Verschleissbeständiger Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Es wird ein verschleißbeständiger Verbundkörper beschrieben, der aus einem metallischen Basiswerkstoff besteht und eine verschleißbeständige Zone aufweist, die neben dem Basiswerkstoff Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen enthält. Der Basiswerkstoff ist aus 0,001 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 8 Gew.-% Bor, 1 bis 8 Gew.-% Niob, 0,2 bis 6 Gew.-% Chrom, 0 bis 30 Gew.-% Nickel, 0 bis 10 Gew.-% Mangan, 0 bis 6 Gew.-% Vanadin, 0 bis 5 Gew.-% Molybdän, 0 bis 5 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen zusammengesetzt. Es wird ferner ein Gießverfahren zur Herstellung des Verbundkörpers beschrieben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen verschleißbeständigen Verbundkörper, der aus einem metallischen Basiswerkstoff besteht und eine verschleißbeständige Zone aufweist, die neben dem Basiswerkstoff Hartstoff-und/oder Hartmetallteilchen enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses verschleißbeständigen Verbundkörpers.

[0002] Zu den Verbundkörpern der eingangs genannten Art gehören Verschleißteile, die mit Aufschweißlegierungen gepanzert sind. Die Aufschweißlegierungen bestehen aus Hartstoff- oder Hartmetallteilchen, die von einem Schweißelektrodenmantel umgeben sind. Beim Aufschweißen auf eine metallische Unterlage bildet der Elektrodenmantel eine Metallmatrix, in welche die Hartstoff-und Hartmetallteilchen eingelagert werden. Die metallische Unterlage und der Elektrodenmantel können aus der gleichen Legierung bestehen. Das aufgeschweißte Material bildet die verschleißbeständige Zone des Verschleißteils. Der Einsatz von Aufschweißlegierungen ist aber dadurch begrenzt, daß nur dünne Schichten fest genug auf der Metallunterlage haften und daß die dünnen Schichten verhältnismäßig schnell zerstört werden.

[0003] Ferner ist aus der DE-PS 2 919 477 ein verschleißfester Verbundkörper der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Basiswerkstoff aus 1 bis 4 Gew.-% Kohlenstoff, 0,3 bis O,6 Gew.-% Silicium, 0,5 bis 1,5 Gew.―% Mangan, 0,8 bis 2,8 Gew.-% Vanadin, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Chrom, 2 bis 10 Gew.-% Wolfram, 0,01 Gew.-% Aluminium und Rest Eisen besteht und bei dem die Ausgangseinwaage an Hartstoff bzw. Hartmetall zum Basiswerkstoff ein Verhältnis von 1:5 aufweist, wobei die Körnung der Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen 0,5 bis 5 mm beträgt. Dieser Verbundkörper wird dadurch hergestellt, daß auf eine nach dem Erschmelzen in eine Form gegossene, flüssige Metalllegierung Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner von 0,5 bis 5 mm Größe unter gleichzeitiger Abkühlung der Schmelze gegeben werden, wobei die Hartmetall-und Hartstoffkörner in der Schmelze absinken. Der aus der DE-PS 2 919 477 bekannte Verbundkörper hat den Nachteil, daß sein Basiswerkstoff nur schwer spanend bearbeitet werden kann und daß daher sein hartstoff- und/oder hartmetallfreier Bereich praktisch nicht aus dem Basiswerkstoff zu fertigen ist. Vielmehr wird der aus der DE-PS 2 919 477 bekannte Verbundkörper auf eine metallische Unterlage aufgelötet oder aufgeschweißt, wenn er zu einem verschleißbeständigen Werkstück bzw. Maschinenteil verarbeitet werden soll. Dabei hat es sich zusätzlich als nachteilig erwiesen, daß die Legierung, aus der der Basiswerkstoff des Verbundkörpers nach der DE-PS 2 919 477 besteht, nur schwer schweißbar ist.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundkörper der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen hartmetall- bzw. hartstofffreier metallischer Bereich gut spanend bearbeitet werden kann und gut schweißbar ist, um den Verbundkörper mit anderen Metallteilen schnell und sicher verbinden zu können. Dies bedeutet, daß ein Basiswerkstoff gefunden werden mußte, der spanend bearbeitet sowie geschweißt werden kann und der so niedrig schmilzt, daß er als Metallmatrix zur Einlagerung von Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen geeignet ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers zu schaffen.

