AT507894B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von werkstücken mit einer oberfläche aus rostfreiem stahl - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl. Erfindungsgemäß wird ein Werkstück 4 aus einem unlegierten Stahl gegossen und anschließend in ein Bad 2 aus flüssigem rostfreiem Stahl getaucht und mit einer Schicht aus rostfreiem Stahl überzogen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung die einen Tiegel 1 und ein Hebezeug 3 umfasst und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist.
Description
österreichisches Patentamt AT507 894B1 2010-09-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl. Sie betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Bisher werden verschiedenste Werkstücke aus reinem rostfreien Stahl gegossen um eine entsprechende Oberfläche zu haben. Durch die steigenden Rohstoffpreise, vor allem bei Legierungselementen für hochwertigen Stahlguss, sowie auch beispielsweise Kupfer und Zink werden derartige Werkstücke immer teurer. Beim Gießen der Werkstücke wird der Stahl in einem Tiegel soweit erhitzt, dass er flüssig ist und durch Zugabe verschiedenster Legierungselemente auch die gewünschte Zusammensetzung aufweist. Anschließend wird der Tiegel mit dem flüssigen Stahlbad soweit geschwenkt, dass der Stahl in eine vorbereitete Form gegossen werden kann. Beim Guss kann es dann zu ungewünschten Luft- und Schlackeeinschlüssen kommen. Bei verschiedenen Werkstücken erschwert die Geometrie eine Beschichtung durch Aufspritzen.
[0003] Weiters sind Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche mit z.B. Sn wie in der DE 25 34 372 beschrieben bekannt. Die JP 54023032 beschreibt eine Beschichtung mit einer Bleilegierung. Auch hier werden teure Zusatzwerkstoffe verwendet.
[0004] Die Erfindung soll diese Nachteile vermeiden und insbesondere eine dazu geeignete Vorrichtung vorschlagen.
[0005] Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück aus einem unlegierten Stahl gegossen und anschließend in ein Bad aus flüssigem rostfreiem Stahl getaucht und mit einer Schicht aus rostfreiem Stahl überzogen wird, wobei das Werkstück mehrfach in das Bad aus flüssigem rostfreiem Material getaucht und wieder herausgehoben werden kann. Dadurch kann ein kostengünstiger Rohkörper aus unlegiertem Stahl verwendet werden, der mit einer dünnen Schicht mit gewünschter Schichtdicke überzogen ist. Vorteilhaft ist es, wenn das Werkstück zwischen den einzelnen Tauchvorgängen abgekühlt wird. Dadurch kann die Gefügestruktur der vorherigen Lagen und die Bindung zwischen den Schichten günstig beeinflusst werden.
[0006] Wird das Werkstück vor dem Tauchen vorgewärmt, so kann die Gefahr einer Erstarrung des Tauchbades verringert werden.
[0007] Günstig hat sich erwiesen wenn die Temperatur des Bades zwischen 1200°C und 1800°C, vorzugsweise zwischen 1500°C und 1600°C liegt. Dadurch kann bei den verschiedenen Stahlsorten gewährleistet werden, dass keine Erstarrung des Bades beim Tauchen erfolgt.
[0008] Beträgt die Vorwärmtemperatur bis zu 1200°C, vorzugsweise ca. 200°C bis 500°C, so können neben der Verringerung des Erstarrungsrisikos der Badoberfläche auch die Bindung der Schichten verbessert und die Eigenspannungen reduziert werden.
[0009] Besonders günstig hat sich gezeigt, wenn die Tauchzeit zwischen ca. 2 und ca. 100 Sekunden, vorzugsweise zwischen ca. 10 und 30 Sekunden, beispielsweise ca. 20 Sekunden beträgt. Dadurch kann die Schichtdicke optimal eingestellt werden. Die Schichtdicke oder besser die Wachstumsgeschwindigkeit kann auch sehr gut über die Vorwärmtemperatur des Werkstückes beeinflusst werden. Zur Verbesserung der Haftung der Schicht am Grundkörper hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Werkstück in Bäder unterschiedlicher Zusammensetzung getaucht und somit eine Zwischenschicht erzeugt wird. Günstig ist es, wenn das Werkstück in unterschiedlicher Richtung in das Bad getaucht wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Schicht am untersten Punkt des Werkstückes durch eine längere Tauchzeit dicker ist. Beträgt die Schichtdicke zwischen 1 und 30 mm, vorzugsweise zwischen etwa 5 mm und etwa 10 mm, so kann eine besonders kostengünstige Herstellung des Werkstückes erreicht werden.
