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Das Strangpressen ist ein Verfahren der Bearbeitung metallischer Materialien, das das Formen verhältnismässig schwer bearbeitbarer Materialien ermöglicht. Dieses Verfahren wird z. B. erfolgreich bei der Herstellung von nahtlosen Rohren aus hochlegiertem Edelstahl verwendet. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in seinen hohen Kosten, die das so hergestellte Material sehr kostspielig bei der Fertigverarbeitung machen. Bei Versuchen mit Legierungen von extrem hohem Gehalt an harten Bestandteilen wurde gefunden, dass sogar eine Wolfram-Karbid-Kobalt-Legierung mit einem so hohen Gehalt wie 80 Gew.-% Wolframkarbid, d. h. Sinterkarbid, heiss extrudiert werden kann. Eine solche Legierung weist natürlich eine hohe Festigkeit gegenüber Verformung auf und ist üblicherweise wegen des zu starken Verschleisses der Extrusionswerkzeuge unwirtschaftlich.
Es wurde bisher als schwierig angesehen, zwei Materialien mit verschiedener Festigkeit gegen- über Verformung gleichzeitig zu einer Verbundstange oder einem solchen Rohr zu extrudieren. Im Verlauf von Versuchen, den Verschleiss der Extrusionswerkzeuge zu verringern, war es jedoch möglich, einen Kern aus normalem Stahl (massiv oder in Pulverform) mit einer äusseren Schicht eines Pulverkörpers zu koextrudieren, der ausserordentlich reich an harten Teilchen war. Es
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fahren selbst und auch für die darauffolgenden Verfahren der Herstellung von Werkzeugen oder
Verschleissteilen ist. Der Stahlkern kann aus Werkzeugstahl oder Schnellstahl bestehen.
Die obere Grenze liegt bei etwa 25 bis 30 Vol.-% an harten Bestandteilen in Materialien, die durch Schmieden, Walzen od. dgl. bearbeitet werden. Wie schon vorstehend erwähnt, ist es möglich, Stangen mit einem Gehalt von 70 Vol.-% an harten Bestandteilen (80 Gew.-% Wolfram- karbid entspricht 70 Vol.-% Wolframkarbid) zu extrudieren. Das erfindungsgemäss eingesetzte harte
Material betrifft Legierungen im Zwischenbereich, d. h. von 30 bis 70 Vol.-% an harten Bestand- teilen. Der eingangs näher bezeichnete Verbundkörper ist somit erfindungsgemäss dadurch ge- kennzeichnet, dass ein Teil bzw. Abschnitt aus Schnellstahl oder Werkzeugstahl und der andere
Teil bzw.
Abschnitt aus einem harten Material besteht, der aus 30 bis 70 Vol.-% an harten Be- standteilen in Form von Karbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta,
Cr, Mo und/oder W in einer Matrix bzw. Grundmasse auf der Basis von Fe, Ni und/oder Co be- steht, dass das harte Material in bezug auf seine Eigenschaften und kennzeichnenden Merkmale im Bereich zwischen den Materialgruppen Sinterkarbid und Schnellstahl liegt, wobei die harten Be- standteile eine Korngrösse von < 1 gm, vorzugsweise < 0, 5 gm, aufweisen, und dass die Dicke des aus hartem Material bestehenden Teiles bzw.. Abschnittes wenigstens 0, 5 mm beträgt. Die Matrix bzw. Grundmasse des harten Materials ist vorzugsweise eine solche auf Eisenbasis.
Es ist zwar richtig, dass es einen grossen Bereich von Sinterkarbiden und auch eine grossen Bereich von Schnellstählen gibt, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften haben und für verschiedene Anwendungsfälle in Frage kommen, jedoch sind durch diese Begriffe doch bestimmte Gruppen von Materialien spezifiziert, die für den Fachmann jeweils in sich abgegrenzt sind. So umfasst die Materialgruppe der Sinterkarbide 70 bis 100 Vol.-% von Karbiden, wie WC, TiC, TaC, NbC bzw. Mischungen derselben und 0 bis 30 Vol.-% Bindemittelphase, die auf Co, Ni und/oder Fe basieren kann. Die Materialgruppe Schnellstahl enthält bis zu 25 Vol.-% manchmal auch bis zu 30 Vol.-% an Karbiden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Verbundkörper, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Körper aus Schnellstahl oder Werkzeugstahl in eine Pulvermischung eingebracht wird, die aus 30 bis 70 Vol.-% an harten Bestandteilen in Form von Karbiden, Nidriden und/oder Carbonitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W in einer Matrix bzw. Grundmasse auf der Basis von Fe, Ni, und/oder Co besteht, dass darauf der Körper und die Pulvermischung durch isostatisches Kaltpressen zu Extrusionssträngen bzw. -barren bzw. -tabletten verdichtet werden, die in Dosen bzw. Büchsen bzw.
