Feinguss mit Verschleissflächen

Abstract

 Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich Gussstücke (1) mit verbundartig eingelagerter Keramik herstellen. Dabei wird überhitzte Schmelze in eine keramische Formschale (30), in deren Hohlraum mindestens ein poröser Keramikkörper integriert ist, gegossen. Ein solcher Keramikkörper (2), der einen vollständig kommunizierenden Porenraum (22) aufweist und dessen Keramikstrukur (26) ein dreidimensionales Netz bildet, füllt zumindest teilweise den Hohlraum der Formschale. Der poröse Keramikkörper steht in Verbindung mit der Wand der Formschale.
Bei Refinerplatten (1) für die Papierherstellung lassen sich die Stege (10) im Bereich (20) der Mahlflächen (15) mit eingelagerter Keramik (2) verstärken. Auch Turbinenschaufeln (100) mit gepanzerter Schaufelspitze lassen sich als erfindungsgemässe Gussstücke fertigen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Gussstücken mit verbundartig eingelagerter Keramik sowie auf Gussstücke, die mittels eines derartigen Verfahrens hergestellt sind.

[0002] Bei Verbundwerkstoffen sind verschiedene Arten von Stoffgruppen zusammengefügt, wobei in vielen Fällen eine erste Phase durch einen Basiswerkstoff gebildet wird und eine zweiten Phase - in einer besonderen räumlichen Anordnung - in die erste Phase eingelagert ist. Oft ist der Basiswerkstoff metallisch (Reinmetall oder Legierung) und die Einlagerungen bestehen aus keramischem Material. Bei Dispersionslegierungen (dispersionsgehärteten Werkstoffen) sind harte Teilchen - gebildet beispielsweise durch Oxide, Karbide, Boride oder Nitride - in feindispersiver Form in die metallische erste Phase eingelagert. Bei einer anderen Art von Teilchenverbundwerkstoffen, nämlich den sogenannten Cermets (ceramics/metals), dient die erste Phase als Bindemittel für die keramischen Teilchen der zweiten Phase, welche volumenbezogen den Hauptteil des Verbundwerkstoffes ausmacht. Cermets werden pulvermetallurgisch hergestellt. Sie eignen sich als verschleissfeste Werkstoffe.

[0003] Bei verschiedenen mechanischen Verfahren werden Vorrichtungskomponenten, die als Gussstücke hergestellt sind, starkem Verschleiss unterworfen. Solche Gussstücke trifft man beispielsweise in Refinern bei der Papierherstellung an. In den Refinern wird der im Pulper aufgelöste Faserstoff zwischen Platten mit scharfkantigen Stegen gemahlen, wobei die Fasern zerschnitten und fibrilliert werden. Die Stege der Refinerplatten verlieren beim Mahlvorgang durch Abrasion, Erosion und Korrosion an Höhe und die Kanten werden durch plastische Verformung abgerundet. Um die Verschleissfestigkeit der Refinerplatten zu erhöhen, wird eine Verstärkung der Mahlflächen benötigt: Die Stege sollen - ähnlich wie bei den Cermets oder den Dispersionslegierungen - mittels Keramik verstärkt werden. Um die bei den bekannten Refinern gebene hohe Zähigkeit der Stegbasis zu erhalten, soll die Keramikeinlagerung auf den oberen Bereich der Stege bei den Mahlflächen beschränkt bleiben.

[0004] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Gussstücken zu schaffen, bei dem das Gussstück zumindest teilweise durch verbundartig eingelagerte Keramik verstärkt wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Beim Beispiel der Refinerplatten muss in den Stegen und zwar im Bereich, der durch die Verschleissvorgänge abgetragen wird, für die keramische Verstärkung des Gusses gesorgt werden. Anders als bei den Cermets und Dispersionslegierungen, wo die keramische Phase innerhalb der metallischen Phase mikroskopisch verteilt ist, weisen bei den erfindungsgemässen Gussstücken die keramischen Einlagerungen einen makroskopischen Charakter auf.

[0005] Der erfindungsgemässe Guss wird mittels eines Feingussverfahrens ausgeführt, bei dem ausschmelzbare oder ausbrennbare Modelle für die Herstellung der Formschale benutzt werden. Für die unverstärkten Teile des Gussstücks wird für das Modell mit Vorteil Wachs verwendet. In das Gussmodell werden die für die Verstärkung vorgesehenen porösen Keramikkörper integriert, wobei die Porenräume der Keramikkörper zuvor mit Wachs gefüllt werden - oder statt Wachs mit einem Kunststoff, der sich beim Brennen der Formschale rückstandfrei verflüchtigt.

