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Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug oder eine Maschinenkomponente, bestehend aus mindestens einem Trage- oder Stützteil und mindestens einem mit diesem unlösbar verbundenen verschleissfesten Auflageteil. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Extrudergehäuse, erstellt aus einem zähfesten Mantelteil mit einer mit diesem verbundenen verschleissfesten Innenwandschicht.
Weiters umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eingangs beschriebener Werk- zeuge oder Maschinenteile, insbesondere zur Herstellung eines oben genannten Extrudergehäu- ses.
Extrudergehäuse sind Hauptkomponenten in Anlagen zum Druckgiessen bzw. Spritzgiessen von Kunststoffmassen, in welchen diese Massen in der Regel bei erhöhten Temperaturen durch Druck plastifiziert und unter Druck in eine Form oder Kokille eingebracht werden. Kunststoffpressmassen besitzen einerseits zumeist Anteile von Füllstoffen oder Armierfasem mineralischer oder oxidischer Art, welche bei einer Relativbewegung mit hohem Druck auf die Oberflächen der P@essenteile, wie Gehäusekammern, extrem verschleissend wirken. Andererseits werden bei einer Verarbeitung derartiger Massen auch chemische Verbindungen freigesetzt, die eine hohe Korrosionswirkung haben können.
Um eine verbesserte Wirtschaftlichkeit bei einer Spitzgiessfertigung von Kunststoffteilen, insbe- sondere aus Massen mit hohem Füllstoffanteil, zu erreichen war seit langem Ziel, die Standzeit von Extrudergehäusen und Extruderschnecken zu erhöhen.
Aus der GB 1 383 686 A und der US 3 836 341 A ist bekannt geworden, eine korrosions- und verschleissbeständige Auskleidung von Extruderrohren durch ein Schleudergiessverfahren herzu- stellen. Dabei wird eine im Wesentlichen eisenfreie, wolframkarbidhältige, aus Nickel, Bor, Silizium, gegebenenfalls mit einem Zusatz von Kobalt und Chrom, gebildete Schmelze in einen sich dre- henden Rohrkörper eingebracht und erstarren gelassen. Eine Verbindung der sich bildenden Auskleidung mit dem Rohrkörper soll durch oberflächliches Aufschmelzen desselben und eine hohe Verschleissfestigkeit der Auskleidung durch eine Konzentration der Wolframkarbidteilchen mittels Schwereseigerung, auf Grund ihrer hohen Dichte und der Zentrifugalkräfte in Richtung zur Rohrinnenwand erstellt werden.
Nachteilig dabei ist, dass die Herstellung eines derartigen Extru- derrohres sehr aufwendig ist, Schleudergiesseinrichtungen voraussetzt und nur für Rohre mit kreis- rundem Querschnitt geeignet erscheint.
Gemäss US 5 198 268 A wird vorgeschlagen, eine Karbidpartikel enthaltende Nickelbasislegie- rung mit mit der Rohrkörperauskleidung vergleichbaren Elastizitätsmodul, Streckgrenze und Aus- dehnungskoeffizient mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche eines erwärmten Schnecken- körpers aufzusprühen, um eine mechanische Bindung der Sprühschicht zu erreichen. Durch Auf- schmelzen der Legierung wird die Schicht mit der Förderschneckenoberfläche verbunden. Eine derartige, oft nur dünne Beschichtung kann zumeist nur auf Oberflächen unter Einhaltung eines erforderlichen Sprühabstandes aufgebracht werden und erfordert einen hohen Aufwand.