Hülsen eingebracht und zu Rohlingen heissextrudiert werden, wobei bei diesem Extrusionsvorgang Materialien mit so unterschiedlichen Eigenschaften wie ein Schnell- oder Werkzeugstahl und ein Material mit 30 bis 70 Vol.-% an harten Bestandteilen koextrudiert werden. Ein anderes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Verbundkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass durch isostatische Kaltverdichtung ein Körper aus Stahlpulver hergestellt wird, dass dieser Körper oder
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ein massiver Stahlkörper in ein isostatisches Kaltpresswerkzeug eingebracht wird, worin der ver- bleibende freie Raum mit einem Pulvergemisch aufgefüllt wird, das aus 30 bis 70 Vol.-% von harten Bestandteilen in Form von Karbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden von Ti, Zr, Hf, V,
Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W in einer Matrix bzw.
Grundmasse auf der Basis von Fe, Ni und/oder
Co besteht, dass darauf der Körper und das Pulvergemisch durch isostatische Kaltverdichtung in
Schmiedestücke übergeführt werden, die zu Rohlingen geschmiedet werden.
Bei der Herstellung von langen, schlanken Werkzeugen, wie Schaftfräsern und Bohrern, werden verwundene oder gerade (axiale) Rillen bzw. Riffelungen bzw. Hohlkehlen in einen zylindrischen Rohling eingeschliffen. Selbst bei mässiger Rillentiefe wird eine lange Berührungs- kurve zwischen dem Werkstück und der Schleifscheibe gebildet. Wenn diese Berührungskurve in einem schwer zu schleifenden Material zu lange ist, wird die Oberfläche leicht verbrannt, da die
Kühlung nicht ausreichend ist und die Tendenz des Verschmierens gross ist. Die einzige Möglich- keit, die Gefahr des Verbrennens zu verringern, besteht darin, entweder die Bearbeitungsge- schwindigkeit zu verringern, oder eine weichere Schleifscheibe zu verwenden, die rascher ver- schleisst und in diesem Fall nicht über das gewünschte Profil aufrechterhält.
Die Länge der Be- rührungskurve, b, ist annähernd proprotional der Quadratwurzel von 0. a, worin os den Durch- messer der Schleifscheibe in mm und a die tatsächliche Schleiftiefe darstellt. Bei einem üblichen
Schaftfräser mit einem Durchmesser von 20 mm beträgt die Rillentiefe mehr als 4 mm, was eine
Berührungskurve von etwa 40 mm ergibt. Dies bedeutet sehr lange Schleifzeiten bei einem schwer schleifbaren Material, wenn Verbrennungen vermieden werden sollen. Es ist bekannt, dass bei vielen Anwendungen das Schneidwerkzeugmaterial nur für Umfangsschneider verwendet wird. Wenn zentrale Schneidkanten verwendet werden, so ist die Schneidgeschwindigkeit an diesen Kanten ge- ringer als die der äusseren Kanten, so dass ihre Anforderungen in bezug auf Verschleissfestigkeit und Zähigkeit ebenfalls verschieden sind.
Die Erfindung hat es nunmehr ermöglicht, Verbundkörper herzustellen, deren Betriebsverhalten jenem von Legierungen entspricht, die reich an harten Bestandteilen sind und dieses Ergebnis mit wesentlich geringerem Kostenaufwand bei der Herstellung zu erzielen, da diese Verbundkörper leicht zu schleifen sind.
Letzterer Umstand bringt einen grossen wirtschaftlichen Vorteil mit sich, der durch die Verwendung von herkömmlichen, billigen, keramischen Schleifscheiben ermöglicht wird, die für Schleifarbeiten bzw. mit Schleifparametern verwendet werden, wie sie für Schnellstahl üblich sind. Auf Grund der geringen Länge der Berührungskurve für das äusserste Material, das schwer zu schleifen ist, kommt die Schleifscheibe nicht mit dem schwierigen Material in "Fühlung", bzw. hat die Schleifscheibe mit dem schwierigen Material keine Probleme, das in fester Form Verbrennungen, einen grossen Konsum an Schleifscheiben und unwirtschaftliche Schleifarbeit bzw.
Schleifparamter im allgemeinen bedeutet.
Es werden folgende Vorteile erzielt :
1. Die Berührungskurve in dem schwer zu schleifenden Material wird verringert, wenn das
Oberflächenmaterial durchgeschliffen wird.
2. Es wird eine geringere Menge an schwer zu schleifendem Material weggeschliffen.
3. Die Dicke der Späne im Oberflächenmaterial ist wesentlich grösser als Null, wenn dieses durchgeschliffen wird, was im Hinblick auf den Verschleiss der Schleifscheiben günstig ist.
4. Auf Grund der Punkte 1 bis 3 sind die Schneidkräfte geringer.
5. Es können härtere Schleifscheiben verwendet werden, welche das Profil besser halten.
6. Das leichter schleifbare Material im Kern des erfindungsgemässen Verbundkörpers hat eine reinigende Wirkung auf die Schleifscheibe.
