AT409599B

AT409599B - Verbundkörper

Info

Publication number: AT409599B
Application number: AT0069399A
Authority: AT
Original assignee: Boehler Ybbstal Band Gmbh & Co
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2002-09-25
Also published as: ATA69399A

Description


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   Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundkörper, gebildet aus mindestens zwei, im wesentlichen metallischen Teilen mit unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung, welche Teile miteinander unlösbar verbunden sind. 



   Für Maschinen- sowie Anlagenkomponenten und Werkzeuge, die gegebenenfalls gleichzeitig in mehreren Bereichen unterschiedlich beansprucht werden, sind vorteilhaft Verbundkörper einsetzbar. Im wesentlichen bestehen Verbundkörper aus verschiedenartigen Werkstoffen, deren Eigenschaftsmerkmale auf die jeweils örtlichen Anforderungen abgestimmt sind. Die Verbindung der Werkstoffteile erweist sich zumeist als Schwachstelle und kann die Ursache für ein Versagen oder den Bruch der Komponenten oder Werkzeuge darstellen. 



   Es sind Werkstoffe bekannt, zum Beispiel Hartmetalle oder keramische Stoffe, die auf Grund Ihrer wesentlich differierenden physikalischen Materialwerte und/oder ihrer unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften nur durch Löten, also mit Zwischen- oder Ausgleichsschichten unlösbar oder mittels Schraubverbindung zur Erstellung von Verbundkörpern herangezogen werden können. 



   Demgegenüber wird für eine Herstellung von Komponenten und Werkzeugen aus verschiedenen, aber zumindest   ähnliche   physikalische Materialkennwerte besitzenden Werkstoffen hauptsächlich das Schweissen als Verbindungsverfahren angewendet. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass, abgesehen von gegebenen Unterschieden in der thermischen Ausdehnung und im Elastizitätsmodul der Materialien, in den   wärmebeeinfiussten   Verbundzonen derselben, Verbindungen, zum Beispiel des Kohlenstoffes, des Stickstoffes, des Bors und des Sauerstoffes einzeln und in Kombination, vorliegen können, die bei Schweisstemperatur zumindest teilweise in Lösung gehen, wodurch bei einer Wiederabkühlung auf Raumtemperatur oft im Schweissbereich und/oder in der benachbarten temperaturbeeinflussten Zone,

   gegebenenfalls scharf abgegrenzte Materialversprödungen entstehen, die bei einer mechanischen Beanspruchung zum Bruch des Teiles bzw der Verbindung führen. 



   Für die Einzelteile selbst des Verbundkörpers ist anzumerken, dass erhöhte Gehalte an Karbiden und/oder Nitriden und/oder Boriden und/oder Oxiden sowie deren Mischformen ein Eigenschaftssegment eines Werkstoffes, zum Beispiel die Härte, die   Verschleissfestigkeit   und   derglei-   chen, durchaus vorteilhaft gestalten können, ein weiteres Segment hingegen, zum Beispiel das elastische Verhalten und die Zähigkeit des Materials, soweit schädigen, dass für eine praktische Anwendung des zwar harten und verschleissfesten Werkstoffes dessen Bruchgefahr zu gross ist
Oftmals besteht daher bei Verbundkörpern, die zum Stand der Technik zu zählen sind, ausschliesslich der Wunsch, die Bruchgefahr zumindest eines Teiles zu verringern bzw. die Matenalzähigkeit desselben zu erhöhen. 
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 Faserverstärkung des Materials vorzunehmen.

   Dazu werden anorganische Fasern mit hoher Zugfestigkeit, zum Beispiel Karbidfasern oder Keramikfasern in einer Matrix angeordnet. Diese faserverstärkten metallischen Werkstoffe weisen gegebenenfalls in einem Eigenschaftssegment besondere Gütewerte auf, sind jedoch nach Ansicht der Fachwelt im wesentlichen unverformbar, nicht schweissbar und können zumeist nur zu kleinen Teilen verarbeitet werden. 



