DE102019112586A1

DE102019112586A1 - Modifizierte Füllkammer für eine Druckgießmaschine

Info

Publication number: DE102019112586A1
Application number: DE102019112586.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Endemann
Original assignee: Weldstone Components GmbH
Current assignee: Weldstone Components De GmbH
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2020-11-19
Also published as: BR112021022625A2; KR20220020254A; EP3969204A1; MX2021013760A; CN113966255A; JP2022532658A; WO2020229588A1; US20220243313A1

Abstract

Verwendung von Wolfram, Molybdän, Wolfram- oder Molybdänlegierungen zur Beschichtung von verschleißträchtigen Metallsubstraten, wobei die Beschichtung durch thermisches Spritzen oder Aufschweißen auf die Substratoberfläche erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllkammer für eine Druckgießmaschine.
Die Innenfläche der Füllkammer einer Druckgießmaschine ist im Bereich der Zuführöffnung am meisten vom Verschleiß betroffen. Durch das maschinelle Einfüllen von heißem Gießmaterial, wie z. B. flüssiges Aluminium, durch die Zuführöffnung trifft dieses stets an der gleichen Stelle unterhalb der Zuführöffnung auf der Innenfläche der Füllkammer auf. Nach längerem Einsatz der Füllkammer können sich dadurch Auswaschungen im Bereich unterhalb der Zuführöffnung ergeben, wodurch die Gleitbewegung des Druckkolbens in der Kammer behindert werden kann und der Druckkolben einem größeren Verschleiß ausgesetzt ist. Im Falle von Vakuumdruckguß wird es zudem schwieriger, das erforderliche Vakuum sicher zu erzeugen. So ist aus der DE 42 29 338 C2 eine Füllkammer bekannt, die aus einem Mantelkörper mit einem demontierbaren zylindrischen Einsatz besteht. Der Einsatz erstreckt sich dabei vom äußeren Ende der Füllkammer bis axial innerhalb der Zuführöffnung und tritt an seinem inneren Ende in einem schmalen Ringbereich mit seiner Umfangsfläche mit der Innenwandung der Füllkammer in Berührung, während er an seinem äußeren Ende von einem zwischen seinem Außenumfang und der Innenwandung der Füllkammer angreifenden Zentrierring koaxial zur Füllkammer geführt ist. Hierdurch wird bereits eine Füllkammer für Druckgießmaschinen geschaffen, deren Hauptverschleißzone direkt an der Druckgießmaschine auswechselbar ist. Allerdings wären längere Standzeiten für derartige Einsätze wünschenswert.
Des Weiteren ist aus der DE 102 05 246 B4 eine Füllkammer für eine Druckgießmaschine mit einer Zuführöffnung für flüssiges Gießmaterial bekannt, bei der in der Füllkammerwand in dem der Zuführöffnung gegenüberliegenden Bereich eine Kühleinrichtung vorgesehen ist. Die Kühleinrichtung ist aus einer von außen in die Füllkammerwand einsetzbaren Scheibe gebildet, die mit mindestens einem Führungskanal für ein Kühlmittel versehen ist Diese Maßnahme soll unter anderem die Standzeiten eines Füllkammereinsatzes verlängern.
