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Verfahren zum Warmpressen metallischer Werkstücke
Die Erfindung betrifft ein Schmierverfahren beim Strangpressen von Stahl, Titan, ihren Legierungen u. ähnl. Metallen.
Das Strangpressen sowohl von Stahl als auch Titanlegierungen ist zur Zeit mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Es erwies sich bisher als äusserst schwierig, ausreichende Schmierung während des Warmstrang- pressens dieser Metalle sicherzustellen. Die zum einwandfreien Verpressen von Stahl notwendigen hohen
Temperaturen führten zu einem übermässigen Verschleiss der Matrize, so dass sowohl ausreichende Schmierung als auch Kühlung der Matrize erforderlich sind. Die Leichtigkeit, mit der fressender Verschleiss ein- tritt, wenn Titan gerieben oder stranggepresst wird, erfordert ausgezeichnete Schmierung für erfolgreiches
Strangpressen. Ferner sind im Temperaturbereich, in dem das Warmstrangpressen durchgeführt wird, selbst die bekannten festen Schmiermittel aus verschiedenen Gründen nicht völlig zufriedenstellend.
Die bisherigen Mängel werden durch ein verbessertes Schmiermittel zum Warmstrangpressen von Metallen sowie durch ein verbessertes Schmierverfahren beim Warmstrangpressen behoben. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schmiermittels zum Warmstrangpressen von Metallen.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen erläutert. Fig. l ist ein Längsschnitt durch den Aufnehmer einer Strangpresse, wobei gleichzeitig die Matrize zum Strangpressen eines massiven Stabes dargestellt ist.
Fig. 2 ist ein ähnlicher Schnitt wie Fig. l und veranschaulicht, wie ein Stopfen aus Glas, der zwischen Matrize und Werkstück gelegt wird, die Matrize schmiert.
In den Zeichnungen ist 2 ein Werkstück aus Stahl, z. B. ein Block oder Knüppel, der von einer Strangpresskammer 3, die durch einen Aufnehmer 4 gebildet wird, aufgenommen wird. Eine Matrize 5 ist an einem Ende der Strangpresskammer 3 angeordnet und mit einer Düsenöffnung 6 versehen, durch die der Stab durch Druck, der von einem Stempel 7 auf das Werkstück 2 ausgeübt wird, strangzupressen ist. Ein Glasstopfen 8 ist zwischen die Matrize 5 und das Werkstück 2 geschoben und legt sich gegen einen Absatz 9, der die Düsenöffnung 6 umgibt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Glasstopfen ringförmig.
Der ringförmige Stopfen 8 muss den grössten Teil des Absatzes 9 bedecken. Nach der Einführung des Glasstopfens 8 in die Strangpresskammer 3 wird das auf Strangpresstemperatur erhitzte Werkstück 2 in die Strangpresskammer 3 eingeführt und mit Hilfe des Pressstempels 7 durch die Düse 6 gepresst.
Wie der Glasstopfen 8 die Düse 5 schmier, ist in Fig. 2 dargestellt. Der auf beispielsweise 12000 erhitzte Pressblock 2 berührt die Oberfläche 10 des Glasstopfens 8, während die andere Oberfläche 11 die Matrize 5 berührt, deren Temperatur aus einem vorherigen Pressvorgang beispielsweise 3000 beträgt. Es besteht somit im Glasstopfen 8 ein Temperaturgradient. Mit dem Fortgang des Pressens schmilzt die Oberfläche 10 des Stopfens 8, der mit dem erhitzten Pressblock 2 in Berührung ist, und das geschmolzene Glas wird rings um den Stab B durch die Düsenöffnung ausgepresst. Der in unmittelbarer Berührung mit dem Pressblock 2 stehende Glasfilm kann so dünnflüssig sein, dass er der Düse nur ungenügenden Schutz bietet.