[0006] Der poröse Keramikkörper, der einen vollständig kommunizierenden Porenraum aufweist und dessen Keramikstrukur ein dreidimensionales Netz bildet, kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Drei Beispiele für diese Herstellverfahren werden weiter unten beschrieben. Es ergeben sich bei diesen Verfahren folgende Keramikstrukturen: 1. ein Haufwerk von kornartigen Partikeln; 2. eine Keramikstrukur aus gerippeartig angeordneten und zusammengesinterten kornartigen Partikeln; 3. ein keramisches Gerippe mit offenzelliger Schaumstruktur.

[0007] Bei der Herstellung von Refinerplatten nimmt man als Basiswerkstoff mit Vorteil einen rostfreien Stahl, wie er beim Giessen solcher Platten üblich ist (ASTM CB-30 oder X 35 CrMo 17). Auch Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierungen sind verwendbar. Das keramische Material muss sich gegenüber der Schmelze inert verhalten. Beim Stahlguss kommt beispielsweise Aluminiumoxid (Korund), Zirkonoxid oder Magnesiumoxid in Frage; Siliziumcarbid hingegen ist ungeeignet, da dieser Stoff mit der Schmelze reagiert.

[0008] Da die Wärmeausdehung bei Keramik und Stahl verschieden ist, bestanden Bedenken gegenüber der Herstellung des erfindungsgemässen Verbundwerkstoffes. Die Versuche, die entgegen diesen Bedenken ausgeführt wurden, zeigten jedoch, dass die verwendeten Keramikstrukturen im Verbund mit Gussstahl intakt - zumindest ohne störende Schäden - blieben.

[0009] Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch bei der Herstellung von beispielsweise Lagerteilen oder Dichtungen angewendet werden. In der vorliegenden Beschreibung wird auf die Erfindung hauptsächlich im Zusammenhang mit der erwähnten Refinerplatten eingegangen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen Ausschnitt aus einer Refinerplatte, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt ist,

Fig. 2

einen Ausschnitt aus der Formschale und dem Modell für den Guss der Refinerplatte gemäss Fig.1,

Fig. 3

eine Variante zur Formschale der Fig.2,

Fig. 4

ein Hilfsmittel für die Herstellung eines ersten porösen Körpers,

Fig. 5

ein Haufwerk von keramischen Körnern,

Fig. 6

das in Gussstahl eingelagerte Haufwerk der Fig.5,

Fig. 7

eine offenzellige Schaumstruktur,

Fig. 8

eine Keramikstrukur aus gerippeartig angeordneten und zusammengesinterten kornartigen Partikeln,

Fig. 9

ein keramisches Gerippe mit offenzelliger Schaumstruktur

Fig. 10

einen Ausschnitt eines Gussstücks mit eingelagerter Keramikstruktur gemäss Fig.9,

Fig. 11

das gleiche Gussstück wie in Fig.10 nach teilweiser Erosion der Oberfläche und

Fig. 12

eine Turbinenschaufelspitze mit Panzerung.

[0010] In Fig.1 ist ausschnittsweise eine Refinerplatte 1 mit Stegen 10 dargestellt. Die Stegoberfläche 15 (die Mahlfläche) wird beim Mahlen des Faserstoffs dem Verschleiss unterworfen. Die Verschleissbereiche der Stege 10 bestehen erfindungsgemäss aus einem Stahl/Keramik-Verbund 20, in welchem ein poröser Keramikkörper 2 in gegossenem Stahl eingelagert ist. Der Grundkörper 11 der Refinerplatte 1 sowie die Stegbasisbereiche weisen keine eingelagerte Keramik auf; dadurch bleibt die hohe Zähigkeit des Gusswerkstoffs in den Stegwurzeln, wo grosse Biegemomente während des Mahlens auftreten, erhalten.