Das Material des Kerns besitzt im allgemeinen eine wenigstens sechsmal höhere Schleifbarkeit als das Material in der Deckschicht. Es ist auch möglich, die Schleifbarkeit des Verbundmaterials mit jener des harten Materials selbst zu vergleichen, u. zw. gemessen im relativen Verschleiss der Schleifscheiben und es wurde gefunden, dass sie üblicherweise mehr als 5 bzw. weniger als 1 beträgt. Im allgemeinen ist die Schleifbarkeit des Verbundmaterials (ausgedrückt in der erzielbaren Geschwindigkeit der Materialentfernung) höher als 10 mm3/mm, s.
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Gemäss der Erfindung wird somit ein Verbundkörper geschaffen, der z. B. aus einer Ober- fläche aus einer an harten Teilchen reichen Legierung und einem Kern aus einem leichter schleif- baren Material besteht.
Bei einem Verbundkörper mit einem harten Material als Deckschicht soll der Kern selbstver- ständlich nicht mehr legierende Elemente enthalten, als für das endgültige Werkzeug oder den end- gültigen Verschleissteil erforderlich sind. Bei Räumwerkzeugen und Gewindeschneidern bzw. Gewinde- bohrern z. B. reicht ein verhältnismässig schwach legierter Stahl aus, da der Kern in diesen Fällen keine Schneidarbeit leistet. Ein Schaftfräser oder ein Wendel- bzw. Spiralbohrer stellen weit höhere Anforderungen an den Kern als Werkzeugmaterial, daher ist ein Schnellstahl besser ge- eignet.
Die Kosten des Werkzeugs oder Verschleissteiles werden stark durch die richtige Materialwahl beeinflusst.
Wie schon vorstehend erwähnt, kann der erfindungsgemässe Verbundkörper für Verschleissteile eingesetzt werden, die im wesentlichen in Maschinen wie Walzwerken und Transportausrüstungen
Verwendung finden, wo Sinterkarbid entweder zu kostspielig ist oder zu wenig technische Vorteile aufweist oder sogar Nachteile wie eine zu hohe Dichte im Hinblick auf die erforderliche Be- schleunigung von Transportrollen od. dgl. besitzt und wo herkömmliche verschleissfeste Materialien wie Schnellstahl (entweder herkömmlich teilchenmetallurgischer oder pulvermetallurgischer Schnell- stahl) keine ausreichende Verschleissfestigkeit besitzen.
Wie schon erwähnt, wurde überraschend gefunden, dass es möglich ist, an harten Bestand- teilen reiche Legierungen mit einem hohen Anteil an harten Teilchen bis zum Sinterkarbid-Bereich zusammen mit einem Material, das weniger reich an harten Bestandteilen und daher zäher ist, durch plastische Verformung zu verdichten und im Verbundkörper überzuführen, die volle Dichte und gute Haftfähigkeit zwischen den Teilen besitzen. Bei der Herstellung der erfindungsgemässen
Verbundkörper wird hauptsächlich die plastische Verformung verwendet. Der Teil mit einem ge- ringeren Gehalt an harten Bestandteilen kann von Anfang an aus Feststoff bzw. festem Material bestehen.
Bisher wurden zur Verdichtung vorzugsweise die Verfahren des Pulverschmiedens und Strang- pressens verwendet. Beim Pulverschmieden wurde zuerst durch vorwiegend isostatisches Kaltpressen ein Verbund-Pressling (Vorformling) hergestellt, der darauf in einem Ofen unter Schutzgas erhitzt und mittels einfacher Schmiedewerkzeuge geschmiedet wurde. Auf diese Weise wird ein Formkörper erhalten, der nach einfachen Verfahren in ein Endprodukt übergeführt werden kann. Zum Her- stellungsverfahren gehört eine Wärmebehandlung zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften.
Bei Verwendung des Strangpressens wird zuerst im isostatischen Kaltpressvorgang eine Tablette bzw. ein Barren hergestellt. Es wurde gefunden, dass nach einem neu entwickelten fortschrittlichen Füllverfahren zwei oder mehr verschiedene Pulver gleichzeitig in ein isostatisches Kaltpress-Werkzeug eingefüllt werden können, indem in das Presswerkzeug Hülsen eingesetzt werden, welche die verschiedenen Pulverräume voneinander trennen.
Die Hülsen können nach dem Einfüllen der Pulverfüllungen vorsichtig entfernt werden oder als Gleitformen gleichzeitig mit der Höhe des Pulverspiegels herausgezogen werden, so dass sie die Grenzen zwischen den einzelnen Pulverarten nicht beeinflussen. Nach den genannten Verfahren kann eine zufriedenstellende Bindung zwischen den verschiedenen Materialien nach der Extrusion hergestellt werden. Es wurde auch überraschend gefunden, dass Komponenten mit geringer oder keiner Anreicherung an harten Bestandteilen schon während des Kaltpressvorganges aus massivem Material bestehen können. So z.