   An sich kann im wesentlichen die Wirkung von eingelagerten Fasern auf die Eigenschaften eines Werkstoffes aus der EP 298 151 abgeleitet werden. Aus der US 4 803 334 ist ein Schweissverfahren für faserverstärkte Werkstoffe gleicher Zusammensetzung bekannt geworden, wobei der Schweisszusatzwerkstoff ebenfalls einen Faseranteil aufweist, dessen   Desintegrieren jedoch   beim   Schmelzschweissprozess   verhindert wird. Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus   Aluminiumwerkstoffen Ist   in der DE 3 614 475 offenbart, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte.

   Fügen eines Funktionsteiles in eine Ausnehmung eines   Basisteiles- Strahlungsschweissen   unter nicht oxidierenden Bedingungen des Umfangbereiches zur Aussenfläche hin zwischen Basisteil und   Funkttonsteik   Erhitzen und Verpressen zur Erzielung einer Diffusionsschweissverbindung zwischen Basisteil und Funktionsteil. Auch die DD 259 163 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern, bei weichen die Ausgangsstoffe aus geometrisch bestimmten Körpern und Pulvergemischen bestehen und unter Wirkung der Arbeitsparameter gleichzeitig zwei Fertigungsprozesse ablaufen.

   Dabei entstehen simultan durch Sintern aus dem Pulvergemisch ein kompakter Körper und eine Verbindung desselben mit dem geometrisch vorliegenden Körper in nur 

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 einer   Fertigungseinrichtung.   An Stelle des Pulvergemisches können auch gerichtete oder ungerichtete Faserstrukturen verbunden werden. 



   Ausgehend vom Stand der Technik ist es Ziel der Erfindung einen im wesentlichen aus verschiedenen   Metall- und/oder Legierungsteilen   bestehenden Verbundkörper zu schaffen, dessen Verbindungsbereich hohe Bruchsicherheit besitzt und wenigstens ein Teil des Körpers eine verbesserte Werkstoffgüte, insbesondere eine erhöhte Zähigkeit und/oder eine gesteigerte Härte und/ oder Abriebfestigkeit aufweist. 



   Dieses Ziel wird bei einem eingangs genannten gattungsgemässen Gegenstand dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil des Verbundkörpers aus einem Fasern enthaltenden pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff gebildet ist und dass die Teile miteinander metallisch verbunden sind. 



   Die mit der Erfindung erreichten Vorteile liegen einerseits darin, dass die Fasern eine Art Armierung des Werkstoffes darstellen, diesem also eine verbesserte Biegezähigkeit und Bruchfestigkeit vermitteln, und dem pulvermetallurgisch hergestellten Material, wie gefunden wurde, erhöhte Abriebfestigkeit bzw. ein verbessertes Verschleissverhalten verleihen. Andererseits und ebenso erheblich sind die Vorteile eines Faseranteiles betreffend die metallische Verbindung der Teile. Überraschend wurde gefunden, dass, obwohl Fasern in der Schweissnaht nichtmetallische Einschlüsse darstellen, die metallische Bindung von zwei unterschiedlich zusammengesetzten Werkstoffen eine wesentlich höhere Zähigkeit und Bruchfestigkeit aufweist, auch wenn nur ein Werkstoff bzw. der Werkstoff mit höherer Härte einen Faseranteil in der Matrix besitzt.

   Eine wissenschaftliche Begründung dafür kann noch nicht gegeben werden, es wird jedoch angenommen, dass sich bei der metallischen Verbindung der Teile üblicherweise jeweils im härteren Werkstoff eine Zone erhöhter Sprödigkeit ausbildet. Wenn jedoch dieser einen Faseranteil aufweist, ein Entstehen oder Wirksamwerden einer derartigen Zone weitgehend unterdrückt ist. 



   Als weitere Erklärung kann bei ausstehenden Untersuchungsergebnissen die Annahme dienen, dass die Fasern in die bei der Schweissung gebildete Schmelz-oder Diffusionszone reichen und dadurch Sprödzonen des Materials Im faserverstärkten Bereich nicht oder nur geringfügig wirksam werden. 