Ein Extrudergehäusebauteil für einen Zweischneckenextruder mit einer aufnahmekammerseiti- gen Hartphasenschicht, welcher Bauteil pulvermetallurgisch hergestellt wird, offenbart die DE 3 936 438-A1. Der Gehäusebauteil ist dabei einteilig ausgeführt, wobei sowohl der Gehäuse- werkstoff als auch der Hartphasenschicht-Bereich eine isotrope Gefügestruktur, also eine HIP-Textur aufweisen und der Gehäusewerkstoff-Bereich, sowie der Hartphasenschicht-Bereich durch eine Diffusionsschicht miteinander verbunden sind. Hergestellt wird nach obigem Dokument der Extruderbauteil derart, dass eine Pressform mit einem Formaussenmantel aus Blech und einem massiven Formkern mit achtförmigem Querschnitt aus Stahl erstellt wird, wobei in den Pressform- raum ein Werkstofftrennmantel aus Stahlblech eingesetzt ist, der zur Ausbildung der Diffusionsver- bindungsschicht dient.
Zwischen Formkern und Werkstofftrennmantel werden das Pulver für die Hartphasenschicht und zwischen Trennmantel und Formaussenmantel das Pulver für den Gehäu- sewerkstoff eingebracht, die gefüllten Pressformräume evakuiert, verschlossen und der Bauteil heissisostatisch gepresst, wobei der Werkstofftrennmantel in die Diffusionsschicht überführt wird, in die ausserdem der Gehäusewerkstoff sowie der Werkstoff der Hartphase eindringen. Obiges Extru- dergehäuse, nach dem zugehörigen Verfahren hergestellt, besitzt den Vorteil, dass der achtförmi- ge Innenraum durch den massiven Formkern mit hoher Genauigkeit gebildet wird. Allerdings erscheinen ein Einsatz eines Werkstoff-Trennmantels zwischen Aussenmantel und Kern sowie eine jeweilige Füllung mit verschiedenen Pulvern aufwendig.
Die Erfindung setzt sich nun zum Ziel, ein Werkzeug oder eine dergleichen Maschinenkompo-
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nente der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bzw. welche wirtschaftlich herzustellen ist und eine hohe Verbindungsgüte eines Stützteiles und eines höchst verschleissbeständigen Auflage- teiles besitzt.
Insbesondere zielt die Erfindung auf ein Extrudergehäuse mit hoher Standzeit im Betrieb von Druckguss- bzw. Spritzguss-Anlagen für Kunststoffe mit hohem Füllstoffanteil und hohen Verarbei- tungstemperaturen bei Freisetzung von korrodierenden chemischen Substanzen ab.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur unlösbaren Verbindung eines Tragetei- les mit einem verschleissfesten Auflageteil anzugeben.
Im Besonderen stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein gattungsgemässes Verfahren zu schaf- fen, mit welchem Extrudergehäuse mit verbesserten Gebrauchseigenschaften wirtschaftlich herge- stellt werden können.
Das Ziel wird bei einem Werkzeug oder einer Maschinenkomponente der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass jeweils der Stützteil aus einem zähfesten Werkstoff, insbesondere einem Eisenbasiswerkstoff, gebildet ist, der Werkstoff der/des Auflageteile(s) im Wesentlichen aus Mono- karbiden und/oder Nitriden und/oder Boriden und/oder Siliciden und Bindemetall besteht und die flächige Verbindung der beiden Werkstoffteile zusatzwerkstoff-frei erstellt ist.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in einer zusatzwerkstoff-freien flächigen Ver- bindung des Auflageteiles mit dem Stützteil. In Kenntnis der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von einerseits Teilchenverbundwerkstoffen, welche aus in einem Binde- bzw. Mat- rixmetall eingelagerten Hartstoffpartikel bestehen, und andererseits metallischen Werkstoffen wurde vom Fachmann dadurch begründet eine flächige zusatzwerkstoff-freie Verbindung von derartigen Werkstoffteilen als nicht realisierbar angesehen. Beispielsweise sind, wie bekannt, die Elastizitätsmodule von Hartmetall etwa dreimal so hoch wie von Stahl, was ein Fügen der Werk- stoffe durch Löten oder Anpressen oder Einpressen erforderlich macht.
