DE102010045698A1 - forging tool - Google Patents

Abstract

Ein Schmiedewerkzeug zum Präzisionsschmieden von bei Temperaturen bis 1400°C umformbaren Bauteilen aus intermetallischen oder hochtemperaturstabilen Phasen mit hohen Fliessspannungen besteht aus Graphit mit einem in dessen offenporige Hohlräume infiltrierten niedrig schmelzenden Metall oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung, wobei durch Wärmebehandlung Metallcarbide entstehen, die mit dem Graphit einen zweiphasigen, durch anschließendes Abschrecken gehärteten Werkstoff bilden. Das so ausgebildete Schmiedewerkzeug ist aufgrund der mit steigender Temperatur steigenden Fliessspannung bei Schmiedetemperaturen bis 1400°C hochfest und gleichzeitig oxidationsbeständig und kann bei diesen Schmiedetemperaturen eingesetzt werden. Neben seiner elektrischen Leitfähigkeit weist das erfindungsgemäße Schmiedewerkzeug auch eine geringe Wärmekapazität auf, so dass eine schnelle, mit geringem Energieaufwand verbundene induktive Erwärmung des Werkzeugs, kurze Schmiedezyklen und ein kostengünstiger isothermischer Umformprozess möglich sind. Das Schmiedewerkzeug zeichnet sich zudem durch gute Schmiereigenschaften, geringen Verschleiß und niedrige Herstellungskosten aus.A forging tool for the precision forging of components made of intermetallic or high temperature stable phases with high flow stresses that can be formed at temperatures of up to 1400 ° C consists of graphite with a low-melting metal or a low-melting metal alloy infiltrated into its open-pored cavities, whereby metal carbides are formed with the graphite through heat treatment form a two-phase material hardened by subsequent quenching. The forging tool designed in this way is high-strength and at the same time resistant to oxidation due to the flow stress which increases with increasing temperature at forging temperatures of up to 1400 ° C and can be used at these forging temperatures. In addition to its electrical conductivity, the forging tool according to the invention also has a low heat capacity, so that fast, low-energy inductive heating of the tool, short forging cycles and a cost-effective isothermal forming process are possible. The forging tool is also characterized by good lubricating properties, low wear and tear and low manufacturing costs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schmiedewerkzeug, insbesondere zum Warmgesenkschmieden von aus intermetallischen oder hochtemperaturstabilen Phasen mit hohen Fliessspannungen bestehenden Bauteilen.The invention relates to a forging tool, in particular for hot forging of consisting of intermetallic or high-temperature stable phases with high surface tensions components.

Beim Warmschmieden bei hohen Gesenktemperaturen bis 1150°C werden üblicherweise metallische Gesenkwerkstoffe wie Molybdän, Nickel oder hochwarmfeste Stähle eingesetzt. Beispielsweise werden Gesenkwerkstoffe auf Nickelbasis wie Inconel 718 bei Schmiedetemperaturen bis 900°C verwendet, während bei Schmiedetemperaturen bis 1150°C Molybdänlegierungen als Gesenkwerkstoff Verwendung finden. Derartige Schmiedewerkzeuge sind insofern nachteilig, als sie aufgrund hoher Material- und Herstellkosten zum einen teuer und zum anderen bei hohen Schmiedetemperaturen weich werden und mithin nicht zum Präzisionsschmieden geeignet sind. Die metallischen Schmiedewerkzeuge verfügen zudem über eine hohe Wärmespeicherkapazität, das heißt ein hohes Wärmespeichervermögen, so dass der Aufheizprozess viel Zeit erfordert und mit einem hohen Energieaufwand verbunden ist. Bei Schmiedetemperaturen oberhalb 1150°C mangelt es diesen Werkstoffen an der ausreichenden Festigkeit, so dass die daraus gefertigten Gesenke zum Schmieden von intermetallischen oder anderen hochtemperaturstabilen Phasen wie beispielsweise Titanaluminid, das erst bei Temperaturen oberhalb 1250° umgeformt werden kann, nicht eingesetzt werden können.When hot forging at high die temperatures up to 1150 ° C usually metallic die materials such as molybdenum, nickel or high-temperature steels are used. For example, nickel based mold materials such as Inconel 718 are used at forging temperatures up to 900 ° C, while at forging temperatures up to 1150 ° C molybdenum alloys are used as the die material. Such blacksmith tools are disadvantageous in that they are expensive due to high material and manufacturing costs and partly soften at high forging temperatures and are therefore not suitable for precision forging. The metallic forging tools also have a high heat storage capacity, that is, a high heat storage capacity, so that the heating process requires a lot of time and is associated with a high energy consumption. At forging temperatures above 1150 ° C, these materials lack the sufficient strength, so that the die made from them for forging intermetallic or other high-temperature stable phases such as titanium aluminide, which can be formed only at temperatures above 1250 °, can not be used.

