DE102010010321A1

DE102010010321A1 - Heißisostatisch gepresster Verbundkörper, Verfahren zu seiner Herstellung sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102010010321A1
Application number: DE201010010321
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Picard Carl Aug GmbH and Co KG
Current assignee: CARL AUG. PICARD GMBH, DE
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-08
Also published as: EP2364800A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundkörper (1), bestehend aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schichten (10, 20) aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei eine erste Schicht (10) aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material besteht und eine zweite Schicht (20) aus Stahl besteht. Um bei hoher abrasiver Beanspruchung des Verbundkörpers (1) eine lange Lebensdauer zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die erste Schicht (10) einen pulvermetallurgisch hergestellten Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen enthält. Ein entsprechendes HIP-Herstellungsverfahren wird beschrieben. Als erfindungsgemäße Verwendung des Verbundkörpers (1) werden Lochmatrizen für Pelletpressen beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundkörper, bestehend aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei eine erste Schicht aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material besteht und wobei eine zweite Schicht aus Stahl besteht.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, bestehend aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei eine erste Schicht durch heißisostatisches Verdichten eines pulvermetallurgisch hergestellten Materials hergestellt wird und wobei eine zweite Schicht aus einem massiven Stahl hergestellt wird.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung des Verbundkörpers.
Die Technologie des heißisostatischen Pressens (HIP), wonach Pulver und massive Feststoffe, besonders Keramiken und Metalle, gleichzeitig heiß gepresst und gesintert werden, beruht auf einer Kombination zwischen Druck, Temperatur und Haltezeit. Das Ausgangsmaterial wird dabei in einen Behälter eingesetzt. Dieser Behälter kommt in einen beheizbaren Druck-Kessel, und das Bauteil wird bei Temperaturen von bis zu 2000°C und Drücken von 100 bis 200 MPa unter Schutzgas verdichtet.
Der Gasdruck wirkt so von allen Seiten auf das Werkstück, so dass das Bauteil isotrope Eigenschaften erhält.
Ein Verbundkörper der eingangs genannten Art ist aus der WO 97/12710 A1 bekannt. In diesem Dokument wird ein Verfahren zum Herstellen großer ringförmiger Werkstücke, insbesondere Ringbandagen für verschleißfeste Presswalzen, durch einen heißisostatischen Pressvorgang beschrieben, wobei ein Ringrohling durch den heißisostatischen Pressvorgang mit durch die HIP-Anlage vorgegebenen Abmessungen hergestellt wird und anschließend durch einen Warmformvorgang auf andere, bevorzugt größere, Abmessungen gebracht wird. In einer Ausführung ist dabei vorgesehen, dass der Rohling aus einem auf einen geeigneten Grundwerkstoff aufgebrachten HIP-Werkstoff hergestellt wird, wobei der Grundwerkstoff bezüglich des Warmformvorgangs auf den HIP-Werkstoff abgestimmte Eigenschaften aufweisen muss. Es wird dabei unter anderem ausgeführt, dass als Grundwerkstoff insbesondere Stahl in Frage kommen kann. Wichtig sei hierbei, dass das Material des Grundwerkstoffs Eigenschaften aufweist, die beim Warmformvorgang nicht zum Ablösen der HIP-Schicht führt, wobei diesem Umstand aber auch durch entsprechende Warmformbedingungen entgegengewirkt werden könne. Entscheidend seien jedoch im Wesentlichen die Eigenschaften der Werkstoffe. Konkrete Werkstoffe, die diese Eignung aufweisen, werden jedoch in der WO 97/12710 A1 nicht genannt. Auch bleibt im Detail offen, wie ein Rohling, der aus Stahl und einem HIP-Werkstoff besteht, im Detail hergestellt werden könnte. Als Einsatzgebiete der bekannten Ringbandagen werden Brikettierpressen, Kompaktiermaschinen, Maschinen zur Gutbettzerkleinerung und Mühlen angegeben. Bei derartigen, abrasiv beanspruchten Maschinen steht insbesondere die Forderung nach einer hohen Verschleißfestigkeit, um eine lange Lebensdauer der Maschinen zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Verbundkörper der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, um bei hoher abrasiver Beanspruchung des Verbundkörpers eine lange Lebensdauer zu erzielen.
Diese Aufgabe wird für den Verbundkörper erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Schicht einen pulvermetallurgisch hergestellten Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen enthält. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Stahl der ersten Schicht ein chromhaltiger Stahl ist, der insbesondere einen Anteil an Chrom im Bereich von 20 bis 30 Prozent enthält. Das Vorhandensein von Chrom senkt die Austenitisierungstemperatur, begünstigt die Carbidbildung, senkt die kritische Abkühlgeschwindigkeit beim Härten, erhöht die Einhärtbarkeit sowie in dem angegebenen Bereich die Korrosionsfestigkeit.
Der pulvermetallurgische Stahl (PM-Stahl) kann direkt aus einer Verdüsung stammen, oder es können auch verschiedene Stahlpulver vermischt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Material zur Bildung der ersten Schicht aus einem Pulver aus Partikeln besteht, die eine Korngröße im Bereich von 2 μm bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 20 μm bis 400 μm, aufweisen, vorzugsweise eine mittlere Korngröße im Bereich von 15 μm bis 75 μm.
Es ist auch möglich, dass die erste Schicht heißisostatisch verpresste Carbide, wie Wolframcarbid, Titancarbid, Chromcarbid, Niobcarbid und/oder Vanadiumcarbid, enthält. Diese Carbide können als Hartstoffe dem Pulver beigefügt werden und/oder aus Kohlenstoff und dem entsprechenden Carbidbildner während des heißisostatischen Pressens gebildet werden. Im ersten Fall können sie insbesondere aus Partikeln bestehen, die eine Korngröße im Bereich von 20 μm bis 200 μm, vorzugsweise im Bereich von 50 μm bis 150 μm, aufweisen.
Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen HIP-Stahl/Massivstahl-Paarung in den Schichten aufgrund einer – durch chemische Ähnlichkeit – hohen Affinität der Werkstoffe zueinander und Kompatibilität miteinander sowie mit Vorteil auch etwa gleicher Sintertemperatur und gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten erfindungsgemäß zunächst eine dauerhaft hohe Schichthaftung erzielt und auch gezielt eine hohe Verschleißfestigkeit der ersten Schicht eingestellt werden kann. Charakteristisch hierfür sind Rockwelt-Härte-Werte von über 60 HRC. Die Festigkeit des Verbundkörpers kann dabei ebenfalls in weitem Rahmen variiert werden. Hierfür sind Zugfestigkeitswerte der zweiten Schicht von bis zu über 900 N/mm² charakteristisch.
Im Sinne der erwähnten hohen Affinität und Kompatibilität ist es von Vorteil, wenn die zweite Schicht des Verbundkörpers aus einem Vergütungsstahl besteht. Es kann sich bei dem Material der zweiten Schicht unter diesem Gesichtspunkt vorteilhafterweise um einen untereutektoidischen Stahl handeln, der ebenfalls (wie der Stahl der ersten Schicht) mehr als 5 Prozent an Legierungselementen, insbesondere Chrom, bevorzugt in einem Anteil im Bereich von 10 bis 25 Prozent, enthält. Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Verbundkörper im Stahl der zweiten Schicht zusätzlich auch Nickel, vorzugsweise in einem Anteil im Bereich von 1 bis 6,5 Prozent und gegebenenfalls zusätzlich Molybdän, vorzugsweise in einem Anteil im Bereich von 0,4 bis 3,5 Prozent, enthalten.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn – wie nachfolgend noch im Detail gezeigt – die zweite Schicht aus einem chemisch beständigen Stahl mit einer Zusammensetzung bestand, wie sie in den Werkstoffgruppen 40 bis 45 der DIN 17 007, Teil 4 festgelegt ist.
Für das Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Material zur Bildung der ersten Schicht ein pulvermetallurgisch hergestellter Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen eingesetzt wird, der zusammen mit dem vorgeformten massiven Stahl zur Bildung der zweiten Schicht in einen gasdichten Behälter eingebracht wird, wonach der Behälter evakuiert und anschließend einer heißisostatischen Verpressung (HIP) unterworfen wird. Auch hier hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, als pulvermetallurgischen Stahl der ersten Schicht, der vorzugsweise direkt aus einer Verdüsung stammt, einen chromhaltigen Stahl einzusetzen, der insbesondere einen Anteil an Chrom im Bereich von 20 bis 30 Prozent enthält.
Exzellente Ergebnisse wurden mit X 260 Cr 26 erzielt. Dieser Werkstoff enthält unter anderem etwa 1,2 Prozent Niob, aus dem sich mit dem Kohlenstoff des Werkstoffs Carbide bilden, die die Schichthärte erhöhen. Gleichzeitig wird aber dabei die Bildung von chromreichen Chromcarbiden und deren Ausscheidung an den Korngrenzen verhindert, da Niob eine höhere Affinität zu Kohlenstoff aufweist als Chrom. Dadurch wird der Sinterprozess während des heißisostatischen Pressens begünstigt.
Wie bereits oben erwähnt, beruht die HIP-Technologie auf einer Kombination von Druck, Temperatur und Haltezeit. Der Druck kann vorzugsweise durch Argongas ausgeübt werden, was ein Druckübertragungsmittel voraussetzt, als das im erfindungsgemäßen Fall mit Vorteil eine Stahlkapsel als Behälter eingesetzt werden kann. Allerdings wäre auch eine gasdichte Glas- oder Kunststoffkapsel möglich. Der Druck, welcher optimalerweise mehr als 1000 bar betragen sollte, wird dabei durch einen Kompressor und die thermische Ausdehnung des Gases erzeugt.
Die Temperatur sollte im Normalfall bei etwa dem 0,8-fachen der Schmelztemperatur der Materialien des herzustellenden Teiles liegen. Durch eine gezielt ausgewählte Phasenzusammensetzung der Materialien kann auch ein Eutektikum eingestellt werden, so dass es möglich wird, partiell eine Flüssigphasensinterung zu erreichen. Als charakteristische Temperaturen des heißisostatischen Pressens sind somit solche im Bereich von 800°C bis 1200°C anzusehen
Im Verlauf der Haltezeit werden die Leerstellen beseitigt und der Körper verdichtet. Gleichzeitig erfolgt eine Diffusion der Pulverkörner unter sich selbst wie auch zwischen dem Pulver der ersten Schicht und dem massiven Grundkörper der zweiten Schicht. Der Vorgang kann bevorzugt in einem beheizbaren Autoklaven über eine Zeitdauer von mehr als einer Stunde bis zu mehr als vier Stunden ablaufen.
Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers besteht in der Herstellung von Lochmatrizen zur Pelletproduktion. Beispielsweise werden heute gepresste Pellets aus Holzspänen immer mehr zur Energie- und Wärmeerzeugung eingesetzt. Im Industriebereich werden sie als Zuschlagstoff der Kohle beigemischt und im Haushaltsbereich dienen sie als Brennstoffersatz für Öl oder Gasheizungen. Durch eine kompakte Form und einen geringen Wassergehalt eignet sich ein durch Pelletierung höchstverdichteter Holzkörper auch vorzüglich für eine automatische Versorgung von Brennkammern. Die nach der Verbrennung anfallende geringe Aschemenge lässt sich problemlos entsorgen. Holz gilt darüber hinaus als klimaneutral, da das bei der Verbrennung entstehende CO₂ im Kreislauf des Waldes wieder abgebaut wird. Zur Pelletierung werden Holzspäne durch einen Matrizenkörper mit hohem Druck gepresst und erhalten dabei eine zylindrische Form mit einem hohen Verdichtungsgrad.
Zum heutigen Zeitpunkt werden geschmiedete Vergütungsstähle hoher Qualität als Vollkörper für Pelletpressen eingesetzt. Diese Stähle besitzen eine hohe Festigkeit, verschleißen aber im Einsatz in sehr kurzer Zeit, da sie keinen ausreichenden Verschleißwiderstand besitzen. Standzeiten im Bereich von nur 1500 Stunden sind dabei keine Seltenheit. Dies führt zu einem erhöhten Bedarf an Matrizen, da eine Nacharbeit nicht möglich ist, weil der Durchmesser der Löcher durch den Verschleiß aufgeweitet wird. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers können die Matrizenstandzeiten vorteilhafterweise auf mehr als das Zehnfache verlängert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung enthalten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines konstruktiven Beispiels und mehrerer technologischer Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Vergleichsbeispiel zur erfindungsgemäßen Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers,
2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers,
3 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung eines Behälters zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers,
4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführung eines Behälters zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers,
5 eine tabellarische Übersicht von Kennwerten zu den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung,
6 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführung eines Behälters zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers.
1 zeigt als Vergleichsbeispiel zur erfindungsgemäßen Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1, der als solcher in 2 gezeigt ist, eine herkömmliche, aus einem geschmiedeten Vergütungsstahl hergestellte Matrize 100 einer Pelletpresse. Der Grundkörper 110 der Matrize 100 weist Durchgangsbohrungen 120 auf. Eine Pelletpresse oder -mühte besteht üblicherweise aus einem Metallring – genannt Matrix oder Matrize 100, mit den Bohrungen 120, in der innen Pressrollen, sogenannte Koller, angeordnet sind. Das zu pelletierende Material wird in den Innenraum der Matrize 100 gegeben und durch die Koller beaufschlagt. Wenn das Material sich zwischen den Pressrollen und der Matrizenwand befindet, kann es nur unter Bildung von Pellets 130 durch die Löcher 120 der Matrize 100 ausdringen.
Nachdem die Pellets 130 die Matrize 100 verlassen haben, kürzt ein Messer den Pelletstrang auf eine gewünschte Pelletlänge ab.
In drei der Durchgangsbohrungen 120 sind aus Holzspänen gepresste Pellets 130 dargestellt. Die Holzspäne werden durch die Durchgangsbohrungen 120 gedrückt und dadurch hoch verdichtet. Der Zusammenhalt dieser Pellets 130 erfolgt dabei durch den eigenen Ligninanteil des Holzes. Das Material erfährt zwischen den Kollern und der Matrize 100 einen hohen Druck, wodurch auch ein Ansteigen der Temperatur auf ca. 100°C bewirkt wird. Diese Temperatur führt dazu, dass das natürliche Lignin austritt und die Pellets 130 mit einer Kruste überzogen werden. Das Volumen wird durch diesen Prozess auf etwa ein Fünftel reduziert. Wird der geforderte Verdichtungsgrad allerdings nicht eingehalten, zerfällt das gepresste Pellet 130 wieder, da das Lignin nur unter hoher Druckbelastung als Binder wirken kann. Dies hat den Nachteil, dass die Lochtoleranzen einer derartigen Matrize 100 sehr eng begrenzt sind. Werden diese Toleranzen überschritten, was insbesondere dadurch geschehen kann, dass der im Holz enthaltene Mineral- und Faseranteil die Matrize 100 ausreibt und damit den Innendurchmesser vergrößert, weitet sich der Durchmesser der Löcher 120 derart auf, dass aufgrund des nach dem Verpressen zu großen Volumens eine ausreichende innere Bindung der Pellets 130 nicht mehr gewährleistet ist.
Bei der Herstellung der Pellets 130 mit der bekannten Matrize 100 war der Abrieb an den Innendurchmessern der Durchgangsbohrungen 120 durch die Faserstruktur und den Mineralanteil (ca. 0,5–1 Prozent SiO₂) der Holzspäne sehr hoch. Nach ca. 3500 Stunden wurden die zulässigen Toleranzen überschritten, und der gesamte Matrizenkörper 110 musste ausgewechselt werden.
Wie 2 veranschaulicht, umfasst ein erfindungsgemäßer Verbundkörper 1 mindestens zwei miteinander verbundene Schichten 10, 20 aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei eine erste Schicht 10 aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material besteht und eine zweite Schicht 20 aus Stahl besteht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Schicht 10 einen pulvermetallurgisch hergestellten Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen enthält, wobei insbesondere der Stahl der ersten Schicht 10 ein chromhaltiger Stahl ist, der vorzugsweise einen Anteil an Chrom im Bereich von 20 bis 30 Prozent enthält. Der Kohlenstoffgehalt des Stahles der ersten Schicht 10 kann bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 3,0 Prozent liegen. In den nachfolgend im Detail dargestellten Beispielen besteht der Stahl der ersten Schicht 10 jeweils insbesondere aus X 260 Cr. Der erfindungsgemäße Verbundkörper 1 weist im Bereich der ersten Schicht 10 eine besonders hohe Verschleißfestigkeit auf.
Der Stahl der zweiten Schicht 20 ist kein pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff. Die zweite Schicht 20 kann insbesondere aus einem Vergütungsstahl bestehen, wie z. B. aus einem untereutektoidischen Stahl, der mehr als 5 Prozent an Legierungselementen, vorzugsweise Chrom, enthält. Es wäre jedoch auch möglich, hierfür einen niedriglegierten Stahl mit einer Mindestzugfestigkeit von 500 N/mm² einzusetzen. In den nachfolgend im Detail dargestellten Beispielen besteht der Stahl der zweiten Schicht 20 jeweils aus einem chemisch beständigen Stahl mit einer Zusammensetzung, wie sie in den Werkstoffgruppen 40 bis 45 der DIN 17 007, Teil 4 festgelegt ist. Der erfindungsgemäße Verbundkörper 1 weist im Bereich der ersten Schicht 10 eine besonders hohe Festigkeit auf.
3 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1. Die beiden miteinander verbundenen Schichten 10, 20 werden dadurch hergestellt, dass als Material 11 zur Bildung der ersten Schicht 10 ein pulvermetallurgisch hergestellter Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen eingesetzt wird, der zusammen mit einem vorgeformten massiven Stahl 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 in einen gasdichten Behälter 30 eingebracht wird, wonach der Behälter 30 evakuiert und anschließend einer heißisostatischen Verpressung unterworfen wird.
Das Pulver wird dabei insbesondere zwischen den Wänden 33 eines Behälters 30 gehalten, der aus einer gasdichten Stahlkapsel gebildet ist. Das Evakuieren der Kapsel verhindert das Oxidieren der Oberfläche und begünstigt sowohl eine Zusammensinterung der einzelnen Pulverkörner in der ersten Schicht 10 als auch der Pulverkörner an das massive Material 22 der zweiten Schicht 20, welches gewissermaßen als Grundkörper aufgefasst werden kann und in den nachfolgenden Beispielen auch als solcher bezeichnet wird.
Die heißisostatische Verpressung kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C, über eine Zeitdauer von einer Stunde bis zu 5 Stunden und bei einem Druck von 500 bar bis 1500 bar, vorzugsweise bei etwa 1000 bar, ablaufen, wobei diese Parameter unabhängig voneinander einstellbar sind.
Nach der Verdichtung in der HIP-Anlage wird der gesinterte Körper vorzugsweise weichgeglüht, mechanisch bearbeitet und schließlich wärmebehandelt und danach gegebenenfalls zur Erhöhung der Oberflächengüte nochmals mechanisch bearbeitet. Die Wärmebehandlung, die zur Steigerung der Festigkeit der Schichten 10, 20 durchgeführt wird, kann dabei ein Härten, insbesondere im Temperaturbereich von 1050°C bis 1140°C, vorzugsweise im Bereich von 1080°C bis 1120°C, sowie ein ein- oder mehrmaliges Anlassen oder ein Vergüten, insbesondere im Temperaturbereich von 200°C bis 650°C, umfassen.
Ein erfindungsgemäßer Verbundkörper 1 wurde exemplarisch folgendermaßen hergestellt.
Beispiel 1
Als Material 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 wurde ein Grundkörper, bestehend aus dem Stahl X 46 Cr 13 (1.4034 nach DIN 17 007, Teil 4) eingesetzt. Ein solcher Stahl enthält 0,42 bis 0,50 Prozent Kohlenstoff und Chrom in einem Anteil im Bereich von 12,50 bis 14,50 Prozent. Der Grundkörper bestand dabei insbesondere aus einem warmumgeformten, vorzugsweise geschmiedeten oder gewalzten, ringförmigen Stahlrohling. Der Grundkörper wurde zusammen mit einem Stahlpulver X 260 Cr 26 der Analyse C = 2,6; Cr = 26; Mo = 1,0; V = 2,4; Nb = 1,2 (Angaben in Prozent) als Material 11 zur Bildung der ersten Schicht 10 in einen Stahlbehälter gefüllt, gasdicht verschweißt und in einer HIP-Anlage bei 1150°C über eine Zeitdauer von vier Stunden einem Druck von etwa 1000 bar ausgesetzt und auf diese Weise verdichtet. Das eingesetzte Pulver wies folgende Korngrößenverteilung auf:

Korngröße in μm Anteil in Prozent

400–500 13

300–400 22

200–300 26

100–200 24

20–100 15

0–20 0
Nach dem heißisostatischen Pressen wurde der Pressling bei 900°C vier Stunden lang weichgeglüht und mit 10°C/h auf 600°C abgekühlt. Anschließend erfolgte eine mechanische Bearbeitung des Körpers. Nach der Bearbeitung erfolgte ein Härten bei 1120°C und ein dreimaliges Anlassen bei 200°C. Dadurch wurde außen in der ersten Schicht 10 eine Härte von HRC 61 und innen in der zweiten Schicht 20 eine Zugfestigkeit von ca. 750 N/mm² erreicht.
Bei einem erfindungsgemäßen Verbundkörper 1, der – wie in der dargestellten Ausführung – als Ring ausgebildet ist, ist es prinzipiell möglich, dass die erste Schicht 10 innen oder außen und die zweite Schicht 20 korrespondierend außen oder innen liegt. Wenn allerdings der erfindungsgemäße Verbundkörper 1 zur Herstellung einer zylindrischen Matrize für eine Pelletpresse eingesetzt werden soll, ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn die erste Schicht 10 außen und die zweite Schicht 20 korrespondierend innen liegt, wie dies 2 zeigt. Hierbei kann – wie dargestellt – insbesondere vorgesehen sein, dass die Schichten 10, 20 von Stufenbohrungen 40/50 durchsetzt sind, wobei insbesondere der Durchmesser D1 einer Bohrungsstufe 50 durch die verschleißfestere erste Schicht 10 kleiner ist als der Durchmesser D2 einer Bohrungsstufe 40 durch die zweite Schicht 20. Es liegt somit vorteilhafterweise eine beanspruchungsgerechte Konstruktion vor, bei der die höher abrasiv beanspruchte äußere (erste) Schicht 10 auch den höheren Verschleißwiderstand aufweist. Das zu pelletierende Material gelangt dabei leicht in die innere Stufenbohrung 40 mit dem größeren Durchmesser D2 und wird stufenweise mehr und mehr verdichtet. Selbstverständlich könnte hier auch ein konischer Bohrungsverlauf vorgesehen werden.
Die Lebensdauer einer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1 hergestellten Matrize konnte damit auf etwa 14 000 Stunden verlängert werden.
Beispiel 2
Als Material 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 wurde ein Grundkörper, bestehend aus dem Stahl X 17 Cr Ni 16-2 (1.4057 nach DIN 17 007, Teil 4) eingesetzt. Ein solcher Stahl enthält 0,14 bis 0,23 Prozent Kohlenstoff, Chrom in einem Anteil im Bereich von 15,50 bis 17,50 Prozent sowie Nickel in einem Anteil im Bereich von 1,50 bis 2,50 Prozent. Das Material 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 war das gleiche wie im ersten Beispiel. Der Grundkörper wurde zusammen mit dem Stahlpulver in einen Stahlbehälter gefüllt, gasdicht verschweißt und in einer HIP-Anlage bei 1100°C über eine Zeitdauer von drei Stunden einem Druck von etwa 1000 bar ausgesetzt und auf diese Weise verdichtet. Nach dem heißisostatischen Pressen wurde der Pressling bei 900°C vier Stunden lang weichgeglüht und mit 10°C/h auf 600°C abgekühlt. Anschließend erfolgte eine mechanische Bearbeitung des Körpers. Nach der Bearbeitung erfolgte ein Härten bei 1120°C und ein dreimaliges Anlassen bei 620°C. Dadurch wurde außen in der ersten Schicht 10 eine Härte von HRC 61 und innen in der zweiten Schicht 20 eine Zugfestigkeit von ca. 820 N/mm² erreicht.
Die Lebensdauer einer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1 hergestellten Matrize konnte damit auf etwa 17 000 Stunden verlängert werden.
Beispiel 3
Als Material 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 wurde ein Grundkörper, bestehend aus dem Stahl X 3 Cr Ni Mo 13-4 (1.4313 nach DIN 17 007, Teil 4) eingesetzt Ein solcher Stahl enthält maximal 0,05 Prozent Kohlenstoff, Chrom in einem Anteil im Bereich von 12,50 bis 14,00 Prozent sowie Nickel in einem Anteil im Bereich von 3,50 bis 4,50 Prozent und Molybdän in einem Anteil im Bereich von 0,40 bis 0,70 Prozent. Das Material 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 war das gleiche wie im ersten und im zweiten Beispiel. Der Grundkörper wurde zusammen mit dem Stahlpulver in einen Stahlbehälter gefüllt, gasdicht verschweißt und in einer HIP-Anlage bei 1100°C über eine Zeitdauer von drei Stunden einem Druck von etwa 1000 bar ausgesetzt und auf diese Weise verdichtet. Nach dem heißisostatischen Pressen wurde der Pressling bei 900°C vier Stunden lang weichgeglüht und mit 10°C/h auf 600°C abgekühlt. Anschließend erfolgte eine mechanische Bearbeitung des Körpers. Nach der Bearbeitung erfolgte ein Härten bei 1120°C und ein dreimaliges Anlassen bei 620°C. Dadurch wurde außen in der ersten Schicht 10 eine Härte von HRC 61 und innen in der zweiten Schicht 20 eine Zugfestigkeit von ca. 820 N/mm² erreicht.
Die Lebensdauer einer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1 hergestellten Matrize konnte damit auf etwa 17 000 Stunden verlängert werden.
Beispiel 4
Gemäß diesem Beispiel wurde der gleiche technologische Ablauf wie gemäß Beispiel 3 realisiert. Dem Material 11 zur Bildung der ersten Schicht 10 wurde allerdings Wolframcarbidpulver mit folgender Korngrößenverteilung beigemischt:

Korngröße in μm Anteil in Prozent

150–200 9

125–150 22

75–125 29

50–75 26

20–50 14

0–20 0
Der Anteil des Wolframcarbidpulvers an dem Material 11 betrug 15 Masseprozent.
Außen in der ersten Schicht 10 wurde eine Härte von HRC 61 und innen in der zweiten Schicht 20 eine Zugfestigkeit von ca. 820 N/mm² erreicht.
Die Lebensdauer einer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1 hergestellten Matrize konnte damit auf etwa 17 000 Stunden verlängert werden.
Beispiel 5
Gemäß diesem Beispiel wurde der gleiche technologische Ablauf wie gemäß Beispiel 1 realisiert. Es erfolgte lediglich eine Einfüllung der Materialien 11, 22 wie diese in 4 dargestellt ist, so dass im erfindungsgemäßen Verbundkörper die erste Schicht 10 innen und die zweite Schicht 20 korrespondierend außen zu liegen kam. Für den Verbundkörper 1 und eine daraus hergestellte Matrize ergaben sich die gleichen Parameterwerte wie im Beispiel 1.
Die tabellarische Übersicht in 5 enthält neben den technologischen Behandlungsparametern und den in den Schichten 10, 20 erzielten Härtewerten HRC und Festigkeitswerten Rm der vorstehenden Beispiele noch die entsprechenden Ergebnisse für die sich aus den jeweiligen Zugversuchen ergebenden Bruchdehnungen („Dehnung in Prozent”) und die Werte der Kerbschlagzähigkeit („Kerb. (ISO-V)”). Die Härteprüfung nach Rockwell wurde nach der Norm EN ISO 6508-1, der Zugversuch nach der Norm DIN EN ISO 10002 und der Kerbschlagbiegeversuch nach der Norm DIN EN ISO 148 bzw. EN 10045 durchgeführt.
Des Weiteren enthält die Tabelle die entsprechenden Werte für zwei andere Werkstoffe 22, die zur Bildung der zweiten Schicht 20 exemplarisch als Grundkörper eingesetzt wurden. Dies ist zunächst der Werkstoff X 39 Cr Mo 17-1 (1.4122 nach DIN 17 007, Teil 4). Ein solcher Stahl enthält 0,33 bis 0,45 Prozent Kohlenstoff, Chrom in einem Anteil im Bereich von 15,50 bis 17,50 Prozent sowie Nickel in einem Anteil im Bereich von maximal 1,00 Prozent und Molybdän in einem Anteil im Bereich von 0,80 bis 1,30 Prozent. Außerdem ist dies der Werkstoff X 2 Cr Ni Mo N 22-5-3 (1.4462 nach DIN 17 007, Teil 4). Ein solcher Stahl enthält maximal 0,03 Prozent Kohlenstoff, Chrom in einem Anteil im Bereich von 21,00 bis 23,00 Prozent sowie Nickel in einem Anteil im Bereich von 4,50 bis 6,50 Prozent sowie Molybdän in einem Anteil im Bereich von 2,50 bis 3,50 Prozent. Das Spezifikum dieses Stahls ist sein Stickstoffgehalt, der im Bereich von 0,10 bis 0,22 Prozent liegen kann. Dadurch können Nitride gebildet werden, durch die eine ähnliche festigkeitserhöhende Wirkung wie durch Carbide erzielt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. So wird diesbezüglich darauf hingewiesen, dass die Stahlzusammensetzungen der ersten und zweiten Schicht 10, 20 in großem Rahmen variieren und von den exemplarisch dargestellten Schmelzanalysen abweichen können.
Des Weiteren kann der Fachmann noch andere zweckmäßige Merkmale bzw. technische Maßnahmen zur konstruktiven Gestaltung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers 1 vorsehen. So könnte dieser beispielsweise auch als Platte mit übereinander liegender erster und zweiter Schicht 10, 20 ausgeführt werden.
Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass in den Stufenbohrungen 40/50 die Bohrungsstufe 50 mit dem kleineren Durchmesser D1 innen und die Bohrungsstufe 40 mit dem größeren Durchmesser D2 außen liegt – unabhängig davon, ob sich die verschleißfestere erste Schicht 10 oder die zweite Schicht 20 innen oder außen befinden.
Es fällt auch in den Rahmen der Erfindung, wenn die mindestens eine Stirnseite eines Ringes oder einer Platte erfindungsgemäß eine Schicht 10 aufweist, die aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material 11 besteht, wie es vorstehend beschrieben wurde.
Bei der in 6 gezeigten Ausführung ist das Material 22 zur Bildung der zweiten Schicht 20 ein Blech 22a aus dem Stahlwerkstoff 1.4462 (X 2 Cr