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Neue Entwicklung von Hochwärmeleitfähigkeitsstählen
für den Leichtlegierungsdruckguss
Präsentation einer Fallstudie in Zusammenarbeit mit Seat
Isaac Valls
Ferran Contreras
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ROVALMA S. A.
Company Information about ROVALMA S.A.
� 1977: Unternehmensgründung als Anbieter von
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: Entwicklung von HTCS® Materialien
(High Thermal Conductivity Tool Steels)
� 2009: STM Stahl wird Vertriebspartner für deutsch-
sprachige Länder (DE; CH; AT).
� 2011: ESS (Elwood Special Steel) wird Vertriebs-
partner für die NAFTA Länder.
� 2013: Neues Vertriebszentrum für Südeuropa: 6000 m2
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HTCS® Werkzeugstähle
Technologie-Durchbruch
Här
te(H
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)
Wär
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(W/m
.K) 44 HRc
Max 42
low alloyed
tool steels
25
1.2343
1.2344
60-62
HTCS®
ROVALMA
1.2343
1.2344
low alloyed
tool steels
HTCS®
ROVALMA
Nac
h4h
bei
620º
C
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Hintergrund
2005
Erste Entwicklungvon HTCS®,
speziell für die Warmumformungauf Anfrage eines
eurropäischenOEM.
Ende der Exklusivitäts-
vereinbarung über die Verwendung von HTCS® für die
Warmumformung, HTCS® werden auf den internationalen
Märkten für die Warmumformung
präsentiert.
HTCS® Stählewerden für weitere
Warmarbeits-anwendungen wie
Druckguss, Schmieden, Spritzgusseingesetzt.
2008
Vertrieb derHTCS® Stähle in
den USA.
2012: ErstePatentzulassungen
in EUROPA und den USA.
Neue Stähle fürWarmumformung &
Druckguss(HTCS®-DC Familie) werden entwickeltund auf den Markt
gebracht.
2012 20132009 20112010
Umfangreiche Feldstudien um
optimale Arbeitsparameter zu
identifizieren und HTCS ®-Güten für unterschiedliche Warmarbeits -
Anwendungen zu optimieren.
ErstePatentanmeldung
2006
HTCS® Werkzeugstähle
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� Oberflächentemperatur� Thermische Ermüdung� Wärmeschocks� Auswaschungen� andere Fehler-
mechanismen
� Zykluszeit� Effizienz� Erhitzen� Abkühlen
� Verfestigunsrate� Verteilung der Porosität
Produktivität
Die Form im Herzen des Prozesses
Hochdruck-Druckguss
Wärmeleit-fähigkeit der
Form
Produktions-stabilität
� Anheften� Kratzer� Hot Spots
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Erste Generation
• HTCS®-117: Verbesserte mechanische Eigenschaften für einen niedrig legierten Werkzeugstahl
• HTCS®-150: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und erheblich höhere Verschleissbeständigkeit als “1.2344” und “1.2367” bei gleichhohem Zähigkeitsniveau.
• HTCS 170: Hohe Wärmeleitfähigkeit bei einem hochlegierten Werkzeugstahl (typischesLegierungsniveau von Kaltarbeitsstählen). Exzellente Verschleissbeständigkeit sogar beigrossen abrasiven Partikeln.
• HTCS 130: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Verscheissbeständigkeit.
• HTCS 135: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Härtbarkeit.
HTCS® Werkzeugstähle
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1 0
1 1
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1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
3 5 0
4 0 0
4 5 0
5 0 0
3 8 7 6 3 8 7 8 3 8 8 0 3 9 1 4 3 9 2 5 3 9 2 7 3 9 7 8 3 9 8 0 3 9 8 1
q (M
W/m
2 )T
(ºC)
S h o t s e q n º ( - )
Tdie surface_1,2343
Tdie surface_HTCS
qdie surface_1,2343
qdie surface_HTCS
Tdie-intial
T [ºF]
930
390
660
840
480
Wärmefluss
[kW/in2]
6.5
3.2
5.2
He
at
flu
x
4.5
7.1
HTCS® WerkzeugstähleErste Generation
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240
260
280
300
320
340
360
140 160 180 200 220 240
y = 385,11 - 0,66712x R= 0,93915
y = 448,23 - 0,75987x R= 0,96756
Initial die temperature (ºC)
H11
HTCS
200
225
250
275
300
325
350
1.2343HTCS
Tem
per
atu
re v
ari
atio
n o
f th
e d
ie s
urf
ace
(ºC
)
Shot seq nº (-)
[ºF]
355285 430
[ºF]
645
500
570
(ºF
)
(662)
(617)
(572)
(527)
(482)
(437)
(392)
HTCS® WerkzeugstähleErste Generation
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HTCS® WerkzeugstähleErste Generation
1.2343 non-
optimized conditions
1.2343 optimized
conditions
HTCS non -optimized
conditions
HTCS optimized
conditions
relevanter thermischer Gradient derzu thermischen Spannungen führt
Hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht die thermischen Spannungen auf der Oberfläche merklich zuverringern. Diese Möglichkeit muss auch GENUTZT werden !!