Die EP 3 184 203 A1 offenbart ebenfalls eine Füllkammer für eine Druckgießmaschine, deren zylindrische Innenfläche als Gleitfläche für einen Druckkolben dient und die eine Zuführöffnung für flüssiges Gießmaterial sowie einen entnehmbaren zylindrischen Einsatz aufweist, an dessen Innenfläche der Druckkolben entlang gleitet und der mit einer radialen, mit der Zuführöffnung der Füllkammer in Verbindung stehenden Öffnung der Mantelfüllung versehen ist. Dabei besteht die Innenfläche dieses entnehmbaren Einsatzes zumindest zum Teil aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung. Der entnehmbare Einsatz besteht aus einer metallischen Ummantelung (Stahl) und einer innenliegenden Buchse aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung (Mo/Mo-Legierung).
In den genannten Fällen, bei denen ein zylindrischer Einsatz zum Schutz der Zuführöffnung bzw. der Füllkammer zum Einsatz kommt und der bei auftretendem Verschleiß gegen einen neuen Einsatz ausgetauscht werden kann, ist eine relativ rasche Abhilfe in den am häufigsten auftretenden Fällen eines Verschleißes der Gleitfläche für den Druckkolben gegeben.
Allerdings besteht nach wie vor die Aufgabe, die Wechselintervalle für die genannten Einsätze oder allgemein die Standzeiten für eine Druckgießmaschine bzw. für deren verschleißanfälligstes Teil, die Füllkammer, zu verlängern, um den Gießprozess möglichst effizient und ohne größere Unterbrechungen zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Innenfläche der Füllkammer oder die Innenfläche eines erfindungsgemäßen Einsatzes für die Füllkammer ganz oder zum Teil mit Wolfram oder einer Wolframlegierung überzogen ist.
Es ist bekannt, dass der größte Verschleiß in einer Füllkammer in deren Einfüllbereich auftritt. So greifen z.B. beim Aluminium-Druckguss eisenarme AI-Legierungen den Stahl der Füllkammer oder einer vorgesehenen Wechselbuchse an und führen insbesondere in diesem Bereich zu Auswaschungen. Um diese Nachteile auszuschließen, wird die Füllkammer, die üblicherweise aus Stahl gearbeitet ist, an ihrer Innenfläche bevorzugt vollständig, mindestens jedoch im Einfüllbereich, mit Wolfram oder einer Wolframlegierung versehen. Ebenfalls von der Erfindung umfasst ist ein Auskleiden der Innenfläche eines Einsatzes für die Füllkammer, der bevorzugt aus Stahl gefertigt ist, mit Wolfram oder einer Wolframlegierung, was wiederum vollständig oder teilweise erfolgen kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst daher eine Füllkammer für eine Druckgießmaschine, deren zylindrische Innenfläche als Gleitfläche für einen Druckkolben dient und die eine Zuführöffnung für flüssiges Gießmaterial, z.B. Aluminium bei einer Aluminiumdruckgussmaschine, aufweist. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Füllkammer einen bevorzugt aus Stahl gefertigten Einsatz auf, der mit einer mit der Zuführöffnung der Füllkammer in Verbindung stehenden Öffnung seiner Mantelfläche versehen ist. Dabei ist die Innenfläche der Füllkammer oder die Innenfläche des genannten Einsatzes ganz oder teilweise, dann bevorzugt im Einfüllbereich, mit Wolfram oder einer Wolfram legierung versehen bzw. überzogen. Der Einsatz weist in etwa ¼ der Länge und etwa die halbe Wandstärke der Füllkammer auf.
Ebenso ist die Verwendung von Wolfram oder Wolframlegierungen für die genannten Anwendungen von der Erfindung umfasst.