Es war vollkommen über- raschend, dass eine flächige, zusatzwerkstoff-freie, unlösbare, feste Verbindung, die erhöhten Temperaturen und Temperaturwechsel widerstehen kann, zwischen Nichtoxidkeramik enthalten- dem nicht verformbarem Hartmetall und Metallteilen erstellbar ist. Erfindungsgemäss können somit höchst verschleissfeste Teilchenverbundwerkstoffe bzw. Hartmetalle mit zum Beispiel Stahlteilen verbunden und äusserst wirtschaftlich Werkzeuge oder Maschinenkomponenten geschaffen wer- den. Derartige Werkzeuge oder Komponenten sind auch in Sandwich-Bauweise herstellbar.
Ein bevorzugtes Ziel der Erfindung wird bei einem Extrudergehäuse gemäss Oberbegriff des Anspruches 2 dadurch erreicht, dass die Innenwandschicht mit einem Werkstoff, bestehend aus im Wesentlichen Monokarbiden und/oder weiteren Hartstoffen und vorzugsweise korrosionsbeständi- gem Bindemetall, gebildet und zusatzwerkstoff-frei metallisch mit dem Mantelteil verbunden ist.
Diese erfindungsgemässe Ausführungsform ermöglicht es, eine Innenwandschicht mit höchster Verschleissfestigkeit vorzusehen, wobei die Hartstoffteilchen den Verschleisswiderstand begründen.
Je nach Anforderung an den Innenwandteil kann die Art oder Mischung der Hartstoffpartikel ge- wählt werden. Ebenso ist die Zusammensetzung des Bindemetalles an die insbesondere chemi- sche Beanspruchung anpassbar, sodass auch eine erforderliche hohe Korrosionsbeständigkeit des Matrixmetalles einstellbar ist und kein Aus- oder Ablösen der Hartstoffteilchen aus dieser platzgrei- fen kann. Wie vorhin festgestellt, war es für die Fachwelt vollkommen überraschend, dass eine zusatzwerkstoff-freie flächige Bindung zwischen einem schmelzmetallurgisch hergestellten Werk- stoff und einem Teilchenverbundwerkstoff, wie Hartmetall herstellbar ist, die höchste wirtschaftliche Vorteile aufweist.
Besonders vorteilhaft hinsichtlich der Wahl der Hartstoffe und der Stärke der flächigen Bindung der daraus gebildeten Körper ist es, wenn die Innenwand und die Verbindung mit dem Mantelteil pulvermetallurgisch und durch heissisostatisches Pressen erstellt ist.
Wenn weiters, wie erfindungsgemäss vorgesehen sein kann, die Innenwandschicht zu mehr als 50 Gew.-%, vorzugsweise zu mehr als 75 < 3ew.-%, aus Karbid, insbesondere Wolframkarbid und/oder Vanadinkarbid und/oder Niobkarbid und zu höchstens 15 Gew.-%, vorzugsweise zu höchstens 10 Gew.-%, aus Bindemetall, insbesondere Nickel und/oder Kobalt und/oder Chrom gebildet ist, wobei der Anteil von weiteren Elementen im Bindemetall höchstens 20 Gew.-% be- trägt, so ist einerseits die Verschleissfestigkeit weiter gesteigert, andererseits die Korrosionsbestän- digkeit der Matrix und derart der ganzen Schicht erhöht.
Die Gebrauchseigenschaften des gesamten Extrudergehäuses können verbessert und dessen
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Konzeption und Grösse den Werkstoffeigenschaften optimal angepasst werden, wenn der Mantelteil aus einem warmfesten, vorzugsweise hochwarmfesten Stahl, insbesondere aus Stahl mit mindes- tens 11,2 Gew. -% Chrom und mindestens 2,1 Gew.-% Nickel besteht.
Höchste Betriebsicherheit und Wirtschaftlichkeit im praktischen Einsatz der Hauptkomponenten in Anlagen zum Spritzgiessen von Kunststoffen sind erreichbar, wenn der Mantelteil aus einem thermisch vergüteten hochwarmfesten Stahl mit einer Zeitstandfestigkeit bei 500 C und 100 000 Stunden von mindestens 220 N/mm2, insbesondere von 265 N/mm2 gebildet ist. Es ist nicht alleine die Verschleissbeständigkeit der Innenschicht, sondern auch eine hohe Zeitstandsfes- tigkeit des stützenden Mantelteiles für eine sichere Funktion mit hoher Lebensdauer bzw. Standzeit des Extrudergehäuses wesentlich.
