EP0621090B1 - Strangpresswerkzeug - Google Patents

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EP0621090B1
EP0621090B1 EP94810164A EP94810164A EP0621090B1 EP 0621090 B1 EP0621090 B1 EP 0621090B1 EP 94810164 A EP94810164 A EP 94810164A EP 94810164 A EP94810164 A EP 94810164A EP 0621090 B1 EP0621090 B1 EP 0621090B1
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EP
European Patent Office
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extrusion
extrusion tool
ceramic materials
tool according
oxide
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EP94810164A
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EP0621090A1 (de
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Pius Schwellinger
Heinrich Hofmann
Karl-Ludwig Eckert
Alois Ried
Hermann Kidratschky
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C25/00—Profiling tools for metal extruding
    • B21C25/02—Dies
    • B21C25/025—Selection of materials therefor

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic extrusion tool containing the ceramic materials from the series of oxide ceramics and non-oxide ceramics, in particular dense ceramic materials made from zirconium dioxide-reinforced
  • Extrusion tools or extrusion dies are made of steel, for example. In addition to the steel alloys, ceramic extrusion tools or dies are also used. For example, it is known to use zirconium dioxide as the ceramic material (aluminum, 68th year 1992, 12, pages 1040, 1041). New materials for extrusion dies are known from the DGM conference volume "Extrusion Presses" 1990, Symposium 1989, pages 139 - 156. Sialon, for example, is described as a ceramic material. From “Modern Metals", May 1990, pages 82-88, ceramic extrusion matrices made of zirconium dioxide are known, the zirconium dioxide containing 3% magnesium oxide.
  • the known ceramic extrusion matrices have the disadvantage that the pressing force is very high due to the large radius at the leading edge of, for example, more than 3 mm, and the surface of the extruded object is rough. It is often desirable to produce more complex contours and to incorporate relatively sharp corners into the contour.
  • the object of the present invention is to propose extrusion tools which are characterized by a long service life and which only require relatively low pressing forces when used and which lead to extrusion products with a smooth surface.
  • this is achieved in that the radius R 1 of the edges on the extrusion die between the surface of the tool opposite the pressed material and the guide surfaces is less than 0.3 mm.
  • the actual extrusion tool is made of ceramic material, and it is possible to use the extrusion tool e.g. shrink fit in a beam made of warm working steel.
  • the extrusion tool or the die can be configured with a prechamber.
  • the antechamber can be formed by a separate antechamber disk or represent a milled antechamber. Flat matrices with an antechamber and with milling are also possible.
  • the wrap circles are larger than, for example, 20 mm in diameter.
  • the surface of the tool opposite the pressed material and the guide surface of the tool can advantageously be at right angles to one another.
  • the radius R 1 is less than 0.1 mm or represents a small bevel at the leading edge in the shaping die.
  • the extrusion tools are present in the contour with sharp leading edges and occasionally sharp corners.
  • the extrusion tools according to the invention expediently have corners or corner radii in the contour, ie between the guide surfaces, whose radius R 2 is less than 0.5 mm. It is obvious that the radius R 2 in the guide surfaces serves in particular to produce sharp edges in the profiles, while all larger roundings are of course also possible by appropriate design of the exit surface.
  • Guide surfaces are understood to mean the surfaces in the tool lying parallel to the pressing direction, perpendicular to the end surface.
  • the extrusion dies according to the present invention preferably contain an aluminum oxide reinforced by tetragonal zirconium dioxide as ceramic materials.
  • the extrusion tools advantageously contain a mixture of aluminum oxide and yttrium oxide-stabilized, tetragonal zirconium dioxide as ceramic materials.
  • the ceramic material can additionally be reinforced by ceramic fibers and / or whiskers.
  • the extrusion die may contain aluminum oxide and 1 to 25% by volume of zirconium dioxide.
  • Extrusion tools which contain ⁇ -sialones with the sintering additives MgO, Y 2 O 3 , Al 2 O 3 and all rare earths are expedient as ceramic materials.
  • Extrusion tools which contain ⁇ -sialones of the general formula system M-Si-Al-ON as ceramic materials are expedient, where M has the meaning of Li, Ca, Y and all rare earths from Nd to Lu.
