DE4212787A1 - Form aus Stahl, insbesondere für Metall-Dauerformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Form aus Stahl, insbesondere hochhit­ zebeständigem Warmarbeitsstahl für Metallguß im Dauerformverfah­ ren.

Es ist bekannt, in Stahlformen für Aluminiumguß Kanäle einzuar­ beiten, durch die ein Kühlmedium fließen kann, um den Gießzyklus zu verkürzen und heiße Stellen im Bereich von Gußteilverdickungen möglichst zu vermeiden. Diese Kühlkanäle, in der Regel durch Bohrungen von der rückwärtigen Seite in den massiven Formenstahl eingearbeitet, befinden sich immer in einem größeren Abstand zur Formoberfläche (mindestens 20-30 mm), um Risse und Durchbrüche infolge lokaler, thermisch induzierter Spannungen zu vermeiden.

Durch diese verhältnismäßig große Entfernung der Kühlkanäle von der heißen Formoberfläche kann nur ein kleinerer Anteil der beim Gießen durch das flüssige Metall eingebrachten Wärme über eine Wärmeableitung durch die Stahlform abgeführt werden, weshalb in der Fertigungspraxis die Wärmeabfuhr nach dem Öffnen der Gießform und der Gußteilentnahme hauptsächlich durch Sprühwasser direkt auf die Formkonturen erfolgt. Die dabei notwendigerweise entste­ henden thermischen Spannungen führen infolge der sich beim Dauerformguß ständig wiederholenden Gießzyklen zu Ermüdungsrissen in der Stahlformoberfläche und so zur Verkürzung der Lebensdauer der Gießform. In vielen Fällen muß schon nach 20 000 Abgüssen eine Stahlform oder ein Teil der Stahlform erneuert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dauerform aus Stahl insbesondere für Metall-Formguß wie Alumi­ nium-Druckguß zu schaffen, bei der die Nachteile der bekannten Formen nicht vorhanden sind, die Rißgefahr der Form wesentlich herabgesetzt ist und der Arbeitszyklus um mindestens 30% ver­ kürzt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Stahlform dicht unter der Oberfläche ein netzwerkartig aufgebautes, sich unter der gesamten Formkontur erstreckendes und möglichst genau der Formoberfläche folgendes Kühlsystem aus einem gut wärmeleitenden Material mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 950°C besitzt. Dieses Kühlsystem besteht wiederum aus zwei räumlichen Teilsyste­ men, und zwar zum einen aus dem dicht unter der Formoberfläche beginnenden Wärmeleitungssystem, vorteilhafterweise aus senkrecht zur Oberfläche angeordneten Stiften, Röhrchen oder geschlitzten Mantelelementen bestehend, wobei diese Kühlrezeptoren einen Ab­ stand zur fertigbearbeiteten Formoberfläche vom einfachen bis dreifachen Wert ihrer Dicke und eine wirksame Gesamtlänge zwi­ schen dem Dreifachen und Zehnfachen ihrer Dicke besitzen.

Dieses Wärmeleitungssystem besteht vorteilhafterweise aus Kupfer und ist mit dem zweiten Teilsystem, dem Kühlrohrsystem, fest verbunden durch Löten oder Schweißen. Das Kühlrohrsystem führt die über Wärmeleitung der Form entzogene Wärme durch das in den Kühlrohren fließende Kühlmedium ab und befindet sich etwa 20 bis 30 mm von der Formoberfläche entfernt, so daß Risse oder Durchbrüche nicht eintreten.