[0011] Die Querschnittszeichnung in Fig.2 zeigt einen Teil der Formschale 30 (einschliesslich Gussmodell mit Grundkörper 11' und wachsgefülltem Keramikkörper 20'). Der Guss erfolgt mit Vorteil in der gezeigten Lage, um eine gute Füllung des Porenraums des Keramikkörpers 2 durch die Schmelze zu erhalten. Wird ein Entlüftungskanal 12, siehe Fig.3, jeweils unterhalb der Stege 10 vorgesehen, so verbessert sich die Luftverdrängung aus den Porenräumen. (Der ausgegossene Kanal 12 wird selbstverständlich bei der Überarbeitung des Gussstücks entfernt.) Die Formschale 30 wird vor dem Giessen mindestens auf eine beim Präzisionsguss übliche Temperatur (rund 1150°C) aufgeheizt. Die Schmelze, deren Liquidustemperatur zwischen rund 1300 und 1400°C liegt, wird überhitzt. Wie die Erfahrung gezeigt hat, füllen sich die Porenräume der Keramikkörper 2 dank der Überhitzung vollständig, bevor die Erstarrung der Schmelze eintritt.

[0012] Die Figuren 4, 5 und 6 betreffen die Herstellung eines ersten porösen Keramikkörpers 2. In eine Wanne 31 aus Wachs mit einem Ablauf 32 werden Keramikkörner 21 (beispielsweise Korund, Durchmesser zwischen 0,8 und 1,2 mm) eingeschüttet. Es bildet sich dabei ein Haufwerk 2' mit einem Porenraum 22. Dieser Porenraum 22 wird mit einem gut fliessfähigen Bindemittel (z.B. Silikatbinder) gefüllt und anschliessend über den Ablauf 32 wieder entleert, wobei zwischen den Körnern sich Brücken 21a aus dem Bindermaterial ausbilden. Durch Trocknen des Binders erhält man einen zusammenhängenden Keramikkörper 2, den man aus der Wanne 31 entfernen und mittels Brennens verfestigen kann.

[0013] Der Keramikkörper 2 wird mit Wachs gefüllt und in das Gussmodell für die Herstellung der Formschale 30 eingebaut. An der Oberfläche 23 des Keramikkörpers 2 wird das Wachs entfernt, sodass eine unmittelbare Verbindung zwischen den Körnern 21 und der Formschale 30 entsteht. Nach dem Ausschmelzen des Wachses 35 liegt somit eine Verbindung zwischen dem Keramikkörper 2 und der Formschale 30 vor. Beim Giessen bildet sich mit der den Porenraum 22 füllenden metallischen Phase 35 eine Oberfläche 23 aus, aus welcher Spitzen der Körner 21 hervortreten.

[0014] Ein zweiter poröser Keramikkörper 2 wird mittels einer offenzelligen Schaumstruktur 50 aus Kunststoff, siehe Fig.7, hergestellt. (Der Übersichtlichkeit halber sind in Fig.7 nur eine Netzlage 55, die an der Oberfläche der Schaumstruktur 50 liegt, und ein zweite, darunter liegende Netzlage 55' dargestellt. Die beiden Netzlagen sind durch nicht sichtbare Sprossen miteinander verbunden. Der mittlere Abstand zwischen benachbarten Netzlagen kann dem mittleren Zelldurchmesser gleichgesetzt werden. Der Zelldurchmesser liegt im Bereich von rund 1 bis 5 mm.) Feine Keramikkörner (beispielsweise Korund, Korndurchmesser 0,06 bis 0,15 mm) werden mittels eines Binders durch Tauchung und Besandung auf die Sprossen der Schaumstrukur 50 aufgebracht. Die Tauchung und anschliessende Besandung muss mehrfach - beispielsweise dreimal - ausgeführt werden. Nachfolgend wird das so erzeugte gerippeartige Agglomerat von Keramikkörnern durch Brennen zusammengesintert, wobei der Kunststoff der ursprünglichen Schaumstruktur 50 sich gleichzeitig verflüchtigt. In Fig.8 ist dieser Keramikkörper 2 wiederum wie in Fig.7 mit zwei Netzlagen 25 und 25' dargestellt (bei vergrössertem Massstab), wobei nur für die obere Netzlage 25 die Keramikkörner - allerdings etwas zu gross - gezeichnet sind.