B. ist es möglich, einen massiven Kern aus Stahl zu verwenden, der eine verbesserte Zentrierung und eine bessere Ausbeute an Material im folgenden Extrusionsverfahren ergibt, und den verbleibenden Raum im Kaltpress-Werkzeug mit mit hartem Material angereichertem Pulver aufzufüllen. Nach der Extrusion des kaltgepressten Extrusionsbarrens bzw. -roh- lings wird eine zufriedenstellende Bindung zwischen den verschiedenen Materialien erhalten. Dies wurde im Verlauf eines Versuches festgestellt, bei dem die Haftkraft des Kerns in einem speziellen Stanzwerkzeug geprüft wurde, indem versucht wurde, den Kern auszustossen und gleichzeitig der Kraftaufwand gemessen wurde. Es wurde gefunden, dass der Kraftaufwand der gleiche war, als wenn zwei pulverförmige Materialien gleichzeitig verdichtet worden wären.
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Bei der Extrusion wird ein Verbundkörper in Form einer Stange erhalten, in welcher die
Anreicherung mit harten Bestandteilen in jenen Zonen liegt, in welchen das Pulver in den Ex- trusionsrohling eingebracht wird ; dies hängt auch von der Ausbildung der Extrusionsform ab. Aus dieser Stange werden die Produktrohlinge geschnitten.
Beispiele für mit Löchern versehenen Produkten, die aus den vorstehend erwähnten Vor- formlingen (Presslingen) hergestellt werden können, sind Walzen, Rollen, Führungswalzen bzw.
- rollen, Transportwalzen bzw. -rollen, Verschleisswalzen bzw. -rollen, Verschleisshülsen, Kom- pressor-und Pumpenbestandteile u. dgl. Die Vorteile sind z. B. geringere Materialkosten geringere Herstellungskosten höhere Festigkeit, da das verschleissfestere und daher sprödere Material von einer zäheren
Komponente abgestützt bzw. getragen wird.
Auf dem Markt ist eine grosse Anzahl von Walzen bzw. Rollen mit den verschiedensten Ab- messungen erhältlich. Die Normierung ist besonders schlecht, was Lochdimensionen und Lager- form anbelangt. Durch Herstellung eines Rohlings ohne mittleres Loch, in welchem das zu ent- fernende Material aus einem leicht zu bearbeitenden Stahl besteht, können die Lager an Zwischen- produkten und die Anzahl der für die Verdichtung erforderlichen Werkzeuge verringert werden.
Für Produkte langer Serien ist es selbstverständlich geeigneter, einen mit Loch versehenen Vor- formling einzusetzen. Die Kosten für die Werkzeuge sind hier durch die niedrigeren Bearbeitungs- kosten gerechtfertigt.
Walzen bzw. Rollen ohne Loch für das Kaltwalzen werden geeigneterweise aus einem strangge- pressten Verbundkörper in Form einer Stange hergestellt. Dies trifft auch auf Wellen zu, die einem stärkeren Verschleiss ausgesetzt sind.
Wellen mit Verschleissflächen, wie z. B. verschiedene Arten von Nockenwellen, können aus einem Verbundkörper in Form einer Stange hergestellt werden, die durch Bohren mit inneren
Schmierkanälen versehen ist. Durch Anbringen eines kleinen Loches an einer geeigneten Stelle kann die Schmierung an den gewünschten Stellen erzielt werden.
Ein interessantes Anwendungsgebiet für Stangen mit einer verschleissfesten Oberfläche und einem sehr zähen Kern sind Gefängnisgitter oder ähnliche Schutzeinrichtungen und Roste od. dgl. für die Beförderung von verschleissenden Materialien in jenen Fällen, in welchem Verkleidungen mit Gummi od. dgl. auf Grund erhöhter Temperaturen od. dgl. ungeeignet sind.
Die Erfindung wird nachstehend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. l einen Rohling eines erfindungsgemässen Verbundkörpers im Längsschnitt ; Fig. 2 und 3 einen Rohling eines erfindungsgemässen Verbundkörpers mit angeschweisstem Schaft bzw. Welle im Längsschnitt ; Fig. 4 einen Schaftfräser im Querschnitt ; Fig. 5 ein Nibbel- bzw. Aushauwerkzeug im Längsschnitt, Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Bohrstange im Längsschnitt und Fig. 7 bis 13 Herstellungsbeispiele für Rohlinge und Tabletten bzw. Barren bzw. Stränge für erfindungsgemässe Verbundkörper.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Verbundkörper-Rohlinge bestehen aus einem Kern --10--, aus einem zähen und leicht schleifbaren Material, wie z. B. Werkzeugstahl oder Schnellstahl, und einer Deckschicht --11--, die aus einem Material besteht, das 30 bis 70 Vol.-% harter Teilchen in Form von Karbiden, Nitriden und/oder Karbonitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, und/oder W in einer Matrix bzw. Grundmasse auf der Basis von Fe, Ni und/oder Co enthält. Die Deckschicht besteht vorzugsweise aus einer Legierung mit 30 bis 70 Vol.-% harter Teilchen in Form von Titannitrid in einer Matrix bzw. Grundmasse aus Schnellstahl (und den üblicherweise darin vorliegenden Karbidarten), in welcher die angereicherten harten Teilchen eine Korngrössenverteilung von < 111m, vorzugsweise < 0, 5 11m aufweisen.
Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Verbundkörper-Rohling ist mit einer Welle --12-- aus Stahl oder einem ähnlichen Material versehen, die Bindung zwischen dem Verbundkörper-Rohling und der Welle ist durch Schweissen, z. B. Reibungsschweissen, hergestellt. Da es bei einem Material, das reich an harten Teilchen ist, im allgemeinen praktisch unmöglich ist, es an eine solche Stahlwelle zu schweissen, stellt die Erfindung auch in dieser Hinsicht eine wesentliche Verbesserung dar. Da ein schweissbarer Kern oder eine schweissbare Deckschicht vorgesehen ist, können die
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erfindungsgemässen Verbundkörper für Verschleissteile und Werkzeuge mit'gutem Erfolg an ver- schiedene Arten von Stahlwellen u. dgl. angeschweisst werden. Dadurch ergeben sich Einsparungen in bezug auf Materialkosten und technische Vorteile in bezug auf Biegefestigkeit usw.
Bei einer geschweissten, stumpfen Stossverbindung --13-- (s. Fig. 3) zwischen einem aus einem erfindungsge- mässen Verbundkörper hergestellten Werkzeug und einer Welle aus Stahl wurde überraschenderweise gefunden, dass üblicherweise zwischen der Deckschicht und der Welle eine Übergangszone --14-- aus Kernmaterial erhalten wird. Dies lässt darauf schliessen, dass die Deckschicht nicht direkt an die Welle angeschweisst ist. Vorausgesetzt, dass die Bindung zwischen der Deckschicht --11-- und dem Kernmaterial --10--, die nach dem verwendeten Verfahren erzielbar, ist gut ist und dass das
Kernmaterial an der Welle anschweissbar ist, kann in allen Fällen eine ausgezeichnete Schweissver- bindung hergestellt werden. Die in Fig. 3 dargestellten Rohlinge bzw.
Formlinge sind besonders gut geeignet für Produkte wie Schaftfräser, Räumwerkzeuge, Gewindeschneider, Bohrer, Reibahlen,
Bohrlochräumer u. dgl. Bei dieser Ausgestaltung können die Schneideigenschaften des Kerns und des Deckschichtmaterials dem endgültigen Produkt bei verhältnismässig sehr geringen Kosten optimale Eigenschaften verleihen.
Bei dem schematisch in Fig. 4 dargestellten Schaftfräser besteht der Grossteil des Fräser- körpers aus einem Kernmaterial --15--, während der gesamte aktive Teil des Fräsers aus dem verschleissfesten Material --16-- besteht. Durch den grossen Berührungsbereich zwischen Deck- schicht und Kernmaterial wird eine sehr gute Haftung erzielt. Die Dicke des Deckschichtmaterials wird den Erfordernissen beim Nachschleifen angepasst.
Das in Fig. 5 gezeigte Nibbel- bzw. Aushauwerkzeug besteht zum Grossteil aus einem zähen
Kernmaterial --17-- und einer umgebenden Deckschicht aus dem verschleissfesten Material --18--.
Der Schaft bzw. die Welle selbst kann auch aus einem Verbundkörper oder einem andern geeigneten
Schaft- bzw. Wellenmaterial hergestellt sein, das am Verbundkörper befestigt bzw. mit diesem ver- bunden ist.
In Fig. 6 ist ein Beispiel für ein Haltewerkzeug (Bohr- oder Drehstange) gezeigt, in welchem der grössere Teil des Werkzeugs aus einem zähen Kernmaterial --19-- besteht, das üblicherweise leicht bearbeitbar ist und das von der steifigkeitsbestimmenden Deckschicht --20-- umgeben ist, in welcher der hohe Elastizitätsmodul des mit harten Bestandteilen angereicherten Materials dem
Werkzeug hohe Steifigkeit und eine hohe natürliche Frequenz bzw. Eigenfrequenz verleiht.
Im allgemeinen beträgt die Dicke der Deckschicht wenigstens 0, 5 mm, vorzugsweise wenigstens
1 mm. Meist beträgt die Dicke der Deckschicht 3 bis 50% der radialen Abmessung des Produktes, üblicherweise 10 bis 20%.
Die Herstellung von erfindungsgemässen Verbundkörper-Rohlingen bzw. -Formlingen erfolgt im allgemeinen, wie schon erwähnt, durch gleichzeitige Extrusion von Deckschicht und Kern. Ein Körper aus Schnellstahl oder Werkzeugstahl wird in eine Pulvermischung eingebracht, die aus 30 bis 70 Vol.-% an harten Bestandteilen in Form von Karbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W in einer Matrix bzw. Grundmasse auf der Basis von Fe, Ni und/oder Co besteht. Der Stahlkörper und das Pulvergemisch werden dann durch kaltes isostatisches Pressen in Extrusionsstränge bzw. -barren bzw. -tabletten übergeführt, die in Dosen bzw. Büchsen bzw. Hülsen eingebracht werden. Durch darauffolgende Heissextrusion bei Temperaturen von 1100 bis 12500C werden Rohlinge hergestellt, die dann zur endgültigen Form verarbeitet werden.