Bei dem erfindungsgemäßen Einsatz handelt es sich, im Gegensatz zu dem in der EP 3 184 203 A1 beschriebenen Einsatz, nicht um eine Wechselbuchse in Form eines Hülsensystems, bei dem ein Molybdäneinsatz passgenau in eine äußere Hülse aus Stahl eingesetzt wird, sondern die Innenfläche des erfindungsgemäßen Einsatzes, der in der Regel aus Stahl besteht, ist ganz oder zum Teil mit Wolfram oder einer Wolframlegierung beschichtet.
Bis auf diesen für die Standfestigkeit des Einsatzes wesentlichen Unterschied und die Art der Beschichtung kann die erfindungsgemäße Füllkammer derjenigen aus der EP 3 184 203 A1 entsprechen. In diesem Zusammenhang wird auf die dort abgebildete 1 einer Füllkammer und deren Beschreibung z.B. in Paragraph [0029] ausdrücklich Bezug genommen, welche insoweit auch als Beschreibung einer erfindungsgemäßen Füllkammer dienen kann.
Als Überzugsmaterial für die Innenfläche der Füllkammer oder des erfindungsgemäßen Einsatzes, wobei die Innenfläche von Füllkammer und Einsatz bevorzugt vollständig beschichtet werden, dient Wolfram oder eine Wolframlegierung. Bei der Legierung kann es sich um eine binäre, ternäre oder quaternäre oder auch um eine Legierung mit weiteren (metallischen) Bestandteilen handeln. Beispiele hierfür sind WNiFe-Legierungen mit bevorzugt mehr als 50 Gew.-% Wolfram (W) oder WMoNiFe-Legierungen, bei denen die Summe aus W und Mo mehr als 50 Gew.-% an der fertigen Legierung beträgt.
Besonders geeignete Legierungen enthalten mehr als 50 Gew.-% Wolfram. Besonders geeignete Formen für Wolfram und Wolframlegierungen sind Draht- und Pulverform. Die Herstellung erfolgt nach grundsätzlich dem Fachmann bekannten pulvermetallurgischen Verfahren. Überdies werden Wolfram und entsprechende Wolframlegierungen von verschiedenen Herstellern und Metallhandelsgesellschaften u. a. im Internet angeboten.
Es wurde gefunden, dass neben der Wahl eines geeigneten Beschichtungsmaterials für die Erzeugung von chemisch, thermisch und mechanisch stabilen Überzügen für Füllkammer oder Einsatz ebenfalls das Beschichtungsverfahren von wesentlicher Bedeutung ist. Dabei ist zu bedenken, dass sich die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α von Wolfram (α = 4,5 * 10^-6 1/K bei 20°C) und Stahl (α = 11 - 13 * 10^-6 1/K bei 20°C) sehr stark voneinander unterscheiden, was das Aufbringen von thermisch/mechanisch stabilen Wolframüberzügen auf ein Stahlsubstrat deutlich erschwert.
Das Oberflächenbeschichtungsverfahren des thermischen Spritzens hat sich für die erfindungsgemäßen Zwecke als besonders geeignet gezeigt. Dieses Verfahren führt zu einer sehr starken Aufhärtung der gespritzten Schicht von typischerweise > 800 HV Vickershärte, während z.B. Wolfram legierungen sonst nur über eine Härte zwischen 280 bis 400 HV verfügen. Neben einer deutlichen Verbesserung der chemisch/thermischen und mechanischen Stabilität zeichnen sich die durch thermisches Spritzen aufgebrachten Oberflächenüberzüge auch z.B. durch besondere Lösungsbeständigkeit gegenüber flüssigem Aluminium aus und sind daher bevorzugt und besonders für den Einsatz in Aluminiumdruckgießanlagen geeignet.
Zu den thermischen Spritzverfahren zählen die folgenden Verfahren:

Lichtbogen-Spritzverfahren
Drahtflamm-Spritzverfahren (oder mit Stab)
Pulverflammspritz-Verfahren
Hochgeschwindigkeitsspritz-Verfahren/Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)
Laserspritzen
Kaltspritzverfahren
Detonationsspritzen
Plasmaspritzen
PTA

Durch die Wahl des Spritzverfahrens als Beschichtungstechnologie werden für die Anwendung sehr vorteilhafte Härten der Beschichtung erzielt, die wiederum ausschlaggebend für eine drastische Erhöhung der Standzeiten der so beschichteten Füllkammern und Einsätze sind.
Alle diese Verfahren sind grundsätzlich für die Zwecke der Erfindung einsetzbar.
Die Erfindung betrifft somit neben dem wolframbasierten Werkstoff (Zusatzwerkstoff (Spritzzusatz)) ebenfalls das Beschichtungsverfahren, mit dem die Werkstoffe aufgebracht werden. Die Verfahren des Thermischen Spritzens sind Oberflächenbeschichtungsverfahren. Laut der normativen Definition (DIN EN 657) werden dabei Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschossen. Die Bauteiloberfläche wird dabei (im Gegensatz zum Auftragschweißen) nicht geschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet. Eine Schichtbildung findet statt, da die Spritzpartikel beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche prozess- und materialabhängig mehr oder minder abflachen, vorrangig durch mechanische Verklammerung haften bleiben und lagenweise die Spritzschicht aufbauen. Qualitätsmerkmale von Spritzschichten sind geringe Porosität, gute Anbindung ans Bauteil, Rissfreiheit und homogene Mikrostruktur. Die erzielten Schichteigenschaften werden maßgeblich beeinflusst von der Temperatur und der Geschwindigkeit der Spritzpartikel zum Zeitpunkt ihres Auftreffens auf die zu beschichtende Oberfläche. Der Oberflächenzustand (Reinheit, Aktivierung, Temperatur) übt ebenfalls Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie die Haftfestigkeit aus.
Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen elektrischer Lichtbogen (Lichtbogenspritzen), Plasmastrahl (Plasmaspritzen), Brennstoff-Sauerstoff-Flamme bzw. Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme (konventionelles und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen), schnelle, vorgewärmte Gase (Kaltgasspritzen) und Laserstrahl (Laserstrahlspritzen). Laut DIN-Norm EN 657 werden die Spritzverfahren nach diesen Kriterien eingeteilt.
Wird die W/W-Legierung als Draht eingesetzt, so ist das bevorzugte Verfahren das Drahtlichtbogenspritzen. Für pulverförmige W/W-Legierungen kommen insbesondere das Plasmaspritzen und das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) in Frage.
Die genannten Verfahren des thermischen Spritzens sind im Stand der Technik und damit auch dem Fachmann bekannt; vgl. z.B. http://www.gts-ev.de/html_d/ts-info.htm oder Informationsbroschüre LINSPRAY® - „Gase und Know-how beim thermischen Spritzen“, Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas, Unterschleißheim (D).
Die vorliegende Erfindung resultiert insbesondere in längeren Standzeiten der stark beanspruchten Füllkammer und damit auch in längeren Standzeiten einer entsprechenden Druckgießanlage und umfasst eine beschichtete Füllkammer oder einen entsprechenden Einsatz, ein Verfahren zur Beschichtung dieser Komponenten, die entsprechend ausgestattete Druckgießanlage und die Verwendung von Wolfram oder Wolframlegierungen zur Beschichtung (ganz oder zum Teil) von Füllkammer oder Füllkammereinsatz.
In diesem Zusammenhang ist auf Folgendes hinzuweisen:

W/W-Legierungen sind im Vergleich zu Molybdän (Mo) oder einer Molybdänlegierung weniger spröde und auch die Oxidationsempfindlichkeit ist geringer. Das erfindungsgemäß bevorzugte thermische Spritzen erlaubt es nicht nur einen Einsatz zu schützen, sondern die gesamte Füllkammer.