Da jedoch im Stopfen 8 ein Temperaturgradient vorhanden ist, wird die Viskosität des Glasfilms zwischen der Oberfläche 10 und der Oberfläche 11 progressiv höher. Durch den ausgeübten Druck werden die
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Filme entfernt, deren Zähflüssigkeit zum wirksamen Schutz der Matrize nicht ausreicht, und es stellt sich automatisch ein Gleichgewicht zwischen dem zum Auswerfen des Glasfilms erforderlichen Druck und dem der Zähflüssigkeit der verbleibenden Filme entsprechenden Widerstand ein.
Es wird also in jedem gege- benen Augenblick des Strangpressens ein Film ausgestossen, der zu dünnflüssig ist, um der Matrize wirk- samen Schutz zu bieten, jedoch ist angrenzend an diesen zu dünnflüssigen Film ein Film vorhanden, des- sen Zähflüssigkeit einen solchen Wert hat, dass der Film ununterbrochen rings um den Stab B aus der Dü- senöffnung fliesst und der Düse wirksamen Schutz bietet. Der Pressblock 2 wird mit solcher Geschwindigkeit verpresst, dass die den Pressblock 2 berührende Oberfläche 10 des Glasstopfens 8 ununterbrochen schmilzt und unter dem angewandten Druck kontinuierlich durch die Düsenöffnung 6 rings um den Strang
B fliesst, während die Oberfläche 11 des Glasstopfens 8, die mit dem Absatz 9 in Berührung steht, praktisch fest bleibt.
Nach Abschluss des Strangpressvorganges bleibt ein Teil des Glasstopfens 8, der praktisch fest ist, in der Kammer 3 des Aufnehmers zurück. Dieses Strangpressverfahren ist im wesentlichen in der USA-Patentschrift Nr. 2, 538, 917 beschrieben.
Gemäss der Erfindung wird bei einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art ein Schmiermittelstück verwendet, das im wesentlichen aus einem glasähnlichen Bindemittel besteht, in welchem als feinteiliges festes Schmiermittel Graphit, Molybdändisulfid oder Bornitrid dispergiert ist. Das glasähnliche Bindemittel selbst, das bei der Strangpresstemperatur einen weiten Viskositätsbereich hat und bei dieser
Temperatur nicht verbrennbar ist, also im Gegensatz zu einem wahren Schmelzpunkt einen weiten Schmelzbereich hat, wirkt an sich schmieren Es zeigte sich jedoch. dass die erfindungsgemäss kombinierte Schmierwirkung des Glases und des dispergierten feinteiligen festen Schmiermittels der Schmierwirkung von Glas allein überlegen ist.
Bedingt durch den Schutz des Glases, in dem sie dispergiert sind, oxydieren die festen Schmierstoffteilchen selbst bei den hohen Strangpresstemperaturen nicht, noch werden sie instabil. Es ist zwar schon bekannt, als Schmiermittel Glas zu verwenden, in dem Glimmerpulver verteilt ist. Das Glimmerpulver löst sich bei den hohen Presstemperaturen im Glas auf und verliert infolge von Reaktionen mit den Glasbestandteilen seine schmierenden Eigenschaften.
Laboratoriumsuntersuchungen und Strangpressversuche wurden durchgeführt, um Gemische von Glas und festen Schmiermitteln für das Strangpressen von Stahl und Titanlegierungen zu bewerten. Die Strangpressversuche wurden mit unlegiertem Kohlenstoffstahl und einer Ti-6 AI-4 V-Legierung durchgeführt. Zur Feststellung der Eignung beim Strangpressen eines V-förmigen Profils aus unlegiertem Kohlenstoffstahl bei 12000C wurden Mischungen aus verschiedenen Glaspulvern und l-90 Vol.-% Graphit, Molybdändisulfid oder Bornitrid hergestellt. Die Eignung der Mischungen wurde an Hand der Veränderung der Abmessungen bestimmt, die durch Düsenverschleiss an der inneren Fussabrundung und an der Fusshöhe verursacht wurde.