[0010] Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken mit einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter für flüssigen rostfreien Stahl sowie ein Hebezeug für Werkstücke zum Tauchen und Herausheben vor- 1/6 österreichisches Patentamt AT507 894B1 2010-09-15 gesehen ist. Damit können einerseits Werkstücke aus unlegiertem Stahl durch Tauchen mit einer Schicht aus rostfreiem Stahl überzogen werden. Andererseits kann dadurch der schwere Behälter (Tiegel) ortsfest angeordnet sein und muss nicht mittels Hebezeugen für den Stahlguss über eine Form gehoben und geschwenkt werden.
[0011] Vorteilhaft ist, wenn als Hebezeug ein schwenkbarer Kran vorgesehen ist. Dadurch kann das Werkstück einfach zwischen den unterschiedlichen Verfahrenspositionen transportiert und gleichzeitig auch in das Bad getaucht und herausgehoben werden.
[0012] Alternativ kann als Hebezeug ein schwenkbarer Hebel vorgesehen sein, wobei der schwenkbare Hebel mittels Hydraulikzylinder oder mittels Seilzügen angetrieben sein kann.
[0013] Eine Verbesserung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Behälter eine Umsetzstation vorgesehen ist, an der das Werkstück für ein Tauchen in unterschiedlicher Richtung an anderen Anschlagpunkten befestigt wird. Dadurch kann in einfacher Weise eine kostengünstige Herstellung einer gleichmäßigen Beschichtung erzielt werden.
[0014] Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei [0015] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung und [0016] Fig. 2 einen beispielhaften Verlauf der Schichtdicke in Abhängigkeit der Tauchzeit darstellt.
[0017] Die Erfindung wird am Beispiel einer Turbinenschaufel als Werkstück beschrieben, wobei sie aber auch für andere Werkstücke wie z.B. Refinerscheiben, Schneckenwellen, Pulperrotoren, Pumpenlaufräder etc. angewendet werden kann. Fig. 1 zeigt einen Tiegel 1, der mit einem flüssigen Stahlbad 2 aus rostfreiem Stahl gefüllt ist. Mittels eines Hebezeuges, das hier als Kranhaken 3 dargestellt ist, wird das Werkstück 4, hier am Beispiel einer Turbinenschaufel, in das Stahlbad 2 getaucht und wieder herausgehoben (Bewegungsrichtung nach Doppelpfeil 5). Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, wobei sich eine Wiederholung bis zu fünf Mal als günstig erwiesen hat. Die Geschwindigkeit, Tauchzeit sowie Frequenz wird an die Form des Werkstückes angepasst. Speziell bei zu geringen Tauchgeschwindigkeiten und hohen Frequenzen besteht die Gefahr des Schmelzens des Werkstückes. Durch eine entsprechend gewählte Abkühlzeit wird dieses Risiko minimiert. Zur Verbesserung der Haftung und Vermeidung einer zu starken Abkühlung des Bades 2 wird das Werkstück vor dem Tauchvorgang vorgewärmt, wobei sich eine Vorwärmtemperatur von ca. 200°C bis 500 °C als vorteilhaft erwiesen hat. Grundsätzlich kann natürlich das Verfahren auch ohne Vorwärmung bzw. mit höheren Vorwärmtemperaturen bis zu 1200 °C betrieben werden. Bei aufgerauten bzw. mit Struktur (beispielsweise vom Fräsen) versehenen Werkstücken wird das Werkstück während der Tauchphase mehrfach kurz angehoben und abgesenkt bzw. Vibrationen ausgesetzt, wodurch Luft- und/oder Inertgaseinschlüsse entfernt werden und die Schicht besser an der Oberfläche des Werkstücks anhaftet. Die Badtemperatur bewegt sich abhängig vom Material zwischen etwa 1200°C und 1800°C. Um Erstarrungen zu vermeiden wird die Temperatur automatisch geregelt. Weiters wird auch das Niveau des Bades 2 im Tiegel 1 gemessen um immer ein vollständiges Tauchen des Werkstückes zu gewährleisten. Um eine gleichmäßige Beschichtung auf größeren Werkstücken zu erzielen wird das Werkstück 4 in einer Umsetzstation an verschiedenen Anschlagpunkten 6, 6' mit dem Hebezeug 3 verbunden und dadurch in unterschiedlicher Richtung getaucht. So können vor allem Ungleichmäßigkeiten durch eine unterschiedliche Tauchzeit der einzelnen Stellen der Oberfläche des Werkstücks 4 vermieden werden.