Die in diesem Temperaturbereich oberhalb 1150°C einsetzbaren Schmiedewerkzeuge bestehen aus speziellen faserverstärkten keramischen Werkstoffen wie zum Beispiel CSiC. Die wesentlichen Nachteile der aus keramischen Werkstoffen bestehenden Schmiedewerkzeuge sind deren geringere Verschleißfestigkeit und das Ausbrechen des Materials in Kantenbereichen des Gesenks sowie die aufgrund der fehlenden elektrischen Leitfähigkeit nicht vorhandene Möglichkeit der für den Schmiedeprozess vorteilhaften induktiven Erwärmung des Gesenks. Zudem neigen die bekannten metallischen Gesenkwerkstoffe bei hohen Temperaturen zu starker Oxidation.The forging tools used in this temperature range above 1150 ° C are made of special fiber-reinforced ceramic materials such as CSiC. The main disadvantages of the forging tools made of ceramic materials are their lower wear resistance and the breaking out of the material in edge regions of the die, as well as the lack of electrical conductivity possibility of advantageous for the forging process inductive heating of the die. In addition, the known metallic die materials tend to high oxidation at high temperatures.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schmiedewerkzeug anzugeben, dass einfach und schnell aufheizbar ist und auch in dem zum Präzisionsschmieden von intermetallischen Verbindungen erforderlichen Temperaturbereich temperaturstabil und verschleißfest ist und darüber hinaus kostengünstig hergestellt werden kann.The invention is therefore based on the object to provide a forging tool that can be heated easily and quickly and also in the temperature range required for the precision forging of intermetallic compounds temperature stable and wear-resistant and beyond can be produced inexpensively.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Schmiedewerkzeug gelöst.According to the invention the object is achieved with a trained according to the features of claim 1 forging tool.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Ausbildung der Schmiedegesenke aus Graphit mit einem in dessen offenporige Hohlräume infiltrierten niedrig schmelzenden Metall oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung, wobei durch die Wärmebehandlung Metallcarbide entstehen, die mit dem Graphit einen zweiphasigen, durch anschließendes Abschrecken gehärteten Werkstoff bilden. Das so ausgebildete Schmiedewerkzeug ist aufgrund der mit steigender Temperatur steigenden Fließspannung bei Schmiedetemperaturen bis 1400°C hochfest und gleichzeitig oxidationsbeständig und kann zum Präzisionsschmieden von Bauteilen aus intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise Titanaluminiden, bei diesen Schmiedetemperaturen eingesetzt werden. Neben seiner elektrischen Leitfähigkeit weist das erfindungsgemäße Schmiedewerkzeug auch eine geringe Wärmekapazität auf, so dass eine schnelle, mit geringem Energieaufwand verbundene Erwärmung des Werkzeugs, kurze Schmiedezyklen und ein kostengünstiger isothermischer Umformprozess möglich sind. Das neue Werkzeug zeichnet sich zudem durch gute Schmiereigenschaften, geringen Verschleiß und niedrige Herstellungskosten aus.The basic idea of the invention consists in the formation of graphite forging dies with a low-melting metal or a low-melting metal alloy infiltrated into its open-pored cavities, the metal carbides forming by the heat treatment forming a two-phase material hardened by subsequent quenching with the graphite. The so-formed forging tool is due to the rising with increasing temperature yield stress at forging temperatures up to 1400 ° C high strength and resistant to oxidation and can be used for precision forging components made of intermetallic compounds such as titanium aluminides at these forging temperatures. In addition to its electrical conductivity, the forging tool according to the invention also has a low heat capacity, so that a rapid, associated with low energy consumption heating of the tool, short forging cycles and a cost isothermal forming process are possible. The new tool is also characterized by good lubrication properties, low wear and low production costs.

In weiterer Ausbildung der Erfindung bestehen die in den Graphit infiltrierten niedrig schmelzenden Metalle aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Die Wärmebehandlung zur Ausbildung der Aluminiumcarbide erfolgt bei Temperaturen oberhalb 400°C, wobei der zweiphasige Werkstoff in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung unterschiedliche Aluminiumcarbide umfasst.In a further embodiment of the invention, the low-melting metals infiltrated into the graphite consist of aluminum or aluminum alloys. The heat treatment for the formation of the aluminum carbides is carried out at temperatures above 400 ° C, wherein the biphasic material comprises different aluminum carbides depending on the heat treatment.

In Ausgestaltung der Erfindung können die niedrig schmelzenden Metalle auch aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen bestehen.In an embodiment of the invention, the low-melting metals may also consist of magnesium or magnesium alloys.

Die Erfindung wird in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail in the following embodiment.