   Eine besonders einfache, leistungsstarke sowie wirtschaftliche Fertigung von Verbundkörpern wird erreicht, wenn die metallische Verbindung durch eine zusatzwerkstoffreie Schweissung gebildet ist. 



   Wenn, wie weiters in günstiger Weise vorgesehen, die metallische Verbindung durch eine Laserschweissung oder eine   Elektronenstrahlschweissung   gebildet ist, kann eine erheblich verbesserte Güte der Verbindung der unterschiedlichen Teile erreicht werden. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass auf Grund der hohen spezifischen Energieeinbringung bei diesem Verfahren die Verweilzeit der Verbindungsflächen im Bereich der Schweisstemperatur kurz ist und keine nachteilig wirkenden Diffusionserscheinungen auftreten. 



   Sowohl für eine Erhöhung der Biegezähigkeit und Bruchfestigkeit als auch für eine Verbesserung der Güte der metallischen Verbindung des Verbundkörpers hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der (die) Fasern enthaltende (n) Werkstoff (e) einen Faseranteil von   weni-   ger als 50 Vol-%, mindestens jedoch 2 Vol-%, aufweist Bei Ausklammerung der   Leichtmetalle   war es für den Fachmann vollkommen überraschend, dass bel einem vergleichweise durchaus beträchtlichen Anteil von anorganischen bzw. nichtmetallischen Phasen in zumindest einem der metallschen Teile die mechanischen Eigenschaften und insbesondere deren Verbindungsgüte verbessert werden. 



   Bevorzugt ist, wenn die Fasern des pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffes aus Oxiden und/oder Nitriden und/oder Boriden und/oder Mischformen dieser Verbindungen gebildet sind und wie an sich bekannt eine Beschichtung tragen. 



   Wenn, wie gemäss einer weiteren Variante der Erfindung vorteilhaft vorgesehen, der pulverme- 
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 de und/oder Mischformen dieser Verbindungen in globulitischer Form aufweist, kann dessen Ver-   schieisswiderstand   erheblich gesteigert werden, ohne dass die Materialzähigkeit dadurch wesentliche   Einbussen erfährt.   



   Besonders wirksam ist eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von formgebenden, insbesondere von schnitterzeugenden, Komponenten, wenn zumindest ein Teil des Verbundkörpers, vorzugsweise der globulitische und/oder faserartige anorganische Verbindungen aufweisen- 

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 de Teil, mit einer Matrix aus Werkzeugstahl, insbesondere Schnellarbeitsstahl, gebildet ist. 



   Zur Vermeidung von ausgeprägten Kriecherscheinungen des Materials bei   Heissbedingungen   bei gleichzeitig verbesserter Abriebfestigkeit kann es, beispielsweise für eine Verwendung bei Turbinenschaufeln, günstig sein, wenn zumindest ein Teil des Verbundkörpers, bevorzugt der globulitische und/oder faserartige Verbindungen aufweisende Teil mit einer Matrix aus einer Hochtemperaturlegierung, beispielsweise einer   Nickel- undloder Kobaltbasislegierung,   gebildet ist. 



   Für eine Optimierung der Eigenschaften des Verbundkörpers ist es wichtig, dass dieser einen durch Wärmebehandlung gebildeten Gefügezustand der Matrix aufweist. 



   Eine grosse Erzeugnisvielfalt bei wirtschaftlichen Herstellbedingungen ist erreichbar, wenn der Verbundkörper aus Teilen gebildet ist, die durch Walzen oder Schmieden bei erhöhter Temperatur umgeformt sind. Vollkommen überraschend für den Fachmann war, dass bei einem Faseranteil von weniger als 50 Vol-% und einer, durch eine Weich-Glühung behandelten, Matrix eine Verformbarkeit des Materiales erreicht werden kann, die weiters mit abnehmenden Anteil von Fasern verbessert wird. 