Zum Vergleich diente das normalerweise zum Strangpressen von Stahl verwendete Fensterglas. Im Vergleich zu Fensterglas allein wurde durch Mischungen aus Fensterglas und festen Schmierstoffen, die bis zu 401o Graphit, bis zu 10% Molybdändisulfid oder bis zu 10% Bornitrid enthielten der Verschleiss der Düse wirksamer verringert. Ferner wurden mit andern Glassorten, mit denen Graphit oder Molybdändisulfid gemischt war, bessere oder zumindest die gleichen Ergebnisse im Vergleich zu Fensterglas allein erzielt.
Beim Strangpressen vonssundstäben aus Titanlegierung bei 9100C wurden gute Ergebnisse mit Mischungen aus Glas und Feststoffen als Schmiermittel ernalten, wobei sich Graphit als festes Schmiermittel am besten bewährte.
Die besten Ergebnisse wurden allgemein mit Mischungen erzielt, in denen die Mepge des festen Schmiermittels 10% oder weniger betrug. So zeigte sich, dass der Vorteil der Anwesenheit des festen Schmiermittels vielleicht mehr durch seine Fähigkeit, die Wirkung des Glases zu verbessern, als durch seine eigentliche Schmierwirkung gegenüber dem Metall bedingt ist. Feste Schmiermittel können die scheinbare Viskosität der Glas-Feststoff-Mischung erhöhen. So kann ein weniger zähflüssiges Glas während des Verpressens des Pressblocks als Schmierfilm aufrecht erhalten werden. Graphitflocken können ausserdem die Wärmeleitfähigkeit der Mischung verbessern, so dass eine dickere Glasschicht erhitzt wird.
Eine weitere wichtige Möglichkeit besteht darin, dass die Anwesenheit der festen Schmierstoffteilchen in Mischung mit den Glasteilchen eine bessere Verteilung des Glases zu Beginn des Strangpressens ermöglicht und die Menge an ungeschmolzenen, abschleifend wirkenden Glasteilchen, die durch die Düse ausgepresst werden, verringert.
Darüber hinaus wirken Graphitteilchen zwischen den ungeschmolzenen Glasteilchen als Schmiermittel in der Bewegung dieser Teilchen gegeneinander und verhindern, dass feste Glasteilchen, die mit der Düse und dem Matrizenhalter in Berührung kommen, deren Oberfläche verkratzen. Sie erleichtern ferner die Formung der Glasplatte gegen den Matrizenhalter.
Zwar wurde eine gewisse Verbesserung bei allen drei festen Schmiermitteln-Graphit, Molybdändi-
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sulfid und Bornitrid-erzielt, jedoch zeigte sich, dass die Graphit enthaltenden Mischungen am besten sind.
Die Menge des festen Schmiermittels, die vom Glas aufgenommen und vor Oxydation geschützt werden kann, wurde ermittelt, indem kleine Mengen von Mischungen aus Glas und festem Schmiermittel auf 926 C erhitzt wurden. Es wurde festgestellt, dass bis zu 90 Gew. -0/0 Molybdändisulfid in eine solche Mischung eingearbeitet und vor Oxydation geschützt werden konnte. Die maximalen Graphit- und Bornitridmengen waren infolge ihres niedrigeren Schüttgewichts etwas geringer.
Folgende Faktoren sind für das zulässige Verhältnis von festem Schmiermittel zu Glas massgebend :
1. Erweichungstemperatur und Viskosität des Glases ;
2. Teilchengrösse des Glases und des festen Schmiermittels und
3. Raumgewicht des Glases und des festen Schmiermittels.
Bei den niedriger sclimelzendenGlassorten pflegten die Teilchen des festen Schmiermittels leichter abzublättern, während höher schmelzende Glassorten das Abblättern unterdrückten. Bei einer gegebenen Glassorte wurde die Fähigkeit, das feste Schmiermittel zu bedecken und zu schützen, mit zunehmender Vis- kosität geringer. Bei Verwendung von Platten aus einer Mischung von Glasteilchen und festen Schmiermittelteilchen wurden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Grösse der Glasteilchen zwischen 74 und 297 lag. Die Teilchen des festen Schmiermittels sollten möglichst fein sein. Zweckmässig sind wenigstens 50% der Teilchen des festen Schmiermittels kleiner als 74 li und vorzugsweise alle kleiner als 44 u.