Das Wärmeleitsystem muß zur Vermeidung von durchgehenden Span­ nungsrissen hohlraumfrei in die Stahlform eingebettet sein und führt aufgrund der möglichst in geringem Abstand zueinander ange­ ordneten Kühlrezeptoren zu einer hohen Wärmeabfuhr von der heißen Stahlformoberfläche in den hinteren Bereich der Stahlform zum Kühlrohrsystem. Für die weitere Verminderung thermischer Span­ nungen in Oberflächennähe wird bei der vorliegenden Erfindung zusätzlich zum obigen Wärmeleitungssystem ein künstliches Riß­ netzwerk in die Stahlformoberfläche eingebracht, bestehend aus einer bis 950°C beständigen Folie mit einer Mindestdicke von 0,05 mm und einer Höchstdicke von 0,5 mm, die mäanderförmig oder wabenförmig die Kühlrezeptoren umschließend direkt von der Ober­ fläche ausgehend sich senkrecht bis zu einer Tiefe von höchstens 20 mm erstreckt. Vorteilhafterweise besteht diese Folie aus Kup­ fer.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Form besteht darin, daß der Gießzyklus erheblich verkürzt werden kann, beispielsweise von 75 Sek. auf 45 Sek., was eine außerordentliche Verbesserung ergibt und trotzdem die Rißgefahr der Form erheblich vermindert wird.

In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausbildungsform der Erfindung dargestellt und zwar zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Form,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Stifteanordnung mit Mäanderfolienanordnung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Stifteanordnung mit Wabenfolienanordnung,

Fig. 5 Schnittdarstellungen aus einem Stahlform­ teil mit geschlitztem Kupfermantel.

Nach den Fig. 1 bis 3 ist in der Stahlform bzw. Formschale 11 ein Kühlsystem angeordnet, welches aus Kupferstiften 12 besteht, die senkrecht zur Formkontur 13 angeordnet sind und deren Kopf 14 einen Abstand 15 von etwa 3 mm von der Formkontur (heiße Seite) 13 besitzen. Der Kopf 14 eines jeden Stiftes 12 ist zugespitzt. Das rückwärtige Ende 16 eines jeden Stiftes 12 erstreckt sich bis in ein etwa parallel zur Formkontur liegendes Röhrchen 17, durch das Wasser 18 geleitet wird. In Fig. 2 ist zu sehen, daß das Ende 16 des Stiftes 12 mit einer Schweiß- oder Lötnaht 19 dicht mit dem wasserführenden Röhrchen 17 verbunden ist. Nach Fig. 3 ist zur Kühlung eines größeren Bereiches eine Anordnung der Stifte 12 dargestellt, wobei zum Spannungsausgleich eine Folie 20, 21 etwa mäander- 20 oder wabenförmig 21 um die Stifte 12 herumgeführt ist. Soll nur ein sehr schmaler Streifen der Form gekühlt werden, so können die Stifte 12 auch reihenförmig ange­ ordnet werden, um die die Folie gelegt wird. Die Folie 20, 21 kann aus einer 0,05 bis 0,5 mm dicken Kupferfolie oder einer Edelstahlfolie bestehen. Die Folie kann mit einer diffusionshem­ menden Schicht versehen werden, um zu verhindern, daß sich die Folie beim Herstellungsvorgang des Formblocks im Stahl löst.

Nach Fig. 5 kann man als Wärmeleitungssystem auch geschlitzte Mantelelemente, z. B. einen geschlitzten Zylindermantel aus Kupfer 22 verwenden. Besonders geeignet ist eine solche Anordnung für langgestreckte Stahlformeinsätze, ob nun zylindrisch, ringförmig oder auch taschenförmig. An den Wärmeleitungsmantel ist wiederum ein Kühlrohrsystem 23 angebunden.

Zur Herstellung der Form nach der Erfindung wird ein Kühlsystem vorgefertigt und anschließend auf pulvermetallurgischem Wege zu einem Stahlformrohling bearbeitet, der dann in bekannter Weise zu einer Stahlform oder einem Stahlformeinsatz, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, fertiggestellt wird.

Das Kühlsystem ist zur Herstellung der Stahlform so in einem Be­ hälter oder auf einer festen Unterlage fixiert und mit Fixpunkten versehen, daß der Abstand der Kühlrezeptoren von der später fer­ tig zu bearbeitenden Formoberfläche möglichst genau eingehalten werden kann. Vorteilhafterweise verwendet man eine der Formkontur entsprechende hochwarmfeste Unterlage (Negativform), um bei der pulvermetallurgischen Herstellung der Stahlform der endgültigen Form möglichst nahezukommen.

