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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines aus Hartmetall und Metallguss bestehenden Verbundkörpers, wobei das Hartmetall und der Metallguss voneinander unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit mindestens einer Nut oder Hinterschneidung versehenes Hartmetallstück in eine Gussform eingelegt und mit flüssigem Metallguss teilweise umgossen wird, wonach es durch die Erstarrungsschwindung des Metallgusses nach dem Giessen unter Druckspannung gesetzt und im erstarrten Metallguss unlösbar verankert wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit flüssigem Metallguss nicht zu umgiessende Bereich des Hartmetallstückes in einer Nische der Gussform ähnlich einem Kernlager gelagert wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Erstarrungsschwindung des Metallgusses nach dem Giessen erzeugte Druckspannung durch Spannungsarmglühung gezielt vermindert wird.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines aus Hartmetall und Metallguss bestehenden Verbundkörpers, wobei das Hartmetall und der Metallguss voneinander unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Solche Verbundkörper sind an den dem Verschleiss ausgesetzten Stellen mit Hartmetall ausgestattet. Da meistens nur begrenzte Flächen einem Verschleiss ausgesetzt sind, ist es nicht nötig, den ganzen Teil aus Hartstoffen herzustellen.
Ausserdem ist die Fertigung von Teilen aus Hartstoffen langwierig und somit zeitraubend und kostspielig.
Es ist bekannt, Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung giesstechnisch im Verbund herzustellen, wie zum Beispiel durch Schleudergiessen oder Angiessen. Verschiedene Metalle können auch durch Schweissen, Löten oder durch mechanische Mittel, wie Schrauben, Nieten, miteinander verbunden werden. Es ist auch möglich, auf metallische Grundkörper Schichten aus anderen Metallen aufzuspritzen, aufzusintern oder aufzudampfen.
In der GB-PS 1 574 884 ist die Herstellung eines Verbundkörpers beschrieben, der aus Hartmetall und Gusslegierung besteht. Die körnigen Hartstoffe ohne Bindung werden mit überhitztem Metall umgossen, wobei das Metall als Binder wirkt. Die so entstandene Diffusionszwischenzone enthält 20 bis 80% der Gesamtmenge des Hartmetalls vor dem
Giessen.
Gemäss der DE-OS 2 947 393 wird auf die zur Verbin dung mit der Gusslegierung bestimmte Fläche Paste aus niedrig schmelzenden Legierungen aufgetragen, die in der
Hartstofflegierung einschmilzt. Beim anschliessenden Gies sen der Gusslegierung dringt dieselbe in die Zwischenschicht ein und bildet eine neue Legierung, die als Bindungsmittel wirkt.
Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass Dif fusionshilfen in Anspruch genommen werden, um die unter schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Hartstoffe und des Gussmaterials anzugleichen. Dadurch werden Kompro misse bezüglich Haftfähigkeit und Stückgrösse geschlossen.
Auch den örtlichen Anbringungen von Hartstoffen sind
Grenzen gesetzt, da zum Beispiel beim Löten zwei plane Flä chen verlangt werden.
Für die Verwendung von mechanischen Verbindungsmit teln, wie Schrauben oder Nieten, wird teuere Vorarbeit am fertigen Hartmetallstück verlangt; sie haben zudem den Nachteil, an der Verbindungsstelle nicht verschleissfest zu sein.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Verfahren zu beheben. Es soll ein Verfahren zur Herstellung eines aus Hartmetall und Metallguss bestehenden Verbundkörpers vorgeschlagen werden, das durch ein relativ einfaches Giessen erfolgt, wobei die Verschleissflächen eines solchen Verbundkörpers mit Hartstoffen ausgelegt werden. Des weiteren sollen die Verfahrensschritte kostengünstig sein.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Kennzeichnung des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt im Schnitt eine Gussform, in welche ein Hartmetallstück eingelegt und mit einem flüssigen Metallguss umgossen wurde.
Der Verbundkörper wird in einer Gussform 4, die zum Beispiel eine Sand- oder Stahlform oder eine keramische Form sein kann, aus Hartmetall und Metallguss hergestellt.
Zuerst wird in die Gussform 4 ein Hartmetallstück 1 eingelegt. Das Hartmetall besteht mindestens teilweise aus einem Karbid, Nitrid, Borid oder Oxid der Nebengruppenelemente der Gruppen IV bis VI des periodischen Systems, oder aus Bor oder Silizium. Der Binder enthält im Normalfall mindestens ein Element der Eisengruppe, also Fe, Co oder Ni.