  • Extrusion dies which contain dense, reaction-bound silicon nitride with a high nitride content as ceramic materials and which is additionally hot isostatically compressed.
  • the extrusion tools according to the present invention can be produced, for example, in such a way that a fine-grained zirconium oxide powder is mixed with an aluminum oxide powder. Organic substances can also be added as binders during the mixing process. Then the shaping takes place. For example, it is accomplished either by uniaxial or isostatic pressing or by a casting process. The pressed parts are sintered without pressure, possibly reshipped or hot pressed. If sialones are used as ceramic materials, the ceramic materials are made by pressure-less sintering, gas pressure sintering, Hot pressing, rocking or re-rocking processed into the extrusion tools.
  • the maximum grain size of the ceramic materials used is 5 ⁇ m and less, expediently 1 ⁇ m and less and preferably 0.2-1.0 ⁇ m for the oxidic materials, or 5-10 ⁇ m and one aspect ratio of >> 2 for the sialons.
  • the present invention also relates to the use of extrusion tools for the production of profiles or hollow profiles from the metals of the series of aluminum or the alloys of aluminum, copper, brass, non-ferrous metals, steel or iron.
  • the extrusion tools according to the present invention made of ceramic materials lead to profiles with a very smooth surface and enable a high pressing speed.
  • the extrusion tools have a bending strength of 500 to 1000 MPa at working temperatures up to 700 ° C and a high hardness at this working temperature.
  • the high toughness can be up to K IC > 5MPam 1/2 .
  • the modulus of elasticity and the coefficient of thermal expansion of the ceramic materials described in the vicinity of steel are advantageous.
  • the ceramic materials should have good thermal conductivity.
  • the extrusion tools according to the invention have a long service life of, for example, more than 300 pressings.

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Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Strangpresswerkzeug enthaltend die keramischen Werkstoffe aus der Reihe der Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik, insbesondere dichte keramische Werkstoffe aus zirkoniumdioxidverstärktem
  • Aluminiumoxid oder aus einem Sialon. Strangpresswerkzeuge oder Strangpressmatrizen werden beispielsweise aus Stahl hergestellt. Neben den Stahllegierungen werden auch keramische Strangpresswerkzeuge oder Matrizen angewendet. Es ist beispielsweise bekannt, als Keramikmaterial Zirkoniumdioxid anzuwenden (Aluminium 68. Jahrgang 1992, 12, Seiten 1040, 1041). Aus dem DGM-Tagungsband "Strangpressen" 1990, Symposium 1989, Seiten 139 - 156, sind neue Werkstoffe für Strangpressmatrizen bekannt. Als Keramikwerkstoff wird beispielsweise Sialon beschrieben. Aus "Modern Metals", Mai 1990, Seiten 82 - 88, sind keramische Strangpressmatrizen aus Zirkoniumdioxid bekannt, wobei das Zirkoniumdioxid 3 % Magnesiumoxid enthält.
  • Die bekannten keramischen Strangpressmatrizen weisen den Nachteil auf, dass die Presskraft durch den grossen Radius an der Eintrittskante von beispielsweise mehr als 3 mm sehr hoch ist, und die Oberfläche des stranggepressten Gegenstandes rauh ist. Oft ist es wünschenswert, kompliziertere Konturen zu fertigen und relativ scharfe Ecken in die Kontur einzubauen.
  • Mit den bisher bekanntgewordenen keramischen Strangpressmatrizen konnten entweder keine scharfen Eintrittskanten erzeugt werden oder die Standzeit der Werkzeuge war sehr kurz.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Strangpresswerkzeuge vorzuschlagen, die sich durch hohe Standzeiten auszeichnen und bei deren Anwendung nur verhältnismässig geringe Presskräfte erforderlich sind und die zu Strangpressprodukten mit glatter Oberfläche führen.
  • Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass am Strangpresswerkzeug der Radius R1 der Kanten zwischen der dem angepressten Werkstoff entgegengestellten Fläche des Werkzeuges und den Führungsflächen kleiner als 0,3 mm ist.
  • Das eigentliche Strangpresswerkzeug wird aus keramischem Werkstoff gefertigt, und es ist möglich, das Strangpresswerkzeug z.B. in einem Träger aus warmem Arbeitsstahl einzuschrumpfen.