[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Basiswerkstoff aus 0,001 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 8 Gew.-% Bor, 1 bis 8 Gew.-% Niob, 0,2 bis 6 Gew.-% Chrom, O bis 30 Gew.-% Nickel, O bis 10 Gew.-% Mangan, O bis 6 Gew.-% Vanadin, O bis 5 Gew.-% Molybdän, O bis 5 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen zusammengesetzt ist, daß die Hartstoff- und Hartmetallteilchen einen Durchmesser von 0,1 bis 20 mm aufweisen und daß der Anteil der Hartstoff- und Hartmetallteilchen in der verschleißbeständigen Zone zwischen 25 und 95 Vol.-% liegt. Es hat sich gezeigt, daß eine Legierung mit der vorstehend genannten Zusammensetzung einen niedrigen Schmelzbereich besitzt, der unterhalb 1400 ⁰C liegt, und daß diese Legierung überraschenderweise gut spanend bearbeitet werden kann und gut schweißbar ist sowie Hartstoff-und Hartnetallteilchen fest einlagert. Der Basiswerkstoff ermöglicht es daher, daß Verbundkörper mit großen Abmessungen hergestellt werden können, die sowohl einen gut schweißbaren sowie gut spanend bearbeitbaren metallischen, hartstoff- sowie hartmetallfreien Bereich als auch eine verschleißbeständige, hartstoff-sowie hartmetallhaltige verschleißbeständige Zone besitzen und in denen die verschleißbeständige Zone voll integriert ist.

[0006] Der erfindungsgemäße Verbundkörper hat besonders vorteilhafte Eigenschaften und ist insbesondere gut schweißbar, wenn der Basiswerkstoff aus 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Gew.-% Bor, 2 bis 4 Gew.-% Niob, 2 bis 4 Gew.-% Chrom, 10 bis 20 Gew.-% Nickel, 4 bis 8 Gew.-% Mangan, 1 bis 3 Gew.-% Vanadin, 0 bis 2 Gew.-% Molybdän, 1 bis 3 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen zusammengesetzt ist.

[0007] Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hartstoffteilchen aus WC und/oder W₂C und daß die Hartmetallteilchen aus gebrochenem Hartmetallschrott bestehen. Hartstoffe im Sinne der Erfindung sind harte Carbide, Nitride, Boride, Oxide und Silicide. Hartmetalle im Sinne der Erfindung sind Legierungen, die aus einem oder mehreren Hartstoffen insbesondere Carbiden, und einem Bindemetall, das aus Eisen, Cobalt und/oder Nickel besteht, zusammengesetzt sind. Hartmetallschrott fällt als Abfallprodukt bei den Herstellern und Anwendern von Hartmetallerzeugnissen an und kann nach der Erfindung besonders vorteilhaft wiederverwendet werden.

[0008] Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß der Anteil der verschleißbeständigen Zone im Verbundkörper zwischen 2 und 50 Vol.-% liegt. Insbesondere bei größeren Verschleißteilen ist es vorteilhaft, daß nur ein verhältnismäßig geringer Teil des Verbundkörpers als verschleißbeständige Zone ausgebildet werden kann und daß der restliche Teil als hartstoff- und hartmetallfreier metallischer Bereich zur Verfügung steht, der gut spanend bearbeitet und geschweißt werden kann.