Die weitere Aufgabe der Erfindung und zwar ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass an der Oberfläche oder im Oberflächenbe- reich der/des Trageteile(s), an welchen bzw. an welchem der/die Auflageteil(e) vorgesehen ist/sind, ein verschliessbarer Raum geschaffen wird, in welchen ein Pulvergemisch, insbesondere ein Ge- misch aus Monokarbidpulver und/oder Nitridpulver und/oder Boridpulver und/oder Silicidpulver und Bindemetallpulver, eingebracht, der Raum evakuiert und verschlossen und die derart erstellten Pulverwandschichten am Tragkörper mit diesem (n) isostatischen Pressvorgang bei erhöhter Temperatur, einem sogenannten heissisostatischen Pressen (HIP), unterworfen werden, worauf eine spanabhebende Bearbeitung des Rohteiles und/oder ein Wärmebehandeln des Werkzeuges oder der Machinenkomponente erfolgen können.
Ein heissisostatisches Pressen von jeweils Metallpulver oder Hartstoffpartikel enthaltenden Pul- ver zur Kompaktierung und Schaffung von Bauteilen ist bekannt. Dass jedoch ein Nichtoxidkera- mik-Teilchenverbundwerkstoffteil, wie Hartmetall durch ein heissisostatisches Pressen geschaffen und gleichzeitig mit einem Metallteil zu einem Compound verbunden werden kann, ist neu und für den Fachmann vollkommen überraschend. Wie sich die Verbindung zwischen den Werkstoffen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften ausbildet, ist wissenschaftlich noch nicht ausrei- chend geklärt, es dürfte sich jedoch um eine Art von Press-Schweissung ohne flüssige Phase handeln. Weiters höchst überraschend für den Fachmann war, dass auch Compound -Teile in Sandwich-Bauweise herstellbar sind.
Die Vorteile der Schaffung eines derartigen Verbundteiles sind im Wesentlichen darin zu se- hen, dass erstmals im gleichen Arbeitsgang eine Kompaktierung eines Teilchenverbundwerkstoffes mit Hartstoffteilchen und eine Verbindung mit einem Tage- oder Stützteil erfolgen, welche Verbin- dung eine hohe mechanische Festigkeit besitzt und thermisch belastbar ist.
Die besondere Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines Extrudergehäuses anzugeben, wird dadurch gelöst, dass in eine Ausnehmung eines Mantelteiles eines Extrudergehäuse-Rohkörpers beabstandet ein Blechgehäuse oder eine Kapsel eingesetzt, mit dem Mantelteil einseitig verbunden und in den Zwischenraum zwischen Innenoberfläche des Mantelteiles und der Gehäuse- oder Kapselwand ein Pulvergemisch eingebracht, klopfverdichtet, der Füllraum verschlossen, evakuiert und der so geschaffene Gehäuserohkörper heissisostatisch gepresst wird, wobei das Pulvergemisch mit einem Anteil von jeweils mehr als 50 Gew.-% Karbid und/oder weiteren Hartstoffen und höchstens 15 Gew.-%, vorzugsweise korrosionsbeständigem Bindemetallpulver homogen erstellt und der Gehäuse-Rohkörper beim HIP -Vorgang im kalten Zustand unter allseitigen Druck gesetzt,
auf ein Temperatur zwischen 1030 C und 1200 C aufge- heizt, bei dieser Temperatur gehalten und anschliessend abkühlen gelassen wird, wonach an diesem eine spanabhebende Bearbeitung und eine thermische Vergütung zur Erstellung der me- chanischen Materialeigenschaften des Mantelteiles erfolgen kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in der Schaffung einer höchst ver- schleissfesten, dichten und seigerungsfreien Innenwandschicht in einem Mantelteil, wobei erstmals Teilchenverbundwerkstoffe mit überragender Verschleissfestigkeit als Innenschicht verwendet werden können. Gegen die Meinung der Fachwelt ist es möglich, eine sowohl im Dauerbetrieb als auch im aussetzenden Betrieb mit zyklischer Temperaturbelastung feste Verbindung zwischen einer Hartstoffinnenschicht und einem Mantelteil zu erreichen. In vorteilhafter Weise kann der Mantelteil thermisch vergütet werden und so ein Verbund-Extrudergehäuse mit optimierten Gebrauchseigenschaften geschaffen werden.