[0018] Fig. 2 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der Schichtdicke von der Tauchzeit, wobei diese am Werkstück (hier am Beispiel einer Turbinenschaufel) unterschiedlich sein kann. Dies wird durch die beiden Kurven verdeutlicht. 2/6
Claims (17)
- österreichisches Patentamt AT507 894B1 2010-09-15 AUSFÜHRUNGSBEISPIEL: BEISPIEL 1: [0019] Eine Turbinenschaufel aus G20 Mn5 QT wurde nach einer Vorwärmung auf 220°C in ein Stahlbad aus GX 4 CrNi 13-4 QT mit einer Temperatur von 1550°C getaucht. Nach einer Tauchzeit von 10 Sekunden ergab sich eine Schichtdicke (in der Plattenmitte gemessen) von 8,2 mm. Die Schichtdicke an den Kanten betrug dabei 3,5 mm. Um eine gleichmäßige Schichtdicke von 5 mm zu haben wurde die Turbinenschaufel erneut getaucht. Anschließend wurde die Oberfläche überschliffen, wodurch sich die gewünschte Form, Schichtdicke und Oberflächenqualität ergab. In manchen Fällen kann auch ein Fräsen erforderlich sein. BEISPIEL 2: [0020] Eine Turbinenschaufel aus G24 Mn6 QT wurde nach einer Vorwärmung auf 500°C in ein Stahlbad aus GX 5 CrNiMo 19-11-2 mit einer Temperatur von 1500°C getaucht. Durch die Vorwärmung konnte die Tauchzeit ohne Risiko auf 20 Sekunden verlängert werden. Hier wurde die gewünschte Mindestschichtdicke von 5 mm bereits nach einem Tauchgang erzielt. Anschließend wurde die Oberfläche ebenfalls überschliffen um die erforderliche Qualität zu gewährleisten. [0021] Die Erfindung ist nicht auf die Beispiele beschränkt. Es können vielmehr Werkstücke unterschiedlichster Art wie z.B. Rotoren, Schneckenpressenwellen etc. eingesetzt werden. Auch kann das Stahlbad zur Beschichtung aus anderen Materialien wie z.B. GX 4 CrNiMo 16-5-1, GX 2 CrNi 19-10 oder ähnlichen Stahlsorten bestehen. Auch das Werkstück kann aus anderen Werkstoffen bestehen, wobei sowohl für das Tauchbad als auch das Werkstück auch äquivalente ASME- bzw. ASTM-Materialien verwendet werden können. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück aus einem unlegierten Stahl gegossen und anschließend in ein Bad aus flüssigem rostfreiem Stahl getaucht und mit einer Schicht aus rostfreiem Stahl überzogen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück mehrfach in das Bad aus flüssigem rostfreiem Material getaucht und wieder herausgehoben wird.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Tauchvorgängen das Werkstück abgekühlt wird.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor dem Tauchen vorgewärmt wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Bades zwischen 1200°C und 1800°C, vorzugsweise zwischen 1500°C und 1600°C liegt.
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur bis zu 1200 °C, vorzugsweise ca. 200 °C bis 500 °C beträgt.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchzeit zwischen ca. 2 und ca. 100 Sekunden, vorzugsweise zwischen ca. 10 und 30 Sekunden, beispielsweise ca. 20 Sekunden beträgt.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in Bäder unterschiedlicher Zusammensetzung getaucht wird.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in unterschiedlicher Richtung in das Bad getaucht wird. 3/6 österreichisches Patentamt AT507 894B1 2010-09-15
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke zwischen 1 und 30 mm, vorzugsweise zwischen etwa 5 mm und etwa 10 mm beträgt.
- 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.
- 12. Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken mit einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter für flüssigen rostfreien Stahl sowie ein Hebezeug für Werkstücke zum Tauchen und Herausheben vorgesehen ist.
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Hebezeug ein schwenkbarer Kran vorgesehen ist.
- 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass als Hebezeug ein schwenkbarer Hebel vorgesehen ist.
- 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbare Hebel mittels Hydraulikzylinder angetrieben ist.
- 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der schwenkbare Hebel mittels Seilzügen angetrieben ist.
- 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Behälter eine Umsetzstation vorgesehen ist, an der das Werkstück für ein Tauchen in unterschiedlicher Richtung an anderen Anschlagpunkten befestigt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6
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