter auf, in dessen Boden eine Ausgießöffnung angebracht ist, unterhalb deren eine vorzugsweise ringfönnige Zerstäubungsdüse koaxial zur Ausgießöffnung angebracht ist.

[0022] Diese Düse weist einen Anschluß für das Zerstäubungsgas auf. In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, eine andere Querschnittsform der Düse (z.B. rechteckig) zu wählen, um z.ß. einen im Querschnitt schmalen aber länglichen Sprühstrahl zu erzeugen, der in der Länge etwa mit der Länge oder Breite der Form übereinstitmnt. Die Form zum Auffangen der Schtnelzenpartikel ist unterhalb der Düse auswechselbar auf einer Aufnahmevorrichtung angeordnet, die höhenverstellbar (z.B. mittels Motorantrieb) ist, um den Abstand zur Düse variieren zu können. Besonders vorteilhaft ist es, die Aufnahmevorrichtung unter der Düse schwenkbar oder verfahrbar zu gestalten, um die Auftreffzone des Sprühstrahles innerhalb der Form beliebig verändern zu können (z.B. mittels Motorantrieb). Weiterhin vorteilhaft ist es, die Düse und die Aufnahmevorrichtung mit der Form in einem an den Schmelzenbehälter dicht anschließenden Zerstäubungsbehälter anzuordnen, der von der äußeren Atmosphäre abgeschlossen ist und einen Auslaß für die Abführung des Zerstäubungsgases aufweist. Da die Kühlung der durch die Zerstäubung entstandenen Schmelzenpartikel bis zur Erstarrung in erster Linie durch wärmeabstrahlung und weniger durch Wänneabgabe an das Zerstäubungsgas erfolgt, kann es auch vorteilhaft sein, zur Beeinflussung der Erstarrungsbedingungen den Zerstäubungsbehälter mit einer zusätzlichen Kühlung in oder an seiner Wandung zu versehen.

[0023] Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Beispiels näher erläutert.

[0024] Es soll ein Fonukörper hergestellt werden, der als Warmarbeitswerkzeug starkem Verschleiß ausgesetzt ist. Das Teil hat etwa die Abmessungen 420 mm x 120 mm x 40 mm. Eine Stahl form mit den entsprechenden Innenmaßen ist in einem geschlossenen Behälter unter Luftabschluß beweglich unter einer Zerstäubungsdüse montiert. Der Abstand der Form von der ringförmigen Düse (Durchmesser 80mm) beträgt 600 mm.

[0025] Er wurde in Versuchen so ennittelt, daß die Dichte des Formkörpers etwa 6,3 g/cm beträgt, was bei dem verwendeten CrNi-Stahl einer relativen Dichte von etwa 80 % entspricht. Gleichzeitig mit dem Strahl der ca. 1540 °C warmen Stahlschmelze wird im Saugbereich der Düse kontinuierlich als Hartstoff ein feinkörniges Oxid (Al₂0₃) in einer Menge zugeführt, die etwa einem Anteil von 5 % der Stahlschmelze entspricht. Die Schmelze strömt mit etwa 0,5 kg/sek durch die Düse. Als Zerstäubungsgas wird Raumtemperatur aufweisender Stickstoff verwendet. Während der Zerstäubung wird die Form so unter, dem Strahl der Schmelzenpartikel bewegt, daß sich eine gleichmäßige Füllung der Form ergibt. Wenn der Formkörper eine Höhe von etwa 30 mn erreicht hat, wird die Zufuhr des Hartstoffes unterbrochen und der Abstand von der Düse verringert. Dadurch stellt sich im Oberteil des Formkörpers eine entsprechend höhere Dichte von etwa 90 % ein. Nach dem Füllen der Form - Formkörpergewicht etwa 12,7 kg - wird auch der Schmelzenstrahl unterbrochen. Der Formkörper bleibt noch bis etwa 400 °C unter Sauerstoffabschluß. Dann wird er in einen geschlossenen Ofen umgepackt und zuerst unter Vakuum geglüht und später unter vermindertem Stickstoffdruck (kleiner 1 bar) zur Erzielung eines warmfesten Gefüges aufgestickt. Anschließend erfolgt die mechanische Bearbeitung der nicht mit Hartstoff beladenen Auflagefläche, z.B. Planen, Bohren, Gewindeschneiden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Warmarbeitswerkzeuges, bei dem eine Schmelze aus Stahl oder Sonderlegierungen auf Ni- oder Co-Basis mittels eines Gases zerstäubt und die Schmelzenpartikel in einer Form aufgefangen werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung einer relativen Dichte im Werkzeug von 70 - 90 die Zerstäubungsbedingungen (Überhitzung der Schmelze, Durchflußmenge der Schmelze pro Zeiteinheit, Gasmenge, -geschwindigkeit, -temperatur, Entfernung der Form von der Zerstäubungsdüse) so eingestellt werden, daß die beim Zerstäuben entstandenen Schmelzenpartikel beim Auftreffen auf die Form bzw. auf die in der Form bereits angesammelten Schmelzenpartikel eine teigige Konsistenz aufweisen, daß der Zerstäubungsdüse während des Zerstäubungsvorganges zusätzlich Hartstoffe zugeführt werden und daß das Werkzeug einer Reaktionsglühung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mengenstrom der zugesetzten Hartstoffe zeitlich variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze vor dem Zerstäuben mindestens ein Metall zugesetzt wird, das mit dem Gas bei der Reaktioosglühung einen HartuLoff bildeL.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schmelze vor dem Zerstäuben mindestens ein Metall zugesetzt wird, das mit dem Zerstäubungsgas reagiert und dabei einen Hartstoff bildet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zerstäubung in einem geschlossenen Behälter durchgeführt wi rd.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Zerstäubungsgas Argon oder Stickstoff verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüch 1 - 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen der Zerstäubungsdüse und der Auffangform während der Zerstäubung zur Erzeugung zonenweise unterschiedlicher Dichten im Werkzeug variiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auftreffzone der Schmelzenpartikel innerhalb der Form im Zeitablauf verändert wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer unter der Ausgießöffnung eines Schtaelzenbehälters befestigten Zerstäubungsdüse, die an eine regelbare Gaszuleitung angeschlossen ist, und einer unterhalb der Düse auswechselbar angeordneten Form,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vorrichtung zur Veränderung des Abstandes zwischen Form und Düse vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Form auf einer unter der Düse verfahrbaren Trägervorrichtung montiert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Düse und die Form In einem von der äußeren Atmosphäre abgeschlossenen Behälter angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandung des Behälters mit einem Kühlsystem versehen ist.