Die besondere Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines Extrudergehäuses zu schaffen, kann auch dadurch gelöst werden, dass in eine Ausnehmung eines
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Mantelteiles eines Extrudergehäuse-Rohkörpers beabstandet ein massiver Kernteil eingesetzt, mit dem Mantelteil einseitig verbunden und in den Zwischenraum zwischen Innenoberfläche des Mantelteiles und der Aussenoberfläche des Kernteiles ein Pulvergemisch eingebracht, klopfverdich- tet, der Füllraum verschlossen evakuiert und der so geschaffene Gehäuse-Rohkörper heissisosta- tisch gepresst wird, wobei das Pulvergemisch mit einem Anteil von jeweils mehr als 50 Gew.% Karbid- und höchstens 15 Gew.-% Bindemetallpulver homogen erstellt und der Gehäuse-Rohkör- per beim HIP -Vorgang unter allseitigem Druck auf einem Temperatur zwischen 1030 C und 1200 C aufgeheizt,
bei dieser Temperatur gehalten und anschliessend abkühlen gelassen wird, wonach an diesem eine Entfernung des Kemteiles, eine spanabhebende Bearbeitung und eine thermische Vergütung zur Erstellung der mechanischen Materialeigenschaften des Mantelteiles erfolgen.
Die mit dieser erfindungsgemässen Ausführungsform des Verfahrens erreichten Vorteile liegen insbesondere in der gewünschten Massgenauigkeit der Innenfläche der Innenwandschicht des Extrudergehäuse-Rohkörpers, die durch den massiven Kernteil beim HIP en gestützt wird. Nach einem Ausarbeiten des Innenteiles aus dem Rohkörper ist lediglich ein geringer Schleifaufwand für eine Erstellung einer massgenauen Innenoberfläche des Extrudergehäuses erforderlich.
Am massiven Kernteil können auch Beschichtungen vorgesehen sein, die ein Ausbringen des- selben nach dem heissisostatischen Pressen gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erleichtern.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand nur einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigt : 1 eine Verbindung eines Stützteiles und eines Auflageteiles (schematisch), Fig. 2 einen Gehäuse-Rohkörper für eine Herstellung eines Extrudergehäuses schematisch) Fig.3 ein Sandwich-Compound (schematisch), Fig. 4 einen Gehäuse-Rohkörper mit Innenteil (schematisch).
In Fig. 1 ist im Schnitt ein Verbindungsbereich von einer Maschinenkomponente E mit einem Auflageteil S auf einem Trage- oder Stützteil 2 gezeigt. Ein Auflageteil S bestehend beispielsweise aus Wolframkarbid (WC) und Niobkarbid (NbC) im Verhältnis 9 zu 1 in einer Matrix einer Kobalt (Co)-Nickel (Ni)-Chrom (Cr)-Legierung, ist porenfrei heissisostatisch gepresst (HIP) und flächig mit einem Auflageteil 2 unlösbar zusatzwerkstofffrei verbunden, wobei eine Verbindungsfläche S1 mikroskopisch eine metallische Bindung zeigt.