  • Es kann sich dabei um Profil- oder ein- oder zweiteilige Hohlprofilwerkzeuge, wie Brücken-, Spider- und Kammerwerkzeuge handeln. Das Strangpresswerkzeug oder die Pressmatrize kann mit einer Vorkammer ausgestaltet sein. Die Vorkammer kann durch eine separate Vorkammerscheibe gebildet werden oder eine eingefräste Vorkammer darstellen. Auch möglich sind Flachmatrizen mit einer Vorkammer und mit Einfräsung.
  • In zweckmässiger Ausführungsform sind bei den erfindungsgemässen Strangpresswerkzeugen die Umschlingungskreise grösser als beispielsweise 20 mm im Durchmesser.
  • Es gelingt mit vorliegenden Strangpresswerkzeugen, insbesondere grosse Flächen der Austrittsquerschnitte im Werkzeug zu verwirklichen und damit auch Strangpressprofile grossen Querschnittes und auch grossen Materialquerschnittes zu erzeugen.
  • Mit den Strangpresswerkzeugen gemäss vorliegender Erfindung können die dem angepressten Werkstoff entgegengestellte Fläche des Werkzeuges und die Führungsfläche des Werkzeuges vorteilhaft in einem rechten Winkel zueinander stehen.
  • In weiterer vorzugsweiser Ausführungsform eines Strangpresswerkzeuges nach vorliegender Erfindung beträgt der Radius R1 weniger als 0,1 mm oder stellt eine kleine Abschrägung an der Eintrittskante in die formgebende Matrize dar.
  • Nach vorliegender Erfindung liegen die Strangpresswerkzeuge mit scharfen Eintrittskanten und fallweise scharfen Ecken in der Kontur vor. Zweckmässig weisen die erfindungsgemässen Strangpresswerkzeuge Ecken oder Eckradien in der Kontur, d.h. zwischen den Führungsflächen auf, deren Radius R2 kleiner als 0,5 mm ist. Es ist naheliegend, dass der Radius R2 in den Führungsflächen insbesondere zur Erzeugung von scharfen Kanten in den Profilen dient, während alle grösseren Rundungen durch entsprechende Ausgestaltung der Austrittsfläche selbstverständlich auch möglich sind. Mit Führungsflächen werden die parallel zur Pressrichtung liegenden Flächen im Werkzeug, senkrecht zur Stirnfläche, verstanden.
  • Die Strangpresswerkzeuge nach vorliegender Erfindung enthalten als keramische Werkstoffe bevorzugt ein durch tetragonales Zirkoniumdioxid verstärktes Aluminiumoxid. Vorteilhaft enthalten die Strangpresswerkzeuge als keramische Werkstoffe eine Mischung von Aluminiumoxid und yttriumoxidstabilisiertem, tetragonalen Zirkoniumdioxid. Gegebenenfalls kann der keramische Werkstoff zusätzlich durch keramische Fasern und/oder Whisker verstärkt werden. Beispielsweise kann das Strangpresswerkzeug Aluminiumoxid und 1 bis 25 Vol.-% Zirkoniumdioxid enthalten.
  • Zweckmässig sind Strangpresswerkzeuge, welche als keramische Werkstoffe β-Sialone mit den Sinteradditiven MgO, Y2O3, Al2O3 und alle seltenen Erden enthalten. Zweckmässig sind Strangpresswerkzeuge, welche als keramische Werkstoffe α-Sialone des allgemeinen Formelsystems M-Si-Al-O-N enthalten, wobei M die Bedeutung von Li,Ca,Y und allen seltenen Erden von Nd bis Lu hat.
  • Zweckmässig sind Strangpresswerkzeuge, welche als keramische Werkstoffe dichtes reaktionsgebundenes Siliciumnitrid mit hohem Nitridanteil enthalten und welches zusätzlich heiss isostatisch nachverdichtet wurde.
