PROCESS AND APPARATUS FOR THE MANUFACTURING OF HOT-WORKING TOOLS

Abstract: 1. A process for producing a hot-working tool, in which a molten metal of steel or special alloys based on Ni or Co is atomised by means of a gas and the particles of molten metal are collected in a mould, characterised in that in order to achieve a relative density in the tool of 70-90% the atomisation conditions (superheating of the molten metal, throughflow rate of the molten metal per unit of time, quantity of gas, gas velocity, gas temperature, removal of the mould from the atomisation nozzle) are set in such a manner that the particles of molten metal produced during atomisation have a pasty consistency when they hit the mould or the particles of molten metal already collected in the mould, that in addition hard substances are supplied to the atomisation nozzle during the atomisation process and that the tool is subjected to reaction annealing.

Description: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Warmarbeitswerkzeuges gyiE dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Herstellung von porenfreien oder fast porenfreien Vorform lingen durch Zerstäuben einer Metallschmelze und sofortiges Auf fangen der Tropfen in einer Form ist bereits bekannt. Belspiels- weise wird ein solches Verfahren in der#DE-OS 25 37 103 beschrieben. Die relative Dichte dieser Vorformlinge 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 oaer 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. Weiterhin ist es allgemeiner Stand der Technik, poröse Fertigteile oder Halbzeug, die einer ¯#ärmebehandlung in einem Reak tionsgas oder im Vakuum unterworfen werden sollen, nach pulvermetallurgischen Verfahren herzustellen. Dieser Weg erfordert mindestens folgende Schritte: Herstellen des Pulvers, Verdich tung des Pulvers, Sintern des Formkörpers. Insbesondere bei der Herstellung grosser Teile ist das Verdichten mit hohem apparativen Aufwand verbunden. Ferner ist es bekannt, dem Metallpulver vor den Pressen Hart stoffe (z.B. Al203 > zuzusetzen, um verschleissfeste Formkörper herzustellen. Nachteilig ist dabei häufig ein starker Verschleiss der Presswerkzeuge. Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren, das die Herstellung eines Warwrerbeitswerkzeuges mit einer relativen Dichte von 70 - 90 % aus einer zerstäubten Metallschinelze erlaubt, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäss dem Patentanspruch l. 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. Mit der Erfindung lassen sich grosse poröse WanE°teit erCesge uTattel- bar durch Zerstäuben einer Metallschmelze und Auffangen der Schmeizenpartikel in einer Form herstellen. Dabei sind die Verfahrensparameter, d.h. insbesondere die Überhitzung der Schmelze, der Schmelzendurchfluss pro Zeiteinheit (der durch den Durchmesser des Schmelzenstrahls 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 teigige 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). Die Einstellung der Partikelkonsistenz unterscheidet sich grundlegend von derjenigen zur Erzeugung von Metallpulver. bei der ein fester Partikel charakter erforderlich ist und die Partikel möglichst wenig Wärmeenergle besitzen sollen, um ein Zusammenbacken zu verhindern. 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. Nach der Erfindung wird also bei der Zerstäubung der Schmelze eine Verf#hrensparaineter-Kombination eingestellt, die nach dem Stand der Technik in jedem Fall zu vermeiden war. 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. Die relative Dichte von höchstens 90 #, vorzugsweise 80 - 85 %, gewährleistet einen porösen Formkörper, dessen Poren weitestgehend miteinander in Verbindung stehen. Das ermöglicht es, den Formkörper, 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 Vo lumens stattfin#en. Dadurch lassen sich mit durchgehender Tie fenwirkung gewünschte Werkstoffeigenschaften (z.B. Warmfestig- keit) einstellen. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von WerkalnFn mit gezielt unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb des Fonmkörpervoluncens. Dies ist z.B. dadurch moglich, 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. Dadurch lässt sich erreichen, dass nur bestimmte Zonen mit Hartstoffen durchsetzt si-nd. Beispielsweise können so bei einem ver schleissfesten Körper die Volumen teile, die zur Aufnahme von Befestigungselementen dienen und daher noch nechanisch zu bearbeiten sind (z.B-. Gewindebohrungene, von Hartstoffen freigehalten werden, um die spätere Bearbeitung nicht zu erschweren. Es ist selbstverständlich auch möglich, den gesamten Formkörper gleichmässig mit Hartstoffen zu durchsetzen. 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. Al203) bilden. Für die Glühbehandlung sollte der Formkörper eine relative Dichte von etwa 80 - 85 % aufweisen. Um eine Reaktion z.B. mit dem Sauerstoff der Luft auszuschliessen, wird die Zerstäubung der Metallschmelze und das Auffangen in der Forn vorteilhaft in einem von der äusseren Atmosphäre abgeschlossenen Behälter vorgenommen. Als Zerstäubungsgas können dann inerte Gase wie Argon oder auch Stickstoff verwendet werden. Sind die Anforderungen an den Rein heltsgrad 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. 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. 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 Strahl richtung 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. Die nach dem erfindungsgeinässen 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. Dies kann durch Verdichten (z.B. durch Schmieden oder Strangpressen) oder auch durch Tränken in einem die Poren ausfüllenden Medium gescneten. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist einen Schllelzenbehälter auf, in dessen Boden eine Ausgiessöffnung angebracht ist, unterhalb deren eine vorzugsweise ringförmige Zerstäubungsdüse koaxial zur Ausgiessöffnung angebracht ist. 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, u z.ss. einen im Querschnitt schmalen aber länglichen Sprühstrahl zu erzeugen, der in der Länge etwa mit der Länge oder Breite der Fon; über- einstimmt. Die Form zum Auffangen der Schmelzenpartikel 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 Schmeizenpartikel 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. Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand eines Beispiels näher erläutert. Es soll ein Formkörper hergestellt werden, der als Warmarbeltswerkzeug 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 80mzll) beträgt 600 mm. Er wurde in Versuchen so ennittelt, dass die Dichte des Formkör- pers etwa 6,3 g/cm beträgt, was bei dem verwendeten CrNi-Stahl einer relativen Dichte von etwa 80 % entspricht. GleichzeItig mlt dem Strahl der ca. 1540 ¯C warmen Stahlschmelze wird im Saugbereich der Düse kontinuierlich als Hartstoff ein feinkörniges Oxid (A1203) 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 mm 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 0C unter Sauerstoffabschluss. Dann wird er in einen geschlossenen Ofen umgepackt und zuerst unter Vakuum geglüht und später unter vermindertem Stickstoffdruck (kleiner 1 barj zur Erzielung eines warmfesten Gefüges aufgestickt. Anschliessend erfolgt die mechanische Bearbeitung der nicht mit Hartstoff beladenen Auflagefläche, z.B. Planen, Bohren, Gewindeschneiden.

