Neue Entwicklung von Hochwärmeleitfähigkeitsstählen für den Leichtlegierungsdruckguss

Transkript

1 innovation through die material Neue Entwicklung von Hochwärmeleitfähigkeitsstählen für den Leichtlegierungsdruckguss Isaac Valls Präsentation einer Fallstudie in Zusammenarbeit mit Seat Ferran Contreras ROVALMA,S.A. all rights reserved. This presentation may not be, entirely or partially, reproduced, copied, distributed or modified, without the explicit authorization by ROVALMA, S.A.. In particular, it is prohibited to alter the content s and/or use, any information provided herein, out of context. DISCLAIMER: All information provided in this presentation is provided AS IS and without warranty, express or implied, of any kind regarding completeness, faultlessness, merchantability or fitness for any purpose. All information shall be provided and accepted at Reader s / Receiver s risk.

2 ROVALMA S. A. Company Information about ROVALMA S.A. 1977: Unternehmensgründung als Anbietervon Spezialstählen und Sonderlegierungen 1994: Einrichtung einer Forschungs-und Entwicklungsabteilung 2001: Erste Werkzeugstahlentwicklung für das Formen von AHSS (Güte: HWS ) 2003: Markteinführung von HWS nach erfolgreichen Feldversuchen 2006: EntwicklungvonHTCS Materialien (High Thermal Conductivity Tool Steels) 2009: STM Stahl wird Vertriebspartner für deutschsprachige Länder(DE; CH; AT). 2011: ESS(Elwood Special Steel) wird Vertriebspartner für die NAFTA Länder. 2013: Neues Vertriebszentrum für Südeuropa: 6000 m 2

3 HTCS Werkzeugstähle Technologie-Durchbruch Wärmeleitfähigkeit (W/m.K) Max HRc Härte (HRC) Nach 4h bei 620ºC low alloyed tool steels HTCS ROVALMA HTCS ROVALMA low alloyed tool steels

4 HTCS Werkzeugstähle Hintergrund Erste Entwicklung von HTCS, speziellfürdie Warmumformung auf Anfrage eines eurropäischen OEM. Ende der Exklusivitätsvereinbarung über die Verwendung von HTCS für die Warmumformung, HTCS werden auf den internationalen Märkten für die Warmumformung präsentiert. Vertrieb der HTCS Stählein den USA. Neue Stähle für Warmumformung& Druckguss (HTCS -DC Familie) werden entwickelt und auf den Markt gebracht Erste Patentanmeldung HTCS Stähle werden für weitere Warmarbeitsanwendungen wie Druckguss, Schmieden, Spritzguss eingesetzt. Umfangreiche Feldstudien um optimale Arbeitsparameter zu identifizieren und HTCS -Güten für unterschiedliche Warmarbeits - Anwendungen zu optimieren. 2012: Erste Patentzulassungen in EUROPA und den USA.

5 Hochdruck-Druckguss Die Form im Herzen des Prozesses Produktionsstabilität Anheften Kratzer Hot Spots Oberflächentemperatur Thermische Ermüdung Wärmeschocks Auswaschungen andere Fehlermechanismen Wärmeleitfähigkeit der Form Produktivität Verfestigunsrate Verteilung der Porosität Zykluszeit Effizienz Erhitzen Abkühlen

6 HTCS Werkzeugstähle Erste Generation HTCS -117: Verbesserte mechanische Eigenschaften für einen niedrig legierten Werkzeugstahl HTCS -150: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und erheblich höhere Verschleissbeständigkeit als und bei gleichhohem Zähigkeitsniveau. HTCS 170: Hohe Wärmeleitfähigkeit bei einem hochlegierten Werkzeugstahl (typisches Legierungsniveau von Kaltarbeitsstählen). Exzellente Verschleissbeständigkeit sogar bei grossen abrasiven Partikeln. HTCS 130: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Verscheissbeständigkeit. HTCS 135: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Härtbarkeit. 6

7 HTCS Werkzeugstähle Erste Generation Wärmefluss [kw/in 2 ] 1 2 T die surface _1,2343 T [ºF] T die surface _HTCS q (MW/m 2 ) Heat flux q die surface _HTCS q die surface _1,2343 T die-intia l T(ºC) S h o t s e q n º (-) 1 5 0

8 HTCS Werkzeugstähle Erste Generation [ºF] y = 448,23-0,75987x R= 0,96756 y = 385,11-0,66712x R= 0,93915 H11 HTCS (ºF) Temperature variation of the die surface (ºC) 350 (662) 325 (617) 300 (572) 275 (527) 250 (482) 225 (437) 200 (392) HTCS Shot seq nº (-) Initial die temperature (ºC) [ºF]

9 HTCS Werkzeugstähle Erste Generation relevanter thermischer Gradient der zu thermischen Spannungen führt nonoptimized conditions optimized conditions HTCS non -optimized conditions HTCS optimized conditions Konventionelle Werkzeugstähle / Schuss -> / Schuss in 50 Jahren: Gussform Design J.F. Wallace zeigt Optimierungsbedarf auf Prozessparameter -> Übersetzungsfaktor -> DC Stahlgüte-Familie -> Rovalmas Erfahrungen Hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht die thermischen Spannungen auf der Oberfläche merklich zu verringern. Diese Möglichkeit muss auch GENUTZT werden!!