Für bestimmte Anwendungszwecke können z. "dreifache Verbundkörper" vorteilhaft sein.
Der innerste Kern kann aus einem einfachen Schnellstahl mit einem geringen Gehalt an Legierungselementen bestehen. Um diesen Kern herum kann eine Übergangsschicht aus einem stärker legierten Schnellstahl von höherer Verschleissfestigkeit und höherer Widerstandskraft gegenüber Schneidgeschwindigkeiten aufgebracht werden. Als äusserste kann eine Deckschicht aus einem harten Material mit mehr als 30% an harten Bestandteilen aufgebracht werden. Eine solche Kombination von Materialien weist mehrere Vorteile auf. Es wird erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber höheren Schneidgeschwindigkeiten und zunehmende Verschleissfestigkeit in Richtung vom Mittelpunkt aus und ein kontinuierlicher Übergang zwischen Materialien mit verschiedener Wärmedehnung erzielt.
Der am wenigsten legierte Schnellstahl weist die höchste und die mit harten Materialteilchen angereicherte
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Legierung weist die geringste Wärmedehnung auf. Auf diese Weise wird ein besserer Spannungsbzw. Umformungszustand im endgültig verdichteten Material erzielt. Die Bedingungen an einer Schneidkante hinsichtlich der Bildung sogenannter Aufbauschneiden und die Widerstandsfähigkeit gegen die Verschiebung bzw. Verlagerung solcher Kanten können auf positive Weise beeinflusst werden.
Alle vorstehend angeführten Varianten können erforderlichenfalls auch mit einer dünnen harten Deckschicht versehen werden. Nachstehend werden zuerst in den Beispielen 1 bis 7 verschiedene Bedingungen beschrieben, unter welchen erfindungsgemässe Verbundkörper für Schneidwerkzeuge, im wesentlichen Werkzeugrohlinge, hergestellt werden und die Ergebnisse aufgezeigt, die bei der Bearbeitung und Prüfung von solchen Werkzeugen erzielt wurden. Danach werden in den Beispielen 8 bis 16 verschiedene Bedingungen beschrieben, die erfindungsgemäss bei der Herstellung von Rohlingen bzw. Formlingen für Verschleissteile angewendet wurden.
Beispiel 1 : Betreffend die Herstellung und Prüfung eines Schaftfräsers :
Verbundstränge wurden aus mittels Wasser granuliertem Schnellstahlpulver des Typs
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reichertem Schnellstahlpulver mit folgender Zusammensetzung als Deckschicht hergestellt. Ein Pulvergemisch von 50 Vol.-% harter Teilchen von Submicrongrösse, im wesentlichen TiN, und einer Stahlmatrix mit der Gesamtzusammensetzung von 24, 5% Ti, 7% N, 0, 6% C, 7, 5% Co, 6% W, 5% Mo, 4% Cr und dem Rest Fe (und üblicherweise vorliegender Legierungselemente und Verunreinigungen) wurde im isostatischen Kaltpressverfahren bei 200 MPa zu Extrusionssträngen mit einem Kerndurchmesser von 47 bis 48 mm, einem Aussendurchmesser von 68 bis 69 mm und einer Länge von 300 mm verdichtet.
Nach dem Pressen wurden die Stränge 2 h lang bei 1200 C vakuumgeglüht und dann in Extrusionsdosen aus Kohlenstoffstahl eingebracht. Dann wurde 45 min lang auf 1150 C erwärmt und es wurden runde Stangen mit einem Durchmesser von 14 bis 24 mm extrudiert. Die extrudierte Stange mit einem Durchmesser von 24 mm einschliesslich Dose wurde in Stücke von geeigneter Länge (40 mm) geschnitten, dann wurde Schaft- bzw. Wellenmaterial des Stahltyps SS 2090 (Schwedische Norm) in einer Länge von 65 mm an die Verbundstange reibungsgeschweisst. Der geschweisste Rohling wurde auf die gewünschte Abmessung gedreht. Danach wurde der endgültige Werkzeugrohling durch Wärmebehandlung auf den entsprechenden Härtegrad gebracht (Härten und Glühen).
Aus dem endgültigen Rohling wurde ein Schaftfräser mit einem Durchmesser von 20 mm mit einer Geometrie gemäss DIN 844 geschliffen.
Hohlkehlenschleifdaten :
Schleifscheibe : keramisches Korngemisch Schneidfluid : Öl
Scheibengeschwindigkeit : 80 m/s
Gesamttiefe der Hohlkehle : 4, 3 mm
Länge der Hohlkehle : 50 mm wirksame Entfernungsgeschwindigkeit : 9 cm3 Imin
Das übrige Schleifen wurde mit geringer Entfernungsgeschwindigkeit entsprechend der Schnellstahlnorm vorgenommen.
