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Dokumentenidentifikation DE10130549A1 23.01.2003
Titel Verfahren zur effizienten Herstellung verschleissbeständiger industrieller Werkzeuge
Anmelder Fricke, Jens, Dr., 60316 Frankfurt, DE
Erfinder Fricke, Jens, Dr., 60316 Frankfurt, DE
DE-Anmeldedatum 25.06.2001
DE-Aktenzeichen 10130549
Offenlegungstag 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse B23K 20/08
Zusammenfassung Problemstellung
Die thermische Beanspruchung und mechanische Belastung ergeben eine Beschädigung der Gesenke und entsprechend hohe Kosten.
Problemlösung
A) Herstellen einer Bimetallplatte durch Explosionsschweißen aus
- dicker Stützplatte aus geeignetem Stahl
- dünner Platte aus Superlegierung oder einer anderen Legierung.
B) Ausschneiden der benötigten Grundplatte für das Werkzeug
C) Herstellen einer Hohlform auf der Stahlseite der Bimetallplatte (optrional)
D) Warmschmieden der Gravur (Skizze 3)
Erhitzen der (Bi)-Metallplatte (mit oder ohne angebrachter Hohlform) auf passende Temperatur. Eindrücken eines Stempels auf der Oberfläche in der passenden Tiefe.
E) Thermische Behandlung von Bi-Metall-Gesenken
F) Letzte geometrische Formungen von Gesenken (z. B. für Halterungen)
G) Eventuelle Endbearbeitung durch Bearbeitung und/oder Politur der Gravur.

Beschreibung[de]
DIE PROBLEMSTELLUNG BEIM GESENKSCHMIEDEN VERSCHLEISS VON SCHMIEDEGESENKEN

Das für Schmiedegesenke verwendete Metall ist sehr oft ein wärmebehandelter, legierter Stahl vom Typ Z38CDV 5. Dieser Stahl verliert ab einer Temperatur von ca. 600°C die meisten seiner mechanischen Eigenschaften.

Das in diesen Schmiedegesenken geschmiedete Metall wird auf 1250°C erhitzt. Die Kontaktzeit dieses Materials mit dem Werkzeug hängt unter anderem von dem Material ab.

Die heutigen Arbeitsbedingungen (Material, Produktionszufälligkeiten, usw.) sind derart, dass auf der Gesenkoberfläche hohe Temperaturen erreicht werden.

Diese thermische Beanspruchung und die zusätzliche hohe mechanische Belastung (beides im Prozess nicht vermeidbar) ergeben eine Beschädigung der Gesenke und entsprechend hohe Kosten. Wir erleben eine ähnliche Situation grundsätzlich überall dann, wenn Werkzeuge unter thermischer und mechanischer Beanspruchungen leiden.

BEARBEITUNGSKOSTEN VON SCHMIEDEGESENKEN

Oft werden die Werkzeuge (Schmiedegesenke) durch das Herausfräsen aus einem Block Metall hergestellt. Dieses Metall vorher oder nachher hitzebehandelt. Diese Herstellungskosten sind signifikant. Um die Erstellungskosten der traditionellen Gesenke aus Stahl zu senken, werden hochgeschwindige Bearbeitungsmachinen verwendet.

STAND DER TECHNIK UND DIE HEUTIGEN LÖSUNGEN

Um den Verschleiß der Werkzeuge während dem Einsatz zu reduzieren, wird die Schicht eines Metalls auf die Werkzeugoberfläche aufgebracht, welches seine mechanischen Eigenschaften bei der Temperatur von rund 600°C behält. Es handelt sich dabei um Legierungen mit Kobalt und Nickel als Hauptbestandteile. Diese werden "Superlegierungen" genannt. Das Auftragen von solche Legierungen auf der Oberfläche wird durch einen Schweissprozess realisiert:

  • - entweder durch elektrisches Schweissen
  • - oder durch das Spritzen von Pulver in einer Flamme, einem Sogen oder einem Laserstrahl. Oberfläche und Pulver verschmelzen zu einer Oberflächenummantelung.

NACHTEILE DER AKTUELLEN LÖSUNGEN

Nach dem Beschichten durch das Schweißen, muss das Werkzeug nachbearbeitet werden, um eine ausreichende Oberflächenqualität zu erzielen. Der heutige Stand der Technik ermöglicht nicht die Bearbeitung mit einer vernünftige Rentabilität. Die Schwierigkeiten liegen in der zu niedrigen Homogenität der metallischen Beschichtung und insbesondere ihrer Unregelmäßigkeit, die beim Aufschweissen entsteht.

Die Konsequenz ist, daß dieses Beschichtungsverfahren sehr selten verwendet wird. In manchen Fällen wird das gesamte Warmschmiedegesenke aus einem Black z. B. aus Inconel 718 angefertigt (Liegierung auf Nickel Basis mit folgender Zusammensetzung: C 0,038 Cr 18,5 Mn 3 Ti 0,95 Al 0,55 Nb 5,25 Fe 18 Rest Ni (in %)). Dieses Material ist extrem teuer.

Da diese Legierung sehr teuer ist, wird dieses Verfahren nur begrenzt eingesetzt.