  • Die Strangpresswerkzeuge nach vorliegender Erfindung und dabei insbesondere der Teil aus keramischen Werkstoffen können beispielsweise derart hergestellt werden, dass ein feinkörniges Zirkonoxidpulver mit einem Aluminiumoxidpulver vermischt wird. Während des Mischvorganges können auch organische Substanzen als Bindemittel zugesetzt werden. Danach erfolgt die Formgebung. Sie wird z.B. entweder durch uniaxiales oder isostatisches Pressen bewerkstelligt oder durch einen Giessprozess. Die gepressten Teile werden drucklos gesintert, ev. nachgehippt oder heissgepresst. Werden Sialone als keramische Werkstoffe angewendet, so werden die keramischen Werkstoffe durch druckloses Sintern, Gasdrucksintern, Heisspressen, Hippen oder Nachhippen zu den Strangpresswerkzeugen verarbeitet. Nach einem Herstellungsverfahren nach vorliegender Erfindung beträgt die maximale Korngrösse der zur Anwendung gelangenden keramischen Werkstoffe 5 µm und weniger, zweckmässig 1 µm und weniger und bevorzugt 0,2 - 1,0 µm für die oxidischen Werkstoffe, bzw. 5 - 10 µm und einen Aspect-ratio von >> 2 für die Sialone.
  • Vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der Strangpresswerkzeuge für die Erzeugung von Profilen oder Hohlprofilen aus den Metallen der Reihe des Aluminiums oder der Legierungen des Aluminium, des Kupfers, des Messings, der Buntmetalle, des Stahls oder Eisens.
  • Besonders bevorzugt ist die Verwendung der Strangpresswerkzeuge für die Erzeugung von Profilen oder Hohlprofilen aus Aluminium einer Reinheit von 98,6 % oder aus den Aluminiumlegierungen.
  • Die Strangpresswerkzeuge nach vorliegender Erfindung aus keramischen Werkstoffen führen zu Profilen mit sehr glatter Oberfläche und ermöglichen eine hohe Pressgeschwindigkeit. Die Strangpresswerkzeuge weisen bei Arbeitstemperaturen bis 700 °C eine Biegefestigkeit von 500 bis 1000 MPa und eine hohe Härte bei dieser Arbeitstemperatur auf. Die hohe Zähigkeit kann bis zu KIC > 5MPam1/2 betragen. Vorteilhaft ist das Elastizitätsmodul und der thermische Ausdehnungskoeffizient der beschriebenen keramischen Werkstoffe in der Nähe von Stahl. Die keramischen Werkstoffe sollen eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Schliesslich weisen die erfindungsgemässen Strangpresswerkzeuge eine lange Lebensdauer von beispielsweise mehr als 300 Pressungen auf.

Claims (9)

  1. Keramisches Strangpresswerkzeug enthaltend die keramischen Werkstoffe aus der Reihe der Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik, insbesondere, aus zirkoniumdioxidverstärktem Aluminiumoxid oder aus einem Sialon, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R1 der Kanten zwischen der dem angepressten Werkstoff entgegengestellten Fläche des Werkzeuges und der Führungsflächen kleiner als 0,3 mm ist.
  2. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschlingungskreise grösser als 20 mm im Durchmesser sind.
  3. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem angepressten Werkstoff entgegengestellte Fläche des Werkzeuges und die Führungsfläche in einem rechten Winkel zueinander stehen.
  4. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken in der Kontur zwischen den Führungsflächen einen Radius R2 von kleiner als 0,5 mm aufweisen.
  5. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Werkstoffe ein durch tetragonales Zirkoniumdioxid verstärktes Aluminiumoxid enthalten.
  6. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Werkstoffe eine Mischung von Aluminiumoxid und yttriumoxidstabilisiertem, tetragonalen Zirkoniumdioxid enthalten.
  7. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Werkstoffe β-Sialone der mit den Sinteradditiven MgO, Y2O3, Al2O3 und alle seltenen Erden enthalten.
  8. Strangpresswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Werkstoffe α-Sialone des allgemeinen Formelsystems M-Si-Al-O-N enthalten, wobei M die Bedeutung von Li,Ca,Y und allen seltenen Erden von Nd bis Lu hat.
  9. Verwendung der Strangpresswerkzeuge nach Anspruch 1 für die Erzeugung von Profilen oder Hohlprofilen aus den Metallen der Reihe des Aluminiums oder der Legierungen des Aluminiums, des Kupfers, des Messings, der Buntmetalle, des Stahls oder Eisens.
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