Das in der Gussform 4 eingelegte Hartmetallstück 1 wird mit flüssigem Metallguss 3 teilweise umgossen. Das Gussmaterial kann sämtliche vergiessbaren Metalle beinhalten, die eine Erstarrungsschwindung aufweisen. Als Beispiel seien die Schwindmassen folgender Gusslegierungen erwähnt:
Grauguss lamellar = 1%
Grauguss globular = 00,5%
Stahlguss = 2%
Das Hartmetall und der Metallguss weisen voneinander unterschiedliche Ausdehnungskoeffiziente auf. Es ist weiter bekannt, dass die meisten Hartstoffe eine schlechte Zugfestigkeit haben, weisen aber eine sehr gute Druckfestigkeit auf. Diese Eigenschaften werden beim Umgiessen von Hartmetall durch Metallguss ausgenutzt, indem das Hartmetall durch die Erstarrungsschwindung des Metallgusses unter Druckspannung gesetzt wird.
Wie aus der Figur ersichtlich ist, weist das Hartmetallstück 1 eine schwalbenschwanzförmige Hinterschneidung 2 auf. Anstelle der schwalbenschwanzförmigen Hinterschneidung kann eine oder mehrere Nuten verschiedener Formen verwendet werden. Mit dem flüssigen Metallguss 3 wird mindestens der die Nute bzw. Hinterschneidung 2 aufweisende Bereich des Hartmetallstückes 1 umgossen.
Durch die Erstarrungsschwindung des Metallgusses 3 nach dem Giessen wird das Hartmetallstück 1 unter Druckspannung gesetzt. Dabei wird die Druckspannung auch auf die Nuten - bzw. Hinterschneidungswand oder -wände ausgeübt.
In der Figur sind diese Vorgänge deutlich sichtbar. Das mit flüssigem Metallguss 3 umgossene Hartmetallstück 1 steht voll unter Druckspannung. Ein Abgleiten des Hartmetallstückes 1 nach oben wird durch die schwalbenschwanzförmige Hinterschneidung 2 verhindert. Eine seitliche Verschiebung des Hartmetallstückes 1 ist durch die es umgiessende Masse des Gussmetalls 3 nicht möglich. Aus der Figur ist weiter sichtbar, dass der nicht zu umgiessende Bereich des Hartmetallstückes 1 in einer Nische 5 der Gussform 4 ähnlich einem Kernlager gelagert ist.
Wenn der Metallguss 3 erstarrt ist, ist das Hartmetall stück 1 in demselben unlösbar verankert.
Die enorme Druckspannung, unter welcher das Hartmetallstück 1 steht, kann auch zu Problemen führen; während
des Abkaltens der Gussform 4, kann sich das Hartmetallstück 1 verziehen. Dem kann zum Beispiel durch Anbringen von Stegen auf der Rückseite des Hartmetallstückes 1 entgegengewirkt werden. Weiterhin lassen sich Druckspannungen durch eine Spannungsarmglühung gezielt vermindern. Es muss noch darauf geachtet werden, einen Teil der Spannungen im Verbundkörper zu lassen. Wird zum Beispiel ein Grauguss globular spannungsfrei geglüht, kann sich das Hartmetallstück in demselben geringfügig bewegen lassen; es sitzt aber in dem Grauguss globular durch die Wirkung der schwalbenschwanzförmigen Hinterschneidung immer noch fest. Durch die Verminderung der Druckspannung wird das Hartmetallstück auch schlagunempfindlicher.
Zusätzlich ist jederzeit möglich am Metallguss Bearbeitungen ohne grossen Aufwand vorzunehmen, da das Gussmaterial der Härte eines normalen Gussteiles entspricht.
Die im oben beschriebenen Verfahren hergestellten Verbundkörper können bei Sandstrahlschaufeln, Schleuderrädern, Prallplatten, Rutschen, Baggerzähnen, Raupenhilfen, Pumpenrädern, Pumpengehäusen, Mischerschaufeln, Ma tritzen, Stempeln usw. verwendet werden.
Anhand der folgenden Herstellungsbeispiele soll die Anwendung der Erfindung besser erläutert werden:
Beispiel 1
Herstellung einer Seitenwand für eine Matritze:
Die Seitenwand wird durch Abrieb einem sehr starken Verschleiss unterzogen. Aus diesem Grunde wurden bisher einem Stahlkörper Hartmetallplatten aufgeklebt, aufgelötet oder angeschraubt. Sämtliche dieser Verbindungsarten führten aber durch die ausgeübten Zugkräfte zum Bruch.