Für die Strangpressversuche wurden die Glassorten auf eine Korngrösse unter 74 li gemahlen. Folgende feste Schmiermittel wurden zur Herstellung der Versuchsmischungen verwendet : a) Flockengraphit, dessen Teilchengrösse zu 100% unter 44 li lag. b) Molybdändisulfid, dessen Teilchen zu 98% kleiner als 74 p. und zu 70% kleiner als 44 t waren. c) Bornitridpulver von hoher Reinheit (über 95%) und einer Teilchengrösse unter 44 u.
Als feinteilige feste Schmiermittel für die Zwecke der Erfindung werden plättchenförmige Stoffe und von diesen wiederum Graphit, Molybdändisulfid und Bornitrid bevorzugt. Es wurde festgestellt, dass je nach den vorstehend genannten Faktoren Schmierstoffmischungen verwendet werden können, die etwa 1-90 Vol.-% festes Schmiermittel, Rest Glas, enthalten.
Für Zwecke der Erfindung geeignete Glassorten sind nachstehend als Beispiel angeführt (Zusammensetzung in Gel.-%).
EMI3.1
<tb>
<tb>
Nr. <SEP> l <SEP> Nr. <SEP> 2 <SEP> Nr. <SEP> 3 <SEP> Nr <SEP> A <SEP>
<tb> Si02 <SEP> 71, <SEP> 45 <SEP> 33, <SEP> 6 <SEP> 50, <SEP> 0 <SEP> 52, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Na2O <SEP> 15,85 <SEP> 16,0 <SEP> 19,8 <SEP> 29,5
<tb> B2O3 <SEP> - <SEP> 35,5 <SEP> 18,8 <SEP> 10,0
<tb> CaO <SEP> 8, <SEP> 2 <SEP> 7, <SEP> 45 <SEP> 5, <SEP> 9 <SEP>
<tb> Al2O3 <SEP> 0,58 <SEP> 1,65 <SEP> 5,5 <SEP> 8,0
<tb> Fep3 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> - <SEP> - <SEP>
<tb> Pro2-4, <SEP> 9 <SEP>
<tb> MgO <SEP> 3, <SEP> 3 <SEP> 4, <SEP> 75 <SEP>
<tb> SOg-0, <SEP> 60 <SEP>
<tb>
Glas Nr.1 der Tabelle ist typisch für die normalerweise beim Strangpressen von Stahl verwendeten "Fensterglas"-Sorten.
Beispiel l : Ein Pressblock aus unlegiertem Kohlenstoffstahl wurde durch eine V-förmige Düse gepresst, deren innere Fuss abrundung 1, 7 mm und deren Fusshöhe 7 mm betrug. Der während des Strangpressens verwendete ringförmige Schmiermittelstopfen hatte einen Aussendurchmesser von 60 mm, einen Innendurchmesser von 10 mm und eine Dicke von 8 mm. Als Schmiermittel diente "Fensterglas" der Zusammensetzung von Glas Nr.1 der Tabelle, die für die Zusammensetzung der normalerweise beim Strangpressen von Stahl verwendeten Glassorten typisch ist. Zur Herstellung der Scheibe wurde das Glas auf eine Feinheit von weniger als 74 li gemahlen und zur Bildung der Scheibe mit Natriumsilikat agglomeriert. Etwa 3% Natriumsilikat wurden verwendet.