Der Kopf der Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente 12 kann angefast, abgerundet oder zugespitzt sein, je nach den Anforde­ rungen, die an die Form gestellt werden. Die Manteleinsätze können geschlitzt, gelocht oder in anderer Weise geometrisch unterbrochen werden, um die Trennungswirkung im Stahlformeinsatz gering zu halten.

Um die Kühlwasserzufuhr und damit die Temperaturverhältnisse steuern und regeln zu können, wird an geeigneten Stellen ein Thermoelement Fig. 5/23 in der Stahlform dicht unter der Form­ oberfläche angeordnet. Dieses Thermoelement wird als Mantelther­ moelement bei der pulvermetallurgischen Herstellung zusammen mit dem Kühlsystem in den Herstellungsvorgang einbezogen.

Die Erfindung kann überall da eingesetzt werden, wo Stahl auf höhere Temperaturen beansprucht wird und die Wärme gesteuert zu­ geführt oder abgeführt werden muß. Beispiele sind Gießformen aus Stahl im Druckgießverfahren, Schwerkraft- und Niederdruck-Kokil­ lengießverfahren, im Kunststoffspritzgießverfahren und beim Ge­ senkschmieden. Ebenso kann die Erfindung für die Bereiche eines Eingießsystems, wie z. B. der Füllkammer einer Druckgießmaschine, verwendet werden.

Claims (10)

1. Form aus Stahl, insbesondere hochhitzebeständigem Warmarbeits­ stahl für Metallformguß, dadurch gekennzeichnet, daß die Form senkrecht zur Formoberfläche liegende gut wärmeleitende Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente aus einem Material besitzt, dessen Schmelzpunkt oberhalb 950°C liegt und deren Kopf einen Abstand von der fertigbearbeiteten Formoberfläche besitzt und das Verhältnis von Dicke zu Abstand des Kopfes zwischen 1 : 1 und 1:3 liegt und das Ende des Stiftes oder Röhrchens oder Mantelelements an ein an sich bekanntes Kühlsystem angebunden ist und die wirksame Gesamtlänge des Stiftes oder des Röhr­ chens zwischen dem dreifachen bis maximal zehnfachen seiner Dicke liegt.

2. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente aus reinem Kupfer bestehen.

3. Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäßen Stifte oder Röhrchen oder Mantelelemente in eingeschränkten Bereichen der Form angeordnet sind.

4. Form nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine bis 950°C beständige Folie mit einer Mindestdicke von 0,05 mm und einer Höchstdicke von 0,5 mm um die Stifte mäanderförmig geschlungen oder wabenförmig angeordnet ist und gegebenenfalls ausgehend von der Formoberfläche senkrecht nach innen bis zu einer Tiefe von höchstens 20 mm reicht.

5. Form nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie am Kühlsystem befestigt, z. B. angelötet ist.

6. Form nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mit einer diffusionshemmenden Beschichtung ver­ sehen ist.

7. Form nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem vorgefertigt ist und anschließend auf pul­ vermetallurgischem Weg zu einem Formrohling gearbeitet wird, der dann in bekannter Weise zu einer Stahlform oder einem Stahlformeinsatz, beispielsweise durch spanende Bearbeitung, fertiggestellt wird.

8. Form nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Form­ block durch Heiß-Isostatisches Pressen (HIP-Verfahren) herge­ stellt wird.

9. Form nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Negativ der Gießform aus einem bei 950°C wärmebeständigem Material als formgebende Unterlage im HIP-Verfahren verwendet und gleichzeitig zur Fixierung des Kühlsystems eingesetzt wird.

10. Form nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß an ausgewählten Stellen, vorzugsweise in Stiftkopf­ nähe, ein Thermoelement angeordnet ist.