[0009] Die der Erfindung .zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung des Verbundkörpers gelöst, bei dem eine Metallschmelze, die aus 0,001 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 8 Gew.-% Bor, 1 bis 8 Gew.-% Niob, 0,2 bis 6 Gew.-% Chrom, 0 bis 30 Gew.-% Nickel, O bis 10 Gew.-% Mangan, O bis 6 Gew._-% Vanadin, O bis 5 Gew.-% Molybdän, 0 bis 5 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen besteht, in eine keramische Form gegossen wird und bei dem danach in die flüssige Metallschmelze Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen, die einen Durchmesser von 0,1 bis 20 mm haben, in einer solchen Menge eingebracht werden, daß ihr Anteil in der verschleißbeständigen Zone zwischen 25 und 95 Vol.-% liegt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der metallische Bereich und die verschleißbeständige Zone einen Körper bilden. Außerdem sind die Hartstoff- und Hartmetallteilchen in der Metallmatrix fest eingelagert, was dadurch erreicht wird, daß die Hartstoff- und Hartmetallteilchen beim Absinken in der Schmelze an ihrer Oberfläche angelöst werden und daher sehr fest in der Metallmatrix der verschleißbeständigen Zone eingebettet sind, die sich am Grund der Gußform ausbildet. Hartstoff- und Hartmetallteilchen, die eine unregelmäßige geometrische Form haben, werden besonders fest in der Metallmatrix eingelagert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders wirtschaftlich durchgeführt werden, wenn die Form aus gebundenem Formsand besteht.

[0010] Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß die Hartstoff-und/oder Hartmetallteilchen entweder gleichmäßig auf die Oberfläche der Metallschmelze gestreut werden oder daß die in einen rückstandsfrei verdampfenden Kunststoffträger eingebetteten Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen vor dem Abguß in die Form eingebracht werden. Nach beiden Verfahrensvarianten sinken die Hartstoff- und Hartmetallteilchen in der flüssigen Metallschmelze nach unten und bilden dort die verschleißbeständige Zone des Verbundkörpers. Das Absinken der Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen in der Metallschmelze kann dadurch vorteilhaft beeinflußt werden, daß die Form während des Einbringens dieser Teilchen vibriert, also durch eine entsprechende Vorrichtung in eine Vibrationsbewegung versetzt wird.

[0011] Schließlich ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Verbundkörper zur Herstellung von Werkzeugen zum Abtragen und/oder Zerkleinern von Kohle, Gesteinen, Mineralien, Erdreich, Glas und Müll verwendet wird, da derartige Werkzeuge einem besonders großen Verschleiß unterliegen, unterschiedliche geometrische Formen und Größen aufweisen sowie lösbar oder fest mit den entsprechenden Werkzeugmaschinen verbunden werden müssen. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Verbundkörper durch das Verfahren zu seiner Herstellung zu einem aufschweißbaren Baggerzahn, einem Gesteinsbohrer, einem durch Verschraubung zu befestigenden Schläger für Hammermühlen oder einer Prallplatte für Prallmühlen verarbeitet werden.

[0012] Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.

[0013] Zur Herstellung eines Schlägers, der in eine Hammermühle eingebaut und dort durch Verschraubung befestigt werden soll und dessen Abmessungen 160 x 200 x 500 mm betragen, wird eine Legierung, die aus 0,2 Gew.-% Kohlenstoff, 1,5 Gew.-% Silicium, 5 Gew.-% Mangan, 2 Gew.-% Chrom, 15 Gew.-% Nickel, 3 Gew.-% Niob, 1 Gew.-% Bor,. 1 Gew.―% Vanadin und Rest Eisen besteht, in eine keramische Form aus gebundenem Formsand abgegossen. In die Form wurde vor dem Abguß ein Kunststoffträger eingebracht, in den unregelmäßig geformte Hartmetallteilchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 2 mm eingebettet sind. Der Kunststoffträger verdampft beim Abguß rückstandsfrei, und die Hartmetallteilchen sinken in der Metallschmelze ab und bilden im unteren Teil des gegossenen Verbundkörpers die verschleißbeständige Zone, die ca. 10 Vol.-% des Schlägers einnimmt und einen Hartmetallgehalt von ca. 80 Vol.-% hat. Die Zeichnung zeigt den Querschnitt des Schlägers, der aus dem hartmetallfreien metallischen Bereich 1 und der hartmetallhaltigen verschleißbeständigen Zone 2 besteht. In den metallischen Bereich 1 wurden nach dem Abguß die Bohrungen 3 und 4 angebracht, über die der Schläger an der Hammermühle befestigt wird. Der Schläger besitzt in seinen einzelnen Bereichen folgende Härten:

metallischer Bereich HV30 = 240,

verschleißbeständige Zone HV30 = 450 - 550,

Hartmetallteilchen in der ver-schleißbeständigen Zone HV30 = 1100.

[0014] Der entsprechend der Erfindung ausgebildete Schläger hat sich im praktischen Einsatz bei der Zerkleinerung von Kalksandstein sehr gut bewährt.

Ansprüche

1. Verschleißbeständiger Verbundkörper, der aus einem metallischen Basiswerkstoff besteht und eine verschleißbeständige Zone aufweist, die neben dem Basiswerkstoff Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff aus 0,001 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 8 Gew.-% Bor, 1 bis 8 Gew.-% Niob, 0,2 bis 6 Gew.-% Chrom, O bis 30 Gew.-% Nickel, 0 bis 10 Gew.-% Mangan, 0 bis 6 Gew.-% Vanadin, 0 bis 5 Gew.-% Molybdän, O bis 5 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen zusammengesetzt ist, daß die Hartstoff- und Hartmetallteilchen einen Durchmesser von 0,1 bis 20 mm aufweisen und daß der Anteil der Hartstoff- und Hartmetallteilchen in der verschleißbeständigen Zone zwischen 25 und 95 Vol.-% liegt.

2. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff aus 0,05 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Gew.-% Bor, 2 bis 4 Gew.-% Niob, 2 bis 4 Gew.-% Chrom, 10 bis 20 Gew.-% Nickel, 4 bis 8 Gew.-% Mangan, 1 bis 3 Gew.-% Vanadin, O bis 2 Gew.-% Molybdän, 1 bis 3 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen zusammengesetzt ist.

3. Verbundkörper nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen aus WC und/oder W₂C bestehen.

4. Verbundkörper nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallteilchen aus gebrochenem Hartmetallschrott bestehen.

5. Verbundkörper nach den Ansprüchen bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der verschleißbeständigen Zone im Verbundkörper zwischen 2 und 50 Vol.-% liegt.

6. Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers nach den Ansprüchen bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschmelze, die aus 0,001 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 8 Gew.-% Bor, 1 bis 8 Gew.-% Niob, 0,2 bis 6 Gew.-% Chrom, O bis 30 Gew.-% Nickel, O bis 10 Gew.-% Mangan, O bis 6 Gew.-% Vanadin, O bis 5 Gew.-% Molybdän, O bis 5 Gew.-% Silicium sowie Rest Eisen besteht, in eine keramische Form gegossen wird und daß danach in die flüssige Metallschmelze Hartstoff-und/oder Hartmetallteilchen, die einen Durchmesser von 0,1 bis 20 mm haben, in einer solchen Menge eingebracht werden, daß ihr Anteil in der verschleißbeständigen Zone zwischen 25 und 95 Vol.-% liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form aus gebundenem Formsand besteht.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen gleichmäßig auf die Oberfläche der Metallschmelze gestreut werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in einen rückstandsfrei verdampfenden Kunststoffträger eingebetteten Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen vor dem Abguß in die Form eingebracht werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Form während des Einbringens der Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen vibriert.

11. Verwendung des Verbundkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Herstellung von Werkzeugen zum Abtragen und/oder Zerkleinern von Kohle, Gesteinen, Mineralien, Erdreich, Glas und Müll.

Zeichnung