Vor dem Verpressen wurde der Block in einem BaCl-Salzbad
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auf 12000 C erhitzt. Da das am Pressblockhaften gebliebene restliche Salz aus dem Heizbad genügend Schutz und Schmierung gewährte, wurde kein Glas auf den Block aufgebracht. Der Aufnehmer wurde jedoch vor dem Verpressen leicht mit einer Fett-MoS-Mischung eingerieben. Die Matrize und die Pressscheibe waren aus warmgeformtem Werkzeugstahl hergestellt und auf eine Rockwell-C-Härte von 45 bis 50 gehärtet. Sie wurden nicht vorgewärmt.
Die Strangpressbedingungen waren folgende :
EMI4.1
<tb>
<tb> Grösse <SEP> des <SEP> Pressblocks <SEP> : <SEP> Durchmesser <SEP> 60 <SEP> mm, <SEP> Länge <SEP> 140 <SEP> mm
<tb> Strangpressverhältnis: <SEP> 41,55: <SEP> 1
<tb> Presstemperatur <SEP> : <SEP> 12000C <SEP>
<tb> Aufnehmertemperatur <SEP> : <SEP> 320 C
<tb> Presskolbengeschwindigkeit <SEP> : <SEP> 148-164 <SEP> mm/sec.
<tb>
Die Wirksamkeit des Schmiermittels wurde an Hand des Düsenverschleisses ermittelt. Der Düsenverschleiss wurde bestimmt durch Messen der inneren Fussabrundung und der Fusshöhe der V-förmigen Düse.
Die innere Fussabrundung R nahm um 2, 1 mm, die Fusshöhe e um 1, 0 mm während des Verpressens zu.
Beis piel 2 : Die Bedingungen und Werkstoffe waren die gleichen wie in Beispiel 1, jedoch war die Zusammensetzung der Schmiermittelscheibe eine andere. Sie bestand in diesem Fall aus einer Mischung
EMI4.2
l (Teilchengrösse : 100'%)grösse : 100% kleiner als 44 ), die mit Natriumsilikat als Binder agglomeriert waren. R nahm um 1, 3 mm, e um 0,6 mm zu.
Beispiel 3 : Die Bedingungen und Werkstoffe waren die gleichen wie in Beispiel 2, jedoch wurden in diesem Fall 10% Graphit an Stelle von 5% in der Schmiermittelscheibe verwendet. R nahm um 1, 2 mm, e um 0,5 mm zu.
Beispiel 4: Die Bedingungen und Materialien waren die gleichen wie in Beispiel 1.ausser dass40% Graphit in der Schmiermittelscheibe und ein hitzehärtbares Phenol-Formaldehyd-Harz an Stelle von Natriumsilikat als Binder verwendet wurden. R nahm um 1, 8 mm, e um 0,4 mm zu.
Beispiel 5 : Die Bedingungen und Werkstoffe waren die gleichen wie in Beispiel 2, ausser dass 1% Graphit in der Schmiermittelscheibe verwendet wurde. R nahm um 1, 6 mm, e um 0,7 mm zu.
Beispiel 6 : Die Bedingungen und Werkstoffe waren die gleichen wie in Beispiel 4, ausser dass 90% Graphit im Schmiermittelstopfen verwendet wurden. R nahm um 1,9 mm, e um 0,7 mm zu.
Beispiel 7 : Die Bedingungen und Werkstoffe waren die gleichen wie in Beispiel 2, ausser dass an Stelle von Graphit Molybdändisulfid (98% kleiner als 74 und 70% kleiner als 44 ) verwendet wurde. R nahm um 1,4 mm, e um 0,6 mm zu.
Beispiel 8 : Die Bedingungen und Werkstoffe waren die gleichen wie in Beispiel 3, ausser dass Bornitrid (1000/0 kleiner als 44 g) an Stelle von Graphit verwendet wurde. R nahm um 1,5 mm, e um 0,6 mm zu.