Die aus Titanaluminid bestehenden Turbinenschaufeln für ein Gasturbinentriebwerk werden durch Präzisionsgesenkschmieden bei einer oberhalb 1250°C liegenden Temperatur hergestellt. Das ein Obergesenk und ein Untergesenk mit in diese eingeformter Gravur umfassende Schmiedewerkzeug besteht aus einem mit schmelzflüssigen Aluminium infiltrierten Graphitwerkstoff, der nach der Infiltration des Aluminiums in einen offenporigen Graphitblock bei einer oberhalb 400°C liegenden Temperatur wurde. Durch die Reaktion des Aluminiums mit dem Graphit bilden sich Aluminiumkarbide, die zu einer wesentlichen Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Graphits führen und insbesondere dessen Oxidation verhindern, wobei in dieser Materialkombination die guten Schmiereigenschaften des Graphits und die für ein Schmiedewerkzeug wichtige Eigenschaft des Graphits, dass sich mit steigender Temperatur die Fließspannung erhöht, genutzt werden können. Mit den aus dem Alinfiltrierten Graphit hergestellten Gesenken können die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Titanaluminid bestehenden Turbinenschaufeln bei den für diesen Werkstoff erforderlichen hohen Schmiedetemperaturen bis 1400°C ohne Beschädigung der Gesenke geschmiedet werden. Das Schmiedewerkzeug kann aufgrund der guten Leitfähigkeit und der niedrigen Wärmekapazität des Gesenkwerkstoffs induktiv und zudem sehr schnell aufgeheizt werden, so dass der Energieaufwand gering ist und kurze Schmiedezyklen möglich sind.The titanium aluminide turbine blades for a gas turbine engine are manufactured by precision die forging at a temperature above 1250 ° C. The forging die and lower die with forging die formed into this formed die consists of a graphite material infiltrated with molten aluminum, which after infiltration of the aluminum into an open-pore graphite block, became at a temperature above 400 ° C. The reaction of the aluminum with the graphite aluminum carbides, which lead to a significant improvement of the strength properties of graphite and in particular prevent its oxidation, in this combination of materials, the good lubricity properties of graphite and the important for a forging tool property of graphite that with rising temperature, the yield stress increased, can be used. With the dies made of the aluminum-infiltrated graphite, the turbine blades made of titanium aluminide according to the present embodiment can be forged to 1400 ° C without damaging the dies at the high forging temperatures required for this material. Due to the good conductivity and the low heat capacity of the die material, the forging tool can be heated inductively and also very quickly, so that the energy consumption is low and short forging cycles are possible.

Die Erfindung ist nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel beschränkt. Das vorgeschlagene Schmiedewerkzeug kann auch für andere Bauteile aus anderen umformbaren Werkstoffen eingesetzt werden. Anstelle von Aluminium oder Aluminiumlegierungen können als Infiltrationsmaterial auch andere niedrig schmelzende Metalle oder Metalllegierungen wie beispielsweise Magnesium verwendet werden, die nach der Infiltration in den Graphit und entsprechender Wärmebehandlung einen bei Temperaturen bis 1400°C stabilen, induktiv schnell aufheizbaren zweiphasigen Werkstoff aus Graphit und Metallkarbiden bilden, der insbesondere zur Herstellung von Schmiedewerkzeugen zum Präzisionsschmieden von aus intermetallischen Verbindungen bestehenden Bauteilen geeignet ist.The invention is not limited to the present embodiment. The proposed forging tool can also be used for other components made of other formable materials. Instead of aluminum or aluminum alloys, other low-melting metals or metal alloys such as magnesium may be used as infiltration material, which form a graphite and metal carbide two-phase material that is stable after induction in the graphite and heat treatment at temperatures up to 1400 ° C especially suitable for the production of forging tools for the precision forging of components consisting of intermetallic compounds.

Claims (4)

Schmiedewerkzeug, insbesondere zum Warmgesenkschmieden von aus intermetallischen oder hochtemperaturstabilen Phasen mit hohen Fliessspannungen bestehenden Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem aus Graphit und mit in den offenporigen Graphit infiltrierten niedrigschmelzenden Metallen oder Metalllegierungen unter Wärmebehandlung Carbide bildenden und durch Abschrecken gehärteten zweiphasigen Werkstoff besteht, der bei geringer Wärmekapazität elektrisch leitfähig ist und auch bei Schmiedetemperaturen bis 1400°C hochfest und oxidationsbeständig ist.Forging tool, in particular for hot forging of consisting of intermetallic or high-temperature stable phases with high surface tensions components, characterized in that it consists of a graphite and infiltrated in the open-pore graphite low-melting metals or metal alloys under heat treatment carbide forming and hardened by quenching two-phase material, the is electrically conductive at low heat capacity and also at forging temperatures up to 1400 ° C high strength and oxidation resistant. Schmiedewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Graphit infiltrierten niedrig schmelzenden Metalle aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen, wobei die Wärmebehandlung zur Ausbildung der Aluminiumcarbide bei Temperaturen oberhalb 400°C und in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung unterschiedliche Aluminiumcarbide vorhanden sind.A forging tool according to claim 1, characterized in that the low-melting metals infiltrated into the graphite consist of aluminum or aluminum alloys, wherein the heat treatment to form the aluminum carbides at temperatures above 400 ° C and depending on the heat treatment different aluminum carbides are present. Schmiedewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die niedrigschmelzenden Metalle aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen bestehen.Blacksmith tool according to claim 1, characterized in that the low-melting metals consist of magnesium or magnesium alloys. Schmiedewerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es induktiv aufheizbar und zum isothermischen Schmieden bei Schmiedetemperaturen bis 1400°C einsetzbar ist.A forging tool according to claim 1, characterized in that it can be inductively heated and used for isothermal forging at forging temperatures up to 1400 ° C.