   Bei einer Verwendung von Verbundkörpern als Bearbeitungselemente kann es günstig sein, wenn ein Teil   als Stütz- oder Halteteil   ausgebildet ist, der mindestens einen Arbeitsteil, insbesondere Werkzeugteil mit einer Fasern enthaltenden Matrix, trägt. Offenbar wirken die Fasern, wenn diese an der Schneidfläche oder im Bereich der Schneidkante eines Werkzeuges ausbeissen, was durch den Anschliff desselben verursacht wird, verschleissmindernd und stehen insbesondere einer Auskolkung entgegen. 



   Wenn weiters der Arbeitsteil aus einer globulitische und/oder faserartige Verbindungen aufweisenden pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstahimatrix, insbesondere Schnellstahimatrix gebildet ist, sind damit spanabhebende Werkzeuge mit weiters erhöhter Schneidhaltigkeit herstellbar. 



   Schliesslich ist es von Vorteil, wenn der Verbundkörper als Vormaterial für die Herstellung von   Sägeblättern   und Sägebändern, insbesondere für die Metallbearbeitung ausgebildet ist. Damit können Werkzeuge hergestellt werden, die schmale Schnitte mit einer Leistung erstellen, die bisher nur mittels Einsatz von teuren, hartmetallbestückten Sägen mit erheblichen Schnittbreiten erreichbar war. 



   PATENTANSPRÜCHE : 
1. Verbundkörper gebildet aus mindestens zwei, im wesentlichen metallischen Teilen mit un- terschiedlicher Werkstoffzusammensetzung, welche Teile miteinander unlösbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Verbundkörpers aus einem
Fasern enthaltenden pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff gebildet ist und dass die
Teile miteinander metallisch verbunden sind.

Claims

2. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verbin- dung durch eine zusatzwerkstoffreie Schweissung gebildet ist.

3. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verbin- dung durch eine Laserschweissung oder Elektronenstrahlschweissung gebildet 1St.

4. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der (die) Fasern enthaltende (n) Werkstoff (e) einen Faseranteil von weniger als 50 Vol-%, min- destens jedoch 2 Vol-% aufweist (aufweisen).

5. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffes aus Oxiden und/oder Karbiden und/oder Nitriden und/oder Boriden und/oder Mischformen dieser Verbindungen gebildet sind.

6. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern beschichtet sind.

7. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoff zusätzlich zu den Fasern Karbide und/oder Nitre- de und/oder Boride und/oder Mischformen dieser Verbindungen in globulitischer Form aufweist. <Desc/Clms Page number 4> 8. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest ein Teil des Verbundkörpers, vorzugsweise der globulitische und/oder faserartige Ver- bindungen aufweisende Teil, mit einer Matrix aus Werkzeugstahl, insbesondere Schnell- stahl, gebildet ist.

9. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest ein Teil des Verbundkörpers, vorzugsweise der globulitische und/oder faserartige Ver- bindungen aufweisende Teil, mit einer Matrix aus einer aushärtbaren Eisenbasis-Legie- rung, enthaltend bis 30% Kobalt und/oder bis 20 % Molybdän und/oder bis 20 % Wolfram, gebildet ist und bis zu 20 % Hartstoffphasen besitzt.

10. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest ein Teil des Verbundkörpers, vorzugsweise der globulitische und/oder faserartige Ver- bindungen aufweisende Teil, mit einer Matrix aus einer Hochtemperaturlegierung, bei- spielsweise einer Nickel- und/oder Kobaltbasislegierung, gebildet ist.

11. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen durch Wärmebehandlung gebildeten Gefügezustand der Matrix aufweist.

12. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus Teilen gebildet ist, die durch Walzen oder Schmieden bei erhöhter Temperatur umge- formt sind.

13. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil als Stütz- oder Halteteil ausgebildet ist, der mindestens einen Arbeitsteil, insbesondere Werkzeugteil, mit einer Fasern enthaltenden Matrix, trägt.

14. Verbundkörper nach einem der Anspruche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsteil aus einem globulitische und/oder faserartige Verbindungen aufweisenden pul- vermetallurgisch hergestellten Werkzeugstahl, insbesondere Schnellstahl, gebildet ist 15. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Vormaterial für die Herstellung von Sägeblättern und Sägebändern, insbesondere für die Metallbearbeitung, ausgebildet ist.