Das Eingiessen von Hartmetallplatten in Grauguss lamellar oder Grauguss globular nach dem oben beschriebenen Verfahren brachte folgende Vorteile: die eingegossene Hartmetallplatte liess sich ohne Schwierigkeiten überschleifen - die Bearbeitung des Graugusslamellar/globular-Grundkörpers liess sich ohne Schwierigkeiten vornehmen, da das Material eine maximale Härte von HB = 180 besass.
Beispiel 2
Herstellung eines Aufrauhmeissels zur Bodenbearbeitung:
Die Spitze des Meissels wird durch den direkten Angriff mit dem Bodenbelag sehr starkem Verschleiss unterworfen.
Üblicherweise wird darum einem Stahlschmiederohling ein Hartmetallstück an der Spitze aufgelötet. Dies bedingt folgende Arbeitsgänge: - Schmieden des Rohlings - Bearbeiten und Vorbereiten der Lötstelle am Schmiede rohling - Bearbeiten der Lötstelle der Hartmetallspitze - Verlöten der beiden Werkstoffe
Diese Methode ist deshalb umständlich und teuer.
Durch das Eingiessen der Hartmetallspitze in das Gussmaterial des Rohlings entfallen sämtliche Bearbeitungsaufwände, wie Schleifen der Verbindungsebene, Halterung des Hartmetallstückes, Säubern der Lötfläche, Löten, Nacharbeiten der Lötstelle.
Beispiel 3
Herstellung eines Wurfschaufelrades für eine Sandstrahlmaschine:
Die Räder wurden bis jetzt aus verschleissfestem Stahl gegossen. Trotzdem müssen die Räderschaufeln nach relativ kurzer Zeit ausgewechselt werden.
Um die Standzeit zu verlängern, wurde an der Prallfläche Hartmetall eingegossen. Dies ergab eine eindeutige Stand zeitverlängerung.
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PATENT CLAIMS
1. A method for producing a composite body consisting of hard metal and metal casting, the hard metal and the metal casting having different expansion coefficients from one another, characterized in that a hard metal piece provided with at least one groove or undercut is inserted into a casting mold and partially cast with liquid metal casting, after which it is put under pressure by the solidification shrinkage of the metal casting after casting and anchored in the solidified metal casting.
2. The method according to claim 1, characterized in that the area of the hard metal piece which is not to be cast with liquid metal casting is stored in a niche of the casting mold similar to a core bearing.
3. The method according to claim 1, characterized in that the compressive stress generated by the solidification shrinkage of the metal casting after casting is reduced by stress relieving.
The invention is based on a method for producing a composite body consisting of hard metal and metal casting, the hard metal and the metal casting having different expansion coefficients from one another.
Such composite bodies are equipped with hard metal at the places exposed to wear. Since usually only limited areas are exposed to wear, it is not necessary to make the whole part out of hard materials.
In addition, the production of parts from hard materials is lengthy and therefore time-consuming and expensive.
It is known to produce alloys of different compositions by casting, for example by centrifugal casting or casting. Different metals can also be connected to one another by welding, soldering or by mechanical means such as screws, rivets. It is also possible to spray, sinter or vapor-coat layers of other metals onto metallic base bodies.
GB-PS 1 574 884 describes the production of a composite body which consists of hard metal and cast alloy. The granular hard materials without binding are encased in superheated metal, the metal acting as a binder. The resulting intermediate diffusion zone contains 20 to 80% of the total amount of hard metal before
To water.
According to DE-OS 2 947 393, paste made of low-melting alloys is applied to the surface intended for connection with the cast alloy, which in the
Hard alloy melts. During the subsequent casting of the cast alloy, it penetrates into the intermediate layer and forms a new alloy that acts as a binding agent.
The known methods have the disadvantage that diffusion aids are used in order to equalize the different expansion coefficients of the hard materials and the casting material. As a result, compromises are made with regard to adhesion and piece size.
There are also local attachments of hard materials
Set limits, for example when soldering two flat surfaces are required.
For the use of mechanical connecting means, such as screws or rivets, expensive preparatory work on the finished hard metal piece is required; they also have the disadvantage of not being wear-resistant at the connection point.
The invention specified in claim 1 is based on the object of eliminating the disadvantages of the known methods. A method for producing a composite body consisting of hard metal and metal casting is to be proposed, which is carried out by a relatively simple casting, the wearing surfaces of such a composite body being designed with hard materials. Furthermore, the process steps should be inexpensive.
These tasks are solved by the features of the characterization of claim 1.
The invention is explained below with reference to the drawing, for example.
