CH685605A5 - Ceramic moulding tool for metal heat shaping - Google Patents

Abstract

The moulding tool of ceramic materials, for heat shaping metals, contains a woven fibre matting (24) in the tool (14) material, at least in zones, with full penetration by the tool material.

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug aus keramischem Werkstoff für das Warmumformen von Metallen. The invention relates to a mold made of ceramic material for the hot forming of metals.

Als Werkstoff zur Herstellung von Formwerkzeugen für das Warmumformen von Metallen finden heute vor allem Metallegierungen, Graphit und keramische Materialien Anwendung. Metallische Formwerkzeuge sind wegen hoher Bearbeitungskosten verhältnismässig teuer und demzufolge nur bei Grossserien von Formteilen wirtschaftlich einsetzbar. Graphit lässt sich im Vergleich zu Metall zwar einfacher bearbeiten, hat jedoch den bekannten Nachteil des bei der Bearbeitung anfallenden Gra-phitstaubs. Die kostengünstigste Herstellung ergibt sich für keramische Formwerkzeuge. Diese werden durch Giessen einer keramischen Masse in eine Negativform aus Holz oder Kunststoff gefertigt, sind demzufolge verhältnismässig billig und auch zur Herstellung komplex gestalteter Formwerkzeuge geeignet. Wegen ihres spröden Verhaltens und den entsprechend tiefen mechanischen Festigkeitswerten unter Zugbeanspruchung sind keramische Formwerkzeuge äusserst bruchanfällig und sind für Grosserien von Formteilen eher ungeeignet. Um zu grosse Zugspannungen und in der Folge einen vorzeitigen Bruch zu vermeiden, müssen die Werkzeuge überdimensionert und insbesondere der Werkzeugboden sehr dick gestaltet werden. Dadurch werden die Werkzeuge schwer, sperrig und wegen erhöhtem Materialbedarf auch teurer. Metal alloys, graphite and ceramic materials are used today as the material for the production of molds for the hot forming of metals. Metallic molds are relatively expensive due to the high processing costs and can therefore only be used economically for large series of molded parts. Graphite is easier to process than metal, but it has the known disadvantage of the graphite dust that arises during processing. The most cost-effective production results for ceramic molds. These are made by casting a ceramic mass into a negative mold made of wood or plastic, and are therefore relatively cheap and also suitable for the production of complex shaped tools. Because of their brittle behavior and the correspondingly low mechanical strength values under tensile stress, ceramic molds are extremely prone to breakage and are rather unsuitable for large-scale moldings. In order to avoid excessive tensile stresses and consequently premature breakage, the tools must be oversized and in particular the tool base must be made very thick. This makes the tools heavy, bulky and also more expensive due to the increased material requirements.

Aus dem TECHNICAL PAPER GEOPOLYMER: ULTRA-HIGH TEMPERATURE TOOLING MATERIAL FOR THE MANUFACTURE OF ADVANCED COMPOSITES, 32th International SAMPE Symposium, April 15-18, 1992, San Diego, CA, USA sind Formwerkzeuge bekannt, welche aus einer mit einer keramischen Masse eines polymeren Aluminium-Silikates imprägnierten Fasergewebematte aus beispielsweise Glas, Graphit oder SiC bestehen und gegenüber den herkömmlichen vollmassiven Keramikwerkzeugen höhere mechanische Festigkeitswerte aufweisen. Derartige Werkzeuge sind jedoch aus Stabilitätsgründen zur Herstellung grossflächiger Formteile nicht geeignet. Molding tools are known from the TECHNICAL PAPER GEOPOLYMER: ULTRA-HIGH TEMPERATURE TOOLING MATERIAL FOR THE MANUFACTURE OF ADVANCED COMPOSITES, 32th International SAMPE Symposium, April 15-18, 1992, San Diego, CA, USA Fiberglass mat impregnated with aluminum silicates consist of, for example, glass, graphite or SiC and have higher mechanical strength values than conventional solid ceramic tools. However, for reasons of stability, such tools are not suitable for producing large-area molded parts.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Formwerkzeug der eingangs erwähnten Art mit verbesserten mechanischen Festigkeitswerten und demzufolge verminderter Bruchneigung sowie mit guter Stabilität zur Herstellung auch grossflächiger Formteile zu schaffen. In view of these circumstances, the inventor has set himself the task of creating a mold of the type mentioned at the outset with improved mechanical strength values and consequently reduced tendency to break and with good stability for the production of large-area molded parts.

Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass zumindest ein Teilbereich des Formwerkzeugs mit wenigstens einer im keramischen Werkstoff angeordneten und von diesem vollständig durchdrungenen Fasergewebematte versehen ist. In order to achieve the object according to the invention, at least a partial area of the molding tool is provided with at least one fiber fabric mat arranged in the ceramic material and completely penetrated by it.

Die Fasergewebematten sind bevorzugt in einer Randzone unmittelbar unter der Oberfläche des Formwerkzeugs angeordnet. Sie können aber auch innerhalb und in Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs vorgesehen sein. The fiber fabric mats are preferably arranged in an edge zone directly below the surface of the molding tool. However, they can also be provided within and at a distance from the surface of the molding tool.

Mit den vollständig in der Keramikmatrix eingebetteten Fasergewebematten ergibt sich ein Verbundwerkzeug, bei dem die beim Umformvorgang auftretenden Zugspannungen in eine Schicht eingeleitet werden, die mit keramischem Fasergewebe verstärkt ist und dadurch den keramischen Grundkörper entlasten. Neben einer verminderten Bruchneigung hat das erfindungsgemässe Formwerkzeug den Vorteil, dass vor allem der Werkzeugboden mit geringerer Wandstärke dimensioniert werden kann. Damit ist das Werkzeug auch weniger sperrig, leichter und der Materialbedarf zu dessen Herstellung kleiner. The fiber fabric mats completely embedded in the ceramic matrix result in a composite tool in which the tensile stresses that occur during the forming process are introduced into a layer that is reinforced with ceramic fiber fabric and thereby relieve the load on the ceramic base body. In addition to a reduced tendency to break, the molding tool according to the invention has the advantage that, above all, the tool base can be dimensioned with a smaller wall thickness. This also makes the tool less bulky, lighter and the material requirements for its manufacture smaller.

Die Fasergewebematten können aus keramischem Material, beispielsweise SiC, aus Metall oder Graphit bestehen. The fiber fabric mats can consist of ceramic material, for example SiC, of metal or graphite.

Die Fasergewebematten in der Oberflächenrand-zone sind bevorzugt auf der Innenseite des Formwerkzeugs, insbesondere im Bereich des Bodenteils, angeordnet, können aber auch auf der Aus-senseite oder beidseitig vorgesehen sein. Um die Übertragung der beim Umformen auftretenden Kräfte in die faserverstärkte Schicht zu gewährleisten, können in Bereichen erhöhter Kraftbeanspruchung innerhalb und in Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs lokal zusätzliche Fasergewebematten vorgesehen sein. The fiber fabric mats in the surface edge zone are preferably arranged on the inside of the molding tool, in particular in the region of the base part, but can also be provided on the outside or on both sides. In order to ensure the transmission of the forces occurring during the forming into the fiber-reinforced layer, additional fiber fabric mats can be provided locally in areas of increased force within and at a distance from the surface of the molding tool.

An Stelle einer einzigen Fasergewebematte können auch mehrere Fasergewebematten aufeinan-dergeschichtet sein, wobei die einzelnen Fasergewebematten aus unterschiedlichem Material bestehen können. Instead of a single fiber fabric mat, several fiber fabric mats can also be stacked on top of one another, wherein the individual fiber fabric mats can consist of different materials.

Die in der Oberflächenrandzone auf der Innenseite des Formwerkzeugs angeordneten Fasergewebematten haben neben der Aufnahme von mechanischen Spannungen noch eine zweite Funktion, denn sie bestimmen die Oberflächenstruktur des Formteils. Die Fasergewebematten bieten einen Schutz gegen Beschädigung der Werkzeugoberfläche und können verhindern, dass ein von der Aus-senseite des Werkzeugs ausgehender Riss bis an die Werkzeugoberfläche auf der Innenseite dringt und dadurch eine entsprechende Beschädigung an der Oberfläche des Formteils zur Folge hat. Insgesamt kann somit die Lebensdauer des Formwerkzeugs verlängert werden. The fiber fabric mats arranged in the surface edge zone on the inside of the molding tool have a second function in addition to absorbing mechanical stresses, because they determine the surface structure of the molded part. The fiber fabric mats offer protection against damage to the tool surface and can prevent a crack starting from the outside of the tool from penetrating to the inside of the tool surface and consequently causing corresponding damage to the surface of the molded part. Overall, the life of the mold can thus be extended.