Beschreibung der vorgeschlagenen Problemlösung

Die vorgeschlagene Problemlösung besteht darin, zwei flache Platten dicht aufeinander durch Explosion zu verschweissen (Skizze 1):

  • - eine Platte ist die dicke Stützplatte aus geeignetem Stahl (Basismaterial)
  • - die zweite Platte ist flach aus legiertem Nickel (Superlegierung) oder aus einer anderen Legierung. Die Dicke variiert zwischen einigen Millimetern bis einigen Zentimetern. Diese zweite Platte ersetzt die im bisherigen Verfahren durch Schweissen angebrachte Metallbeschichtung.

Durch Explosionsschweissen wird eine mehrere Quadratmeter große, ebene Bimetallplatte hergestellt. Bisher wird dieses Verfahren für die Herstellung von Kesseln/Tanks/Behältern für die chemische Industrie genutzt.

Nach dem Schweissen der großflächigen Bimetallplatte erfolgt die Werkzeugerstellung (Herstellung des Schmiedegesenkes) in folgenden Schritten:

A) AUSSCHNEIDEN DER BENÖTIGTEN GRUNDPLATTE FÜR DAS WERKZEUG

Ein geeignetes Stück wird aus der großen Bimetallplatte ausgeschnitten, z. B. einige Quadratdezimeter (Skizze 2).

Randbemerkung: Es ist ebenso möglich, gleich die passende Größe beim Explosionsschweissen herzustellen. Das Ausschneiden aus einer größeren Platte wird hier als wirtschaftlicher erachtet.

B) HERSTELLEN EINER HOHLFORM AUS DER STAHLSEITE DER BIMETALLPLATTE (OPTIONAL)

Je nachdem, welche Form und welche Gravurtiefe man erreichen will, wird an der Stahlseite durch Bearbeitung eine simple Hohlform ausgehöhlt (die dann durch das spätere Schmieden der Gravur gesamthaft oder teilweise mit Material ausgefüllt wird).

Diese Vorbereitung ermöglicht die Steuerung der Verformung beim Schmieden. Sie ist nur notwendig in den Fällen, in denen die später durch Warmschmieden angebrachte Gravur bzw. Verformung die Bimetallqualität der Platte gefährden könnte.

C) WARMSCMIEDEN DER GRAVUR (SKIZZE 3)

Die vorbereitete Verbindung (mit oder ohne angebrachter Hohlform) wird auf eine passende Temperatur erhitzt damit die plastische Verformung ermöglicht wird. Dann wird einen Stempel (die Form ist abhängig von der thermischen Schrumpfung) auf der Oberfläche (Seite der "Superlegierung") in der passenden Tiefe hineingedrückt damit die letztlich gewünschte Form entsteht. Je nach gewünschter Präzisionen kann die Gravur abschließend nochmals bearbeitet werden.

Randbemerkung eins: Dieses Warmschmieden der Gravur kann sowohl mit heutigen Stempeln aus Stahl, als auch mit bereits aus Bimetall hergestellten Werkzeugen stattfinden. Nach der Herstellung eines Stempels können somit relativ einfach mehrere Geschmiede in Folge hergestellt werden.

Randbemerkung zwei: Im Falle von nicht sehr tiefen Gravuren ist die Fertigung der Gesenke aus Bimetallmaterial auch realisierbar ohne daß man die Gravur schmiedet. Man nimmt dann eine hinreichende Dicke von Superlegierung um die Gravur komplett in dieser Legierung einzuarbeiten.

D) THERMISCHE BEHANDLUNG VON BI-METAL-GESENKEN

Die Superlegierungen wie Inconel 718 können durch Lufthärten bearbeitet werden. Das selbe geschieht mit dem Stahl. Diese sanfte Behandlung erhält die hohe Qualität der durch das Explosionsschweissen hergestellten Oberfläche.

E) LETZTE GEOMETRISCHE FORMUNGEN VON GESENKEN

Die funktionellen Oberflächen der Gesenke für das Fixieren in der Halterung der Maschine werden wie die geschmiedete Gravur realisiert.

F) EVENTUELLE ENDBEARBEITUNG DURCH BEARBEITUNG DER GRAVUR

Wenn es für die gewünschte Präzision notwendig ist, wird die Gravur aus Superlegierung einer präzisen Bearbeitung unterzogen und poliert. In anderen Fällen werden die Teile nur poliert.

VORTEILE

Die Methode des Warmschmiedens der Gravur spart oder reduziert die heutigen Bearbeitungen (oder die Zeit zur Funkenabtragung) der Gravuren vor oder nach thermischer Behandlung. Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass ein einziger Stempel angefertigt wird, mit dem dann mehrere Geschmiede hergestellt werden, was die Kosten bei hohen Stückzahlen signifikant reduziert.

Durch die Verwendung vorher angefertigter Bi-Metallplatten kann eine hochwertige und gleichmässige Oberfläche der Werkzeuge hergestellt werden, die auf Grund ihrer Legierung hitzebeständiger ist als Werkzeuge aus Stahl. Dies reduziert den Verschleiss und damit die Kosten in der Werkzeugherstellung und -wartung die massive Verwendung von teueren Materialien. Die teuren Materialien werden zielgenau für die Ummantelung eingesetzt, ohne dass ein aufwendiges Nachbearbeiten von Hand notwendig ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von Schmiedegesenken, gekennzeichnet durch das Warmschmieden der Gravur eines Gesenkes (mit oder ohne Vorbearbeitung durch Herstellung von Hohlformen).
  2. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch die Erhöhung der Verschleissbeständigkeit industrieller Werkzeuge mittels der Verwendung von durch Explosionsschweissen hergestelltem Bi- Metallmaterial.






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