[0015] Der dritte, in Fig.9 gezeigt Keramikkörper 2, besteht aus einer im Handel erhältlichen Keramikstruktur, die beispielsweise als Filter für Metallschmelzen verwendet wird. Die Herstellung dieses keramischen Gerippes mit offenzelliger Schaumstruktur ist beispielsweise aus der CH-PS 679394 bekannt. Fig.9 zeigt einen Schnitt durch die Wandungen der keramischen Schaumstruktur 26. Die Zellen bilden dank Durchbrüchen 27 in den Wandungen einen vollständig kommunizierenden Porenraum 22.

[0016] Das Schrägbild in Fig.10 stellt die Keramikstruktur 26 der Fig.9 dar, deren Porenraum mit der metallischen Phase 28 (bzw. mit Wachs oder Kunststoff) gefüllt ist und den Verbundkörper 20 bildet. Bei der Verwendung dieses Verbundkörpers 20 in Refinerplatten ergibt sich wegen der grösseren Widerstandsfähigkeit der Keramik 26 eine Auswaschung der metallischen Phase 28 an den Stegoberflächen, wie es in Fig.11 angedeutet ist. Die reliefartige Oberflächenstruktur weist wahrscheinlich eine verbesserte fibrillierende Wirkung beim Mahlen des Faserstoffs auf.

[0017] Bei Schaufeln für Gasturbinen ist es vorteilhaft, wenn deren Spitzen gepanzert werden. Fig. 12 zeigt eine Turbinenschaufelspitze 100 mit einer Panzerung 102, die als erfindungsgemässes Gussstück ausgeführt ist. Die Panzerung 102 wird durch eine Gusszone mit eingelagerter Keramik gebildet, während der Hauptteil 101 der Schaufel ein unverstärkter Gusskörper (beispielsweise das Erzeugnis eines Verfahrens mit gerichteter Erstarrung) ist.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Gussstücken (1) mit verbundartig eingelagerter Keramik, durch Giessen einer Schmelze in eine keramische Formschale (30), in deren Hohlraum mindestens ein poröser Keramikkörper integriert ist, wobei ein solcher Keramikkörper (2), der einen vollständig kommunizierenden Porenraum (22) aufweist und dessen Keramikstrukur (26) ein dreidimensionales Netz bildet, zumindest teilweise den Hohlraum der Formschale füllt sowie in Verbindung mit der Wand der Formschale steht, wobei ferner das keramische Material sich gegenüber der Schmelze inert verhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gussmodell für die Formschale der oder die porösen Keramikkörper integriert werden, wobei der Porenraum des Keramikkörpers jeweils mit Wachs oder einem ausbrennbaren Kunststoff gefüllt ist.

3. Gussstück (1), in welchem mindestens ein poröser Keramikkörper (2) verbundartig eingelagert ist und welches nach dem Verfahren von Anspruch 1 hergestellt ist.

4. Gussstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikstrukur von mindestens einem der porösen Keramikkörper (2) ein keramisches Gerippe (26) mit offenzelliger Schaumstruktur bildet, wobei die Zelldurchmesser rund 1 bis 5 mm betragen.

5. Gussstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikstrukur von mindestens einem der porösen Keramikkörper (2) in der Form eines Haufwerks von miteinander verbundenen, kornartigen Partikeln (21), deren Durchmesser rund 1mm betragen, vorliegt.

6. Gussstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikstrukur (25, 25') von mindestens einem der porösen Keramikkörper (2) aus gerippeartig angeordneten und zusammengesinterten kornartigen Partikeln, deren Durchmesser rund 0,1mm betragen, aufgebaut ist.

7. Gussstück nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Phase (26) im wesentlichen aus Korund, Zirkonoxid oder Magnesiumoxid und die metallische Phase (28, 35) aus Stahl, einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Legierung bestehen.

8. Gussstück nach einem der Ansprüche 3 bis 7 und mit Oberflächen (15), die für abrasive Vorgänge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Keramikkörper im Bereich (20) der Verschleissflächen eingelagert sind.

9. Refinerplatte (1) für die Papierherstellung, die als Gussstück gemäss Anspruch 8 gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (10) im Bereich (20) der Mahlflächen (15) mit eingelagerter Keramik (2) verstärkt sind.

10. Turbinenschaufel (100) mit gepanzerter Schaufelspitze, die als Gussstück gemäss Anspruch 8 gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Panzerung (102) durch eine Gusszone mit eingelagerter Keramik gebildet ist.

Zeichnung