Versuche wurden mit Gegenlauffräsen mit Kühlung an Stahl des Typs SS 2541 (Schwedische Norm) bei Anwendung einer axialen Schneidtiefe von 10 mm und einer radialen Schneidtiefe von 18 mm vorgenommen. Bei einem Zahnvorschub von 0, 056 mm/Zahn im Geschwindigkeitsbereich von 20 bis 40 m/min wurde eine 4- bis 6mal längere Lebensdauer erzielt als bei einem entsprechenden Schaftfräser (der gleichen Geometrie), der aus einer massiven Stange aus herkömmlichem Schnell-
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worden war. Das Kriterium für Verschleiss war ein Flankenverschleiss von 0, 3 mm. Der erfindungsgemässe Schaftfräser verlieh dem Werkstück auch eine bessere Oberfläche, Ra l,0 lam im Vergleich zu 3, 2 bei herkömmlichen Werkzeugen.
Der erfindungsgemässe Schaftfräser entfernte in der gleichen Zeit viermal mehr Material als der herkömmliche.
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:handelte Schnellstahl des Typs M41 (1, 15% C, 6, 75% W, 4, 0% Mo, 4, 2% Cr, 2, 0% V, 5, 0% Co) wurde wie herkömmliches Sinterkarbid vermahlen. Nach dem Trocknen wurden nach dem iso- statischen Kaltpressverfahren bei 200 MPa Extrusionsstränge gepresst, die aus einem Kern von mittels Wasser granuliertem Schnellstahlpulver des Typs M2 (1, 1% C, 4, 0% Cr, 5, 0% Mo, 6, 5% W,
2% V, 0, 2% 0) 0 47 bis 48 mm und einer Deckschicht aus dem vorstehend erwähnten mit NbC an- gereicherten M41-Pulver bestanden und die einen Durchmesser von 68 bis 69 mm aufwiesen.
Bei der Extrusion einer Stange von 14 bis 24 mm Durchmesser traten keine Schwierigkeiten auf.
Beispiel 3 : Betreffend die Zusammensetzung von Verbundkörpern für Schneidwerkzeuge :
Ein Kern von 24 bis 25 mm Durchmesser aus mit Wasser granuliertem M2-Pulver, eine
Zwischenschicht von mit Wasser granuliertem T42-Pulver mit einem Durchmesser von 47 bis 48 mm und eine Deckschicht aus mit TiN angereichertem Schnellstahlpulver nach Beispiel 1 mit einem
Durchmesser von 68 bis 69 mm wurden isostatisch bei 200 MPa kaltgepresst. Glühen und Extrusion wurden wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt.
Beispiel 4 : Betreffend die Schleifprüfung :
In einem Tiefschleifversuch wurden Rohlinge gemäss der Erfindung mit Abmessungen von
10 mm Durchmesser mit einem Kernmaterial aus Schnellstahl M2 und einem Deckschichtmaterial ge- mäss Beispiel 1 mit einer Dicke von etwa 1 mm geschliffen.
Schleifdaten :
Schleifscheibe : Bornitrid
Schneidfluid : Öl
Scheibengeschwindigkeit : 90 m/s
Hohlkehlentiefe : 4 mm Hohlkehlenlänge : 100 mm
Entfernungsgeschwindigkeit : 6 cm3/min
Die Wirkung von Wärme vom Deckschichtmaterial war sehr gering.
Gleichzeitig wurden Rohlinge aus massivem Material (aus der gleichen Charge wie das Deck- schichtmaterial im Verbundkörper-Rohling) geschliffen. Bei den gleichen Schleifdaten wurden in allen Proben Risse und Defekte beobachtet.
Beispiel 5 : Betreffend die Schleifprüfung :
Bei einem Hohlkehlenschleifversuch mit einer Schwingrahmenschleifmaschine mit einem erfindungsgemässen Verbundkörper wurden Hohlkehlen für einen 20 mm Schaftfräser mittels keramischer Schleifscheiben (Schleifdaten nach Beispiel 1) mit einer Entfernungsgeschwindigkeit geschliffen, die 2/3 der für Schnellstahl üblichen entsprach. Dieses Ergebnis ist viel besser als das, welches unter Verwendung eines Rohlings aus massivem harten Material im gleichen Arbeitsgang erzielt werden könnte. Die Entfernungsgeschwindigkeit wurde auf das 10fache erhöht, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.
Beispiel 6 : Betreffend die Reibungsschweissprüfung :
Reibungsschweissversuche wurden in einer Maschine unter Verwendung von Verbundkörper- - Rohlingen gemäss der Erfindung und massiven Rohlingen aus dem entsprechenden harten Material durchgeführt. Die Materialien wurden an Stahl des Typs SS 2090 angeschweisst. Schweissdaten : Reibungsdruck 106 MPa, Schmiededruck 230 MPa und gesamte Schweissdauer 10 s. Alle Versuche mit massivem hartem Material schlugen fehl, während die Rohlinge gemäss der Erfindung mit guten Ergebnissen an den Stahlhalter angeschweisst werden konnten.