The only figure shows a section of a mold in which a piece of hard metal was inserted and cast with a liquid metal casting.
The composite body is produced in a casting mold 4, which can be, for example, a sand or steel mold or a ceramic mold, from hard metal and cast metal.
First, a hard metal piece 1 is inserted into the mold 4. The hard metal consists at least partially of a carbide, nitride, boride or oxide of the sub-group elements of groups IV to VI of the periodic system, or of boron or silicon. The binder normally contains at least one element from the iron group, i.e. Fe, Co or Ni.
The hard metal piece 1 inserted in the mold 4 is partially cast with liquid metal casting 3. The cast material can contain all castable metals that have a solidification shrinkage. The shrinkage of the following casting alloys should be mentioned as an example:
Gray cast iron lamellar = 1%
Gray cast iron globular = 00.5%
Cast steel = 2%
The hard metal and the cast metal have different coefficients of expansion. It is also known that most hard materials have poor tensile strength, but have very good compressive strength. These properties are exploited when casting hard metal by metal casting, in that the hard metal is subjected to compressive stress due to the solidification shrinkage of the metal casting.
As can be seen from the figure, the hard metal piece 1 has a dovetail undercut 2. Instead of the dovetail-shaped undercut, one or more grooves of different shapes can be used. At least the area of the hard metal piece 1 having the groove or undercut 2 is cast around with the liquid metal casting 3.
Due to the solidification shrinkage of the metal casting 3 after casting, the hard metal piece 1 is placed under compressive stress. The compressive stress is also exerted on the groove or undercut wall or walls.
These processes are clearly visible in the figure. The hard metal piece 1 encapsulated with liquid metal casting 3 is fully under compressive stress. The dovetail undercut 2 prevents the hard metal piece 1 from sliding upward. A lateral displacement of the hard metal piece 1 is not possible due to the mass of the cast metal 3 surrounding it. It can also be seen from the figure that the area of the hard metal piece 1 which is not to be cast is mounted in a recess 5 of the mold 4 similar to a core bearing.
When the cast metal 3 has solidified, the hard metal piece 1 is anchored in the same in the same.
The enormous compressive stress under which the hard metal piece 1 is under can also lead to problems; while
the mold 4 is cold, the hard metal piece 1 can warp. This can be counteracted, for example, by attaching webs on the back of the hard metal piece 1. Furthermore, compressive stresses can be reduced by stress relief annealing. Care must still be taken to leave some of the stresses in the composite body. If, for example, a gray cast iron is annealed stress-free, the hard metal piece can be moved slightly in it; however, it remains stuck in the gray cast iron due to the effect of the dovetail-shaped undercut. By reducing the compressive stress, the hard metal piece is also less sensitive to impact.
In addition, machining is possible at any time on the metal casting without great effort, since the casting material corresponds to the hardness of a normal casting.
The composite body produced in the process described above can be used for sandblasting blades, centrifugal wheels, baffle plates, chutes, excavator teeth, caterpillar aids, pump wheels, pump housings, mixer blades, Ma tritzen, stamping, etc.
The application of the invention will be better explained with the aid of the following production examples:
example 1
Production of a side wall for a die:
The side wall is subjected to very heavy wear due to abrasion. For this reason, hard metal plates have previously been glued, soldered or screwed onto a steel body. However, all of these types of connection led to breakage due to the tensile forces exerted.
The casting of hard metal plates in gray cast iron lamellar or gray cast iron globular according to the process described above brought the following advantages: The cast hard metal plate could be smoothed over without difficulty - the machining of the gray cast iron lamellar / globular base body could be carried out without difficulty, since the material has a maximum hardness of HB = 180 owned.
Example 2
Production of a roughing chisel for tillage:
The tip of the chisel is subjected to very heavy wear due to the direct attack with the floor covering.
For this reason, a hard metal piece is usually soldered to the tip of a steel forging blank. This requires the following operations: - Forging the blank - Machining and preparing the solder joint on the forged blank - Machining the solder joint on the hard metal tip - Soldering the two materials
This method is therefore cumbersome and expensive.
By pouring the hard metal tip into the casting material of the blank, all processing efforts, such as grinding the connection plane, holding the hard metal piece, cleaning the soldering surface, soldering, reworking the soldering point, are eliminated.
Example 3
Production of a throwing paddle wheel for a sandblasting machine:
So far, the wheels have been cast from wear-resistant steel. Nevertheless, the wheel blades have to be replaced after a relatively short time.
In order to extend the service life, hard metal was poured into the impact surface. This resulted in a clear extension of the tool life.