Die Wahl des keramischen Werkstoffs für das Formwerkzeug richtet sich u.a. nach dem Temperaturbereich für die Umformoperation. Ein besonders geeigneter keramischer Werkstoff bietet sich mit einem polymeren Aluminium-Silikat an, das gegebenenfalls mit Partikeln oder Fasern aus keramischem Material, Metall oder Graphit angereichert sein kann. Als keramische Partikel bieten sich insbesondere Korund, Cordierit und Quarzglas an. The choice of the ceramic material for the molding tool depends, among other things. according to the temperature range for the forming operation. A particularly suitable ceramic material offers itself with a polymeric aluminum silicate, which can optionally be enriched with particles or fibers made of ceramic material, metal or graphite. Corundum, cordierite and quartz glass are particularly suitable as ceramic particles.

Das erfindungsgemässe Formwerkzeug kann für Warmumformvorgänge eingesetzt werden, insbesondere zum superplastischen Umformen oder isothermen Schmieden von Blechen, Platten oder massiven Teilen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen. The molding tool according to the invention can be used for hot forming processes, in particular for superplastic forming or isothermal forging of sheets, plates or solid parts made of aluminum and aluminum alloys.

Die Herstellung des Formwerkzeugs erfolgt auf einfache Weise derart, dass zunächst durch Giessen der keramischen Masse in eine Negativform aus Holz oder Kunststoff der Werkzeuggrundkörper geformt wird und anschliessend die zu verstärkenden Oberflächenbereiche mit den mit derselben oder einer anderen keramischen Masse imprägnier- The production of the molding tool is carried out in a simple manner such that the basic tool body is first molded by pouring the ceramic mass into a negative mold made of wood or plastic and then the surface areas to be reinforced are impregnated with the same or another ceramic mass.

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ten Fasergewebematten ein- oder mehrlagig belegt werden. Bei einer anderen Herstellungsart wird die Negativform zuerst mit dem imprägnierten Fasergewebe belegt und anschliessend die keramische Masse aufgegossen. Zur Anordnung von Fasergewebematten innerhalb und in Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs wird zunächst ein Teil der keramischen Masse in die Negativform gegossen, dann die imprägnierte Matte aufgelegt und weitere keramische Masse aufgegossen. Das keramische Werkzeug mit den Fasergewebe-Verstärkungen wird anschliessend in üblicher Weise bei erhöhter Temperatur getrocknet und gebrannt. ten fiber fabric mats can be covered in one or more layers. In another production method, the impregnated fiber fabric is first coated on the negative mold and then the ceramic mass is poured on. To arrange fiber fabric mats within and at a distance from the surface of the molding tool, a part of the ceramic mass is first poured into the negative mold, then the impregnated mat is placed on top and further ceramic mass is poured on. The ceramic tool with the fiber fabric reinforcements is then dried and fired in the usual way at elevated temperature.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of a preferred exemplary embodiment and with reference to the drawing; this shows in

- Fig. 1: einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum superplastischen Umformen; 1 shows a schematic cross section through a device for superplastic forming;

- Fig. 2: den detaillierten Querschnitt durch das Formwerkzeug von Fig. 1. 2: the detailed cross section through the molding tool from FIG. 1.

Eine Vorrichtung 10 zum superplastischen Umformen weist gemäss Fig. 1 ein in einer Stahlwanne 12 eingesetztes Formwerkzeug 14 aus keramischem Werkstoff mit Bodenteil 16 und Seitenwänden 18 auf. Die Aussenseite 26 des Formwerkzeugs 14 liegt hierbei der Innenseite 28 der Stahlwanne 12 formschlüssig an. Ein zum superplastischen Umformen vorgesehenes Aluminiumblech 20 liegt dem oberen Rand 32 der Stahlwanne 12 auf und ist zwischen diesem und einem aufgesetzten Einspannrahmen 22 kraftschlüssig gehalten. According to FIG. 1, a device 10 for superplastic forming has a molding tool 14 made of ceramic material with a base part 16 and side walls 18 inserted in a steel trough 12. The outside 26 of the molding tool 14 is in a form-fitting manner against the inside 28 of the steel trough 12. An aluminum sheet 20 provided for superplastic forming rests on the upper edge 32 of the steel trough 12 and is held non-positively between the latter and an attached clamping frame 22.

Nach dem Erwärmen der gesamten Vorrichtung 10 in einem Ofen auf Umformtemperatur wird das Aluminiumblech 20 eingespannt und mittels Gasdruck P in das Formwerkzeug 14 eingeformt. Nach Beendigung des Umformvorgangs liegt das Aluminiumblech 20 der Kontur der Innenseite 30 des Formwerkzeugs 14 an (Fig. 1b). After the entire device 10 has been heated in a furnace to the forming temperature, the aluminum sheet 20 is clamped and molded into the mold 14 by means of gas pressure P. After the shaping process has ended, the aluminum sheet 20 lies against the contour of the inside 30 of the molding tool 14 (FIG. 1b).