Beispiel 7 : Betreffend die Haftfähigkeitsprüfung :
Um die Haftfähigkeit des Deckschichtmaterials am Kernmaterial zu prüfen, wurden erfindungsgemässe ebene Schaftfräser mit einem Durchmesser von 20 mm unter folgenden Bedingungen geprüft :
Axiale Schneidtiefe : 20 mm
Radiale Schneidtiefe : 2 mm
Zufuhrgeschwindigkeit : 0, 089 mm/Zahn Schneidgeschwindigkeit : 35 m/min
Werkstückmaterial : Stahl SS 2343
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nommen. Ein solches Pulver ist sphärisch und ergibt keinen Grünling mit ausreichender Festigkeit nach dem isostatischen Kaltpressen, sondern muss in einem Behälter gehandhabt werden.
Durch Auf- bringen des gemäss der Erfindung mit hartem Material angereicherten Pulvers als "Boden" (und auch als "obere Deckschicht") konnte ein Strang von ausreichender Grünfestigkeit hergestellt werden. (Ohne die Bodenschicht fliesst das spährische Pulver nach dem isostatischen Kaltpressen aus). Der extrudierte Verbundkörper-Barren mit einem Durchmesser von 26 mm wies gute Festigkeit in der Übergangszone zwischen den beiden Materialien auf. Die Haftfestigkeit wurde nach dem vor- stehend beschriebenen Verfahren geprüft.
Beispiel 12 : Betreffend nähere Angaben bezüglich des Herstellungsverfahrens bei der Er- zeugung von erfindungsgemässen Verbundkörpern :
Beim Strangpressen von Rohren wird ein hohler Strang verwendet, der über einen Dorn ex- trudiert wird. Es ist möglich, einen hohlen Verbundstrang isostatisch kaltzupressen, wenn im Press- werkzeug ein Stahlkern verwendet wird. (Im Prinzip wird das in Beispiel 9 beschriebene Verfahren verwendet, jedoch nach dem Pressen vorsichtig der Kern entfernt.) Die Extrusionsdose ist in diesem Fall selbstverständlich komplizierter und aufwendiger, da sie doppelwandig ausgebildet sein muss. Die verschiedenen Pulver werden gleichzeitig eingefüllt, u. zw. so, wie schon in vorher- gehenden Beispielen beschrieben, wobei die das harte Material enthaltenden Pulver am weitesten aussen eingefüllt werden.
Nach dem isostatischen Kaltpressen wird der Kern vorsichtig entfernt und der ausgehöhlte Strang in eine Schutzdose eingebracht. Der weitere Vorgang war wie vorstehend beschrieben und die Extrusion wurde wie üblich vorgenommen, jedoch über einen Dorn. Es wurde ein rohrförmiger Verbundkörper in der Dose mit 50 Vol.-% an harten Bestandteilen in der äusseren
Schicht erhalten.
Beispiel 13 : Betreffend nähere Angaben bezüglich des Herstellungsverfahrens bei der Er- zeugung von erfindungsgemässen Verbundkörpern :
Der Versuch wurde wie in Beispiel 12 beschrieben durchgeführt, das das harte Material enthaltende Pulver wurde jedoch am weitesten innen eingebracht. Bei der Extrusion wurde ein rohrförmiger Verbundkörper erhalten, aus dem Verschleisshülsen hergestellt wurden.
Beispiel 14 : Betreffend nähere Angaben bezüglich des Herstellungsverfahrens bei der Erzeugung von erfindungsgemässen Verbundkörpern :
Rohrförmige Verbundkörper wurden hergestellt, indem ein massiver Verformling --23-- aus Stahl gemäss Fig. 10 hergestellt wurde. Der Vorformling wurde in eine Form aus Polyurethan eingebracht, dann wurde ein Hartmaterial-Pulver-24-eingefüllt (s. Fig. 11). Nach dem Kaltpressen wurde ein äusseres Schutzrohr --25-- aufgeschweisst, so dass ein Extrusionsstrang erhalten wurde. Der Strang wurde auf die übliche Weise behandelt und es wurden rohrförmige Verbundkörper extrudiert, aus welchen Verschleisswalzen hergestellt wurden.
Beispiel 15 : Betreffend nähere Angaben bezüglich des Herstellungsverfahrens bei der Erzeugung von erfindungsgemässen Verbundkörpern :
Auf die in Beispiel 14 beschriebene Weise wurden rohrförmige Verbundkörper hergestellt, die harte Legierung --26-- wurde jedoch an der Innenseite aufgebracht (s. Fig. 12).
Beispiel 16 : Betreffend nähere Angaben bezüglich des Herstellungsverfahrens bei der Erzeugung von erfindungsgemässen Verbundkörpern :
Durch gleichzeitiges Einfüllen von Pulver nach dem Prinzip der Gleitform wurden durch isostatisches Kaltpressen Verbundkörper-Vorformlinge hergestellt, die für pulvermetallurgisches Schmieden bestimmt waren und ein Hart-Legierungs-Pulver --27-- am weitesten innen und ein Stahlpulver --28-- am weitesten aussen aufwiesen (Fig. 13).
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