Durch das Spritzen härten die Werkstoffe stark auf, wodurch nicht nur eine Verbesserung hinsichtlich einer Auflösung durch die flüssige Schmelze sondern gleichzeitig auch gegen mechanischen Verschleiß erreicht wird. So erhöht sich die Härte von Wolfram bzw. einer typischen W-Legierung von z.B. 250-400 HV auf größer als 800 HV für eine aufgespritzte Schicht. Das Verfahren des thermischen Spritzens erlaubt auch auf eine einfache Weise die Instandsetzung verschlissener Einsätze von Füllkammern. Dabei müssen diese ursprünglich nicht mit einer Beschichtung ausgerüstet gewesen sein.
Weiterhin wurden folgende Ausführungs- und Anwendungsformen gefunden, die ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
Neben dem thermischen Spritzen führt auch ein Schweißen oder Aufschweißen einer W/W-Legierung auf das zu schützende Substrat zu einer Verbesserung der thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von dessen (beschichteter) Oberfläche. Die Härte der aufgeschweißten W/W-Legierung wird ebenfalls gegenüber dem Normalwert deutlich verbessert, erreicht in der Regel aber nicht die Werte, die durch thermisches Spritzen erzielt werden können. Das Aufschweißen erfolgt mit üblichen Schweißverfahren wie WIG-, MIG-, MAG-Schweißen.
Das thermische Spritzen oder das Aufschweißen auf eine Substratoberfläche - wie für W/W-Legierungen beschrieben- führt auch bei Molybdän oder Molybdänlegierungen zu einer deutlichen Verbesserung der thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften (Härte). Daher wird die Beschichtung von metallischen Substratoberflächen durch thermisches Spritzen oder Aufschweißen von Mo/Mo-Legierungen, wie diese z.B. in der EP 3 184 203 B1 (vgl. dort z.B. die Absätze [0009] bis [0012]) beschrieben sind und auf die hier ausdrücklich zu Zwecken der Offenbarung Bezug genommen wird, für die erfindungsgemäßen Zwecke ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Aufbringen von W/W-Legierungen oder von Mo/Mo-Legierungen, wobei W/W-Legierungen bevorzugt sind, nicht allein auf die Beschichtung der Innenflächen von Füllkammern und Füllkammereinsätzen von Druckgießmaschinen beschränkt, sondern betrifft alle verschleißträchtigen Bereiche beim Gießen von z.B. Aluminium, Zink und Kupfer und entsprechenden Legierungen Die Anwendung der erfindungsgemäß aufgebrachten Beschichtungen umfasst somit alle beanspruchten Teile beim Gießprozess, und deren Einsatz umfasst ebenso alle weiteren denkbaren Verschleißanwendungen, wie z.B. Beschichtungen für Umformwerkzeuge für Aluminium, Kupfer und Stahl, für Nockenwellen, Weichen, Kolben und vergleichbare Einsatzgebiete.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4229338 C2 [0002]
DE 10205246 B4 [0003]
EP 3184203 A1 [0004, 0011, 0012]
EP 3184203 B1 [0029]

Claims

Verwendung von Wolfram, Molybdän, Wolfram- oder Molybdänlegierungen zur Beschichtung von verschleißträchtigen Metallsubstraten, wobei die Beschichtung durch thermisches Spritzen oder Aufschweißen auf die Substratoberfläche erfolgt.
Verwendung nach Anspruch 1 von Wolfram oder Wolframlegierungen zur Beschichtung von Substratoberflächen durch thermisches Spritzen.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verschleißträchtigen Metallsubstrat um die Innenflächen einer Füllkammer oder eines Füllkammereinsatzes einer Druckgießmaschine handelt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wolframlegierung um eine Legierung mit mehr als 50 Gew.-% Wolfram handelt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wolframlegierung um eine WNiFe-Legierung mit mehr als 50 Gew.-% Wolfram oder um eine WMoNiFe-Legierung handelt, bei der die Summe der Anteile von Wolfram und Molybdän mehr als 50 Gew.-% beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Molybdänlegierung um TZM-Molybdän handelt, bestehend aus 0,5 Gew-% Titan, 0,08 Gew-% Zirkonium, 0,01-0,04 Gew-% Kohlenstoff und dem Rest zu 100 Gew-% aus Molydän.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den verschleißträchtigen Metallsubstraten um die verschleißträchtigen Bereiche einer Metallgießanlage, die Oberflächen von Umformwerkzeugen, Kolben, Nockenwellen oder Weichen handelt.
Metallsubstrat dessen Oberfläche ganz oder teilweise mit Wolfram, Molybdän, Wolfram- oder Molybdänlegierungen durch thermisches Spritzen oder Aufschweißen beschichtet ist.
Metallsubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beschichteten Oberfläche um die Innenfläche einer Füllkammer oder eines Füllkammereinsatzes einer Druckgießmaschine handelt.
Druckgießmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Füllkammer oder einen Füllkammereinsatz nach Anspruch 9 aufweist.
Druckgießmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Aluminium-Druckgießmaschine handelt.
Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Metallsubstrats, dadurch gekennzeichnet, dass auf diese Oberfläche Wolfram, Molybdän oder eine Wolfram- oder Molybdänlegierung durch thermisches Spritzen oder durch Aufschweißen aufgebracht wird.