Nach Fig. 2 ist das Formwerkzeug 14, das beispielsweise aus polymerem Natrium-Aluminium-Silikat mit eingelagerten groben Partikeln 34 aus Korund besteht, auf der Innenseite 30 und Aussenseite 26 mit je zwei Lagen Fasergewebematte 24 -beispielsweise aus SiC - versehen. Die Fasergewebematten 24 liegen unmittelbar unter der Oberfläche des Formwerkzeugs 14 und sind, da sie ebenfalls mit keramischer Masse getränkt worden sind, vollständig von keramischer Masse umgeben. Im Innern und in Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs 14 sind im Bodenteil 16 in Bereichen erhöhter Kraftbeanspruchung zusätzlich je ein Fasermattestreifen 24a angeordnet. According to FIG. 2, the molding tool 14, which consists for example of polymeric sodium aluminum silicate with coarse particles 34 made of corundum, is provided on the inside 30 and outside 26 with two layers of fiber fabric mat 24, for example made of SiC. The fiber fabric mats 24 lie immediately below the surface of the molding tool 14 and, since they have also been impregnated with ceramic material, are completely surrounded by ceramic material. Inside and at a distance from the surface of the mold 14, a fiber mat strip 24a is additionally arranged in the base part 16 in areas of increased force.

Claims (10)

PatentansprücheClaims 1. Formwerkzeug aus keramischem Werkstoff für das Warmumformen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich des Formwerkzeugs (14) mit wenigstens einer im keramischen Werkstoff angeordneten und von diesem vollständig durchdrungenen Fasergewebematte (24) versehen ist.1. A molding tool made of ceramic material for the hot forming of metals, characterized in that at least a portion of the molding tool (14) is provided with at least one fiber fabric mat (24) arranged in the ceramic material and completely penetrated by it. 2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasergewebematten (24) in einer Randzone unmittelbar unter der Oberfläche des Formwerkzeugs (14) angeordnet sind.2. Molding tool according to claim 1, characterized in that the fiber fabric mats (24) are arranged in an edge zone directly below the surface of the molding tool (14). 3. Formwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasergewebematten (24) in der Oberflächenrandzone der Innenseite (30) und/ oder Aussenseite (26) des Formwerkzeugs (14), insbesondere im Bereich des Bodenteils (16), angeordnet sind.3. Molding tool according to claim 2, characterized in that the fiber fabric mats (24) are arranged in the surface edge zone of the inside (30) and / or outside (26) of the molding tool (14), in particular in the region of the base part (16). 4. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasergewebematten (24) innerhalb und in Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs (14) angeordnet sind.4. Molding tool according to claim 1, characterized in that the fiber fabric mats (24) are arranged inside and at a distance from the surface of the molding tool (14). 5. Formwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasergewebematten (24) lokal in Bereichen erhöhter Kraftbeanspruchung angeordnet sind.5. Molding tool according to claim 4, characterized in that the fiber fabric mats (24) are arranged locally in areas of increased force. 6. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasergewebematten (24) aufeinandergeschichtet sind.6. Molding tool according to one of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of fiber fabric mats (24) are stacked on top of one another. 7. Formwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fasergewebematten (24) zumindest teilweise aus unterschiedlichem Material bestehen.7. Molding tool according to claim 6, characterized in that the individual fiber fabric mats (24) consist at least partially of different material. 8. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasergewebematten (24) aus keramischem Material, insbesondere SiC, aus Metall oder Graphit bestehen.8. Molding tool according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fiber fabric mats (24) consist of ceramic material, in particular SiC, of metal or graphite. 9. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff aus einem gegebenenfalls mit Partikeln oder Fasern aus keramischem Material, Metall oder Graphit angereicherten polymeren Aluminium-Silikat besteht.9. Molding tool according to claim 1, characterized in that the ceramic material consists of an optionally enriched with particles or fibers of ceramic material, metal or graphite polymeric aluminum silicate. 10. Verwendung des Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Warmumformen, insbesondere zum superplastischen Umformen oder isothermischen Schmieden von Blechen, Platten oder massiven Teilen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen.10. Use of the molding tool according to one of claims 1 to 9 for hot forming, in particular for superplastic forming or isothermal forging of sheets, plates or solid parts made of aluminum and aluminum alloys. 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 33rd