In Fig. 2 ist schematisch im Schnitt ein Gehäuse-Rohkörper 1 dargestellt, welcher im Bereich einer Aufnahmekammer 21 auf einem Mantelteil 2 ein Blechgehäuse 3 trägt. Das Blechgehäuse 3 besitzt zum Mantelteil 2 hin einen Abstand Z, welcher mit einem Pulvergemisch 4, bestehend aus Hartstoffteilchen und Metallteilchen gefüllt ist. Selbiges Blechgehäuse 3 ist mit dem Mantelteil 2 durch Schweissung (nicht dargestellt) jeweils stirnseitig verbunden, wobei beim Füllen mit Pulver 4 eine Klopfverdichtung desselben erfolgt und verbleibende Resthohlräume evakuiert sind. Ein derartig gebildeter Gehäuse-Rohkörper 1 wird einem heissisostatischen Pressvorgang (HIP) unter- worfen, wobei vorerst von einer Achse A zum Mantelteil 3 eine Presskraft aufgebaut wird, welche zwischen einer Gehäuseinnenoberfläche 31 und einer Oberfläche eines Mantelteiles 22 das Pulver unter Druck setzt.
Durch eine Temperaturerhöhung je nach chemischer Zusammensetzung von Metallpulver 4 und Substrat 5 in einem Bereich von 1030 C bis 1200 C, einem Halten bei dieser Temperatur mit nachfolgender Abkühlung wird ein porenfreies Kompaktieren der Innenwandschicht 4 und eine Verbindung 22 dieser mit einem Mantelteil 2 erreicht. Der Mantelteil kann in der Folge einer thermischen Vergütungsbehandlung unterworfen werden.
In Fig. 3 ist ein Sandwich-Compound schematisch im Schnitt dargestellt. Mit einem Tragteil oder Stützteil 2 ist durch eine zusatzwerkstofffreie Verbindung S1 ein Auflageteil S verbunden, der gegenüberliegend wiederum eine zusatzwerkstofffreie Verbindung mit einem Zwischenteil 2' be- sitzt. Zwischen diesem Teil 2' und einem weiteren Teil 2" ist wiederum ein Auflageteil S' artgleich eingebunden.
Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen Extrudergehäuse-Rohkörper 1, welcher in Bereich einer Aufnahmekammer 21 eines Mantelteiles 2 einen Kernteil 5 beabstandt gegenüber einer Mantelteil-Innenoberfläche 22 aufweist. Ein Zwischenraum Z zwischen Mantelteil 2 und Kernteil 5, welcher mit einem Nlchtoxidkeramik-Teilchen aufweisenden Pulvergemisch 4 gefüllt und ein Rest- hohlraum im Pulver evakuiert ist, ist beidseitig durch ein Verschliessmittel 3' abgeschlossen.
Ein obiger Gehäuserohkörper 1 wird heissisostatisch gepresst, wobei die Presskraft bis zu einer
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für eine Verdichtung eines Pulvergemisches 4 und für eine zusatzwerkstofffreie Verbindung 22 einer dichten Innenwandschicht S mit einem Mantelteil 2 ausreichenden Temperatur aufrecht erhalten bleibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Werkzeug oder Maschinenkomponente (E), bestehend aus mindestens einem Trage- oder
Stützteil (2) und mindestens einem mit diesem unlösbar verbundenen, verschleissfesten
Auflageteil (S), dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Stützteil (2) aus einem zäh- festen Werkstoff, insbesondere einem Eisenbasiswerkstoff, gebildet ist, der Werkstoff der/des Auflageteile(s) (S) im Wesentlichen aus Monokarbiden und/oder Nitriden und/oder
Boriden und/oder Siliciden und Bindemetall besteht und die flächige Verbindung (S1) der
Werkstoffteile (2 - S1 ) zusatzwerkstofffrei erstellt ist.
2. Extrudergehäuse (E), erstellt aus einem zähfesten Mantelteil (2) mit einer mit diesem ver- bundenen verschleissfesten Innenwandschicht (S), dadurch gekennzeichnet, dass die In- nenwandschicht (S) mit einem Werkstoff, bestehend aus im Wesentlichen Monokarbiden und/oder weiteren Hartstoffen und vorzugsweise korrosionsbeständigem Bindemetall ge- bildet und zusatzwerkstofffrei metallisch (S1) mit dem Mantelteil (2) verbunden ist.