Konventionelle Werkzeugstähle 35.000 / 70.000 Schuss -> 80.000 / 180.000 Schuss in 50 Jahren:
• Gussform Design
• J.F. Wallace zeigt Optimierungsbedarf auf
• Prozessparameter
-> Übersetzungsfaktor
-> DC Stahlgüte-Familie
-> Rovalmas Erfahrungen
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380
400
420
440
460
480
500
520
160
180
200
220
240
260
280
300
Shot Nº (-)
T_surface_HTCS
T_surface_H11
T_initial_HTCS
T_initial_H11
120
140
160
180
200
220
40 45 50 55 60 65 70
T-1mm_HTCST-10mm_HTCST-1mm_H11T-10mm_H11
t (s)
[ºF]
930
825
720
[ºF]
530
320
[ºF]
430
355
250
HTCS® WerkzeugstähleErste Generation
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HTCS® WerkzeugstähleZweite Generation
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Wichtigste Optimierungen
Reinheit
CVN (20 ft/lbs )
σ0.2%(198x103 psi )
NADCASEP 1614
ASTM-A370ASTM E10
S < 0.0002 % (2ppm)P < 0.001 % (10 ppm)
O, N, H2, Ni, Al,…..
+ 15 %
HTCS®-DC für Druckguss
Micro-reinheit
Wärmeleitfähigkeit
MikrostrukturMechanische
Eigenschaften
ASTM E45(Method A)
Thin Heavy
A 0 0
B 0 0
C 0 0
D 0-0.5 0
HTCS® WerkzeugstähleZweite Generation
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HTCS® WerkzeugstähleZweite Generation
HTCS®-130 DC für Druckguss
Thermo-mechanische Eigenschaften
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KUNDENmit Rechnungsadresse:
Österreich, Deutschland oderSchweiz
HTCS® WerkzeugstähleZweite Generation
STM 7 Niederlassungen
in A, CH & DE
ROVALMA
Abteilung
Applications Engineering
Aufträge kleinerals 1,5 Tonnen
Aufträge grösserals 1,5 Tonnen
STM 7 Niederlassungen
in A, CH & DE
ROVALMA
European Headquarters
Kunde wählt, von wo erbeliefert werden möchte
STM Stahl : Hauptsitz in München
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HTCS®
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
SEAT COMPONENTES is a company owned by SEAT, SA and part of theVolkswagen Group, builds gearboxes for the brands: SEAT, Volkswagen, Audi andSkoda.
PRESENTATION SEAT COMPONENTES
MQ200 5F/6F/GA/GA+
Brands
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HTCS® tool steelsSecond generation Case study
•MAIN DATA
• Employes 1.080
•Capacity 3.200 gearboxes / day
600.000 gearboxes / year
•Surface 155.000 m2
•Location BARCELONA
•MAIN DATA FOUNDRY
•Employes 60
•Die casting machines 9
•Melting Furnace 2
•Melting Rate / day 64 Tn
PRESENTATION SEAT COMPONENTES
7 x 1650 Tn2 x 3300 Tn
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HTCS®
Total weight 10 Kg
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
Machine: Cold chamber, Italpresse
Force: 1650 ton
Cast alloys: Al-9Si-3Cu
Cooling Media: Water
� An identical die built of 1.2343 has been followed for
comparison purposes.
Molde nuevo
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Cycle time reduction(s)Process
Productivity
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
0
20
40
60
80
100
1.2343 HTCS®
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Process
19
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
0
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40
60
80
100
1.2343 HTCS®
Productivity
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HTCS® tool steelsSecond generation Case study
0
20
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60
80
100
1.2343 HTCS®
Product qualityScrap castings
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Significant improvement in the onset time of the corner and thermal fatigue cracks
HTCS®1.2343
Tool durability
13.100 cycles12.000cycles
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
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Corner Cracks
Tool durability
HTCS®
1.2343 1.2343 1.2343
HTCS® HTCS®
Geometrical cracksTypical thermal fatigue
The
die
1,2
343
ws
dism
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the
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perf
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ages
After 30,500 shots
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
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Tool durability
1.2343 -30,500 shots
HTCS® -61,341 shots
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
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1.2343 - 30,500 shots HTCS® - 30,500 shots
HTCS® - 61,341 shots
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
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1.2343 - 30,500 shots HTCS® - 30,500 shots
HTCS® - 61,341 shots
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1.2343 - 30,500 shots HTCS® - 30,500 shots
HTCS® - 61,341 shots
HTCS® tool steelsSecond generation Case study
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� 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.
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
1.2343 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:
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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.
Danksagung
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Gerne beantworten wir Ihnen weitere Fragen an unserem
Stand 553 / Halle 7A
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!!!