EMI4.3
Glas Nr.$(100% kleiner als 74 ) und 10 Vol.-% Graphit (100% kleiner als 44 u), die mit Natriumsilikat als Binder agglomeriert waren. R nahm um 1, 4 mm, e um 0, 5 mm zu.
Beispiel 11: Abgesehen von der Zusammensetzung der Schmiermittelplatte waren die Bedingun-
EMI4.4
0,7 mm zu.
Beispiel 12 : Ein aus einer Titanlegierung (Ti-6 Al-4 V) bestehender Block wurde durch eine Düse mit flacher Stirnseite und abgerundetem Eingang zu einem Rundstab von 12,5 mm Durchmesser verpresst.
Die während des Fressens verwendete ringförmige Schmiermittelplatte hatte einen Aussendurchmesser von 60 mm, einen Innendurchmesser von 10 mm und eine Dicke von 8 mm. Als Schmiermittel diente das
EMI4.5
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aus warmgeformtem Werkzeugstahl, der auf eine Rockwell-C-Härte von 45-50 gehärtet war, und wurden nicht vorgewärmt.
Die Strangpressbedingungen waren folgende :
EMI5.1
<tb>
<tb> Blockdurchmesser <SEP> : <SEP> 60 <SEP> mm
<tb> Strangpressvexhältnis <SEP> : <SEP> 24. <SEP> 5 <SEP> : <SEP> 1 <SEP>
<tb> Presstemperatur <SEP> : <SEP> 9100C <SEP>
<tb> Aufuehmertemperatur <SEP> : <SEP> 4000C <SEP>
<tb> Pressstempelgeschwindigkeit <SEP> : <SEP> 125 <SEP> mm/sec
<tb>
Die Wirksamkeit des Schmiermittels wurde durch Messen der Oberflächengüte der Stränge bestimmt.
Je 16 Messungen mit dem Proftlprafer wurden quer zur Pressrichtung am vorderen und hinteren Ende des ausgepressten Stabes vorgenommen. Die ermittelte Oberflächengüte schwankte von 0, 003048bis 0, 00508 mm (Effektivwert).
Beispiel 13 : Die Bedingungen und Materialien waren die gleichen wie in Beispiel 12, jedoch war die Zusammensetzung der Schmierstoffplatte eine andere. Sie bestand aus einer Mischung von
EMI5.2
triumsilikat als Binder agglomeriert waren. Die erzielte Oberflächengüte schwankte zwischen 0, 001778 und 0, 004572 mm (Effektivwert).
Beispiel 14 : Die Bedingungen und Materialien waren die gleichen wie in Beispiel 12, ausser dass Glas Nr. 4 an Stelle von Glas Nr. 2 verwendet wurde. Die erzielte Oberflächengüte schwankte zwischen 0, 00254 und 0, 00508 mm (Effektivwert).
EMI5.3
15 :70% kleiner als 44 Il), die mit Natriumsilikat als Binder agglomeriert waren. Die erzielte Oberflächengüte schwankte zwischen 0, 001651 und 0, 004318 mm.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Warmpressen metallischer Werkstücke durch eine Lochdüse, die gegen den Aufnehmer mit einem Absatz versehen ist, wobei auf den Absatz ein die Düse umgebendes und den Absatz praktisch vollständig bedeckendes Schmiermittelstück eines bei der Presstemperatur des Metalles schmelzenden Materials aus einem glasähnlichen und einem festen, im glasähnlichen Material dispergierten Schmiermittel lamellare Struktur gelegt wird, und das Werkstück mit einer solchen Geschwindigkeit ausgepresst wird, dass das SchmiermittelstUck an der dem heissen Werkstück anliegenden Seite schmilzt und an der andern, dem Absatz und der Innenwand des Aufnehmers anliegenden Seite fest bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein glasähnliches Bindemittel verwendet wird, in welchem Graphit,
Molybdändisulfid oder Bornitrid verteilt ist.