10 HTCS Werkzeugstähle Erste Generation [ºF] [ºF] [ºF] T_surface_H T_surface_HTCS T_initial_H11 T_initial_HTCS T-1mm_HTCS T-10mm_HTCS T-1mm_H11 T-10mm_H Shot Nº (-) t (s)

11 HTCS Werkzeugstähle Zweite Generation

12 HTCS Werkzeugstähle Zweite Generation HTCS -DC für Druckguss Wichtigste Optimierungen Reinheit Microreinheit Wärmeleit fähigkeit Mikrostruktur Mechanische Eigenschaften ASTM-A370 ASTM E10 S < % (2ppm) P < % (10 ppm) O, N, H2, Ni, Al,.. ASTM E45 (Method A) Thin Heavy A 0 0 B 0 0 C 0 0 D % NADCA SEP 1614 CVN (20 ft/lbs ) σ 0.2% (198x10 3 psi )

13 HTCS Werkzeugstähle Zweite Generation HTCS -130 DC für Druckguss Thermo-mechanische Eigenschaften

14 HTCS Werkzeugstähle Zweite Generation Aufträge kleiner als 1,5 Tonnen KUNDEN mit Rechnungsadresse: Österreich, Deutschland oder Schweiz Aufträge grösser als 1,5 Tonnen Kunde wählt, von wo er beliefert werden möchte STM 7 Niederlassungen in A, CH & DE STM 7 Niederlassungen in A, CH & DE ROVALMA Abteilung Applications Engineering ROVALMA European Headquarters STM Stahl : Hauptsitz in München

15 HTCS tool steels Second generation Case study PRESENTATION SEAT COMPONENTES SEAT COMPONENTES is a company owned by SEAT, SA and part of the Volkswagen Group, builds gearboxes for the brands: SEAT, Volkswagen, Audi and Skoda. Brands HTCS MQ200 5F/6F/GA/GA+

16 HTCS tool steels Second generation Case study PRESENTATION SEAT COMPONENTES MAIN DATA Employes Capacity gearboxes / day gearboxes / year Surface m 2 Location BARCELONA MAIN DATA FOUNDRY Employes 60 Die casting machines 9 Melting Furnace 2 Melting Rate / day 64 Tn 7 x 1650 Tn 2 x 3300 Tn

17 HTCS tool steels Second generation Case study Machine: Cold chamber, Italpresse Force: 1650 ton Cast alloys: Al-9Si-3Cu Cooling Media: Water HTCS Molde nuevo Total weight 10 Kg An identical die built of has been followed for comparison purposes.

18 HTCS tool steels Second generation Case study Cycle time reduction(s) Process Productivity HTCS

19 HTCS tool steels Second generation Case study Productivity Process HTCS

20 HTCS tool steels Second generation Case study Scrap castings Product quality HTCS

21 HTCS tool steels Second generation Case study Tool durability Significant improvement in the onset time of the corner and thermal fatigue cracks HTCS cycles cycles

22 Corner Cracks HTCS HTCS tool steels The die 1,2343 ws dismounted for the general maintainance because of the important superficial damages Second generation Case study After 30,500 shots Typical thermal fatigue Tool durability Geometrical cracks HTCS HTCS

23 HTCS tool steels Second generation Case study Tool durability ,500 shots HTCS - 61,341 shots

24 HTCS tool steels Second generation Case study ,500 shots HTCS - 30,500 shots HTCS - 61,341 shots

25 ,500 shots HTCS - 30,500 shots HTCS - 61,341 shots

26 HTCS tool steels Second generation Case study ,500 shots HTCS - 30,500 shots HTCS - 61,341 shots

27 Zusammenfassung Eine neue Generation HTCS wurde vorgestellt, deren Eigenschaften gezielt auf Druckgussanwendungen hin optimiert wurden. Anhand eines Fallbeispiels wurden die Ergebnisse einer Vergleichsstudie analysiert und dargestellt, bei der die gleichen Gussformen einerseits aus HTCS -Material der 2. Generation und andererseits aus dem klassischen Werkzeugstahl hergestellt worden waren. Die Fallstudienergebnisse machen deutlich, dass die Gussformen aus HTCS einen höheren Wärmetransfer von der Gussform-Guss-Schnittstelle zum Kühlmittel ermöglichen. Dieser Effekt hatte folgende Vorteile hinsichtlich der Gussformen aus HTCS zur Folge: Höhere Produktivität durch kürzere Zykluszeit Verbesserte mechanische Eigenschaften der produzierten Teile durch eine höhere Verfestigungsrate Späterer Eintritt von thermischen Ermüdungs-Rissen aufgrund der niedrigeren Gussformoberflächentemperatur Bessere Temperaturverteilung auf der Gussformoberfläche Bessere Begrenzung von sogenannten Hot Spots Weitere Vorteile, die aus einem besseren Wärmemanagement der Gussformen resultieren.

28 Danksagung Die vorgestellten Daten und Arbeiten resultieren aus verschiedenen Forschungskooperation und -projekten. Der Autor dankt den Partnern von Seat Componentes, und ebenso für die Unterstützung der Spanischen Regierung, durch deren Agentur CDTI, sowie der Generalitat de Catalunya, durch deren Agentur ACC1O.

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!! Gerne beantworten wir Ihnen weitere Fragen an unserem Stand 553 / Halle 7A