Claims: Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Warmarbeitswerkzeuges Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines Warmarbeitswerkzeuges, bei dem eine Schmelze aus Stahl oder Sonderlegierungen auf Ni- oder Co-Bjsis mittels eines Gases zerstäubt und die Schmeizenpartikel in einer Form aufgefangen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e dass zur Erzielung einer relativen Dichte im Werkzeug von 70 - 90 m die Ze fstäubungsbed ingungen (Überhitzung der Schmelze, Durch fluAllenge der Schmelze pro Zeiteinheit, Gasmenge, -geschwindigkeit, -temperatur, Intfernung 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 Zerstäubungsuorganges 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 zugeselzt wird, das lelil deiii L'd6' bei der Reaktlollsylütrung einen Hartstoff bildet. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Schmelze vor dem Zerstäuben mindestens ein Metall zuge setzt wird, das mit dem Zerstäubungsgas reagiert und dabei einen Hartstoff bildet. 5. Verfahren nach eines der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t, dass die Zerstäubung In einem geschlossenen Behälter durchgeführt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h 9 e k e n n z e 1 c h n e t, dass als Zerstäubungsgas Argon oder.Stickstoff verwendet wird. 7. Verfahren nach eines der Ansprüch 1 - 6, d a d u r c h g e k e n n z e f c h n e t, dass der Abstand zwischen der Zerstäubungsdüse und der Auffang form während der Zerstäubung zur Erzeugung zonenweise unter schiedlicher Dichten 1. Werkzeug variiert wird. 8. Verfahrennach einem der Ansprüche 1 - 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auftreffzone der Schielzenpartikel innerhalb der Forn 1. Zeitablauf verändert wird. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer unter der Ausgiessöffnung eines Schmelzenbehälters pe- festigten Zerstäubungsdlise, die an eine regelbare Gaszuleitung angeschlossen Ist, und einer unterhalb der Düse auswechselbar angeordneten Form, d a d u r c h g e k e n n z e f c h n e t, dass eine Vorrichtung zur Veränderung des Abstandes zwischen Form und Düse vorgesehen ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t, dass die Form auf einer unter der Düse verfahrbaren Trägervor richtung montiert ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Düse und die Fori in ei nein von der äusseren Atmosphäre abgeschlossenen Behälter angeordnet sind. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e r c h n e t, dass die Wandung des Behälters lt einem Kühl system versehen ist.

Inventors: WESSEL, OTTO, DIPL.-ING.
Applicants: MANNESMANN AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: B22F3
IPC codes: B22F3, C23C4, B22D23, B22F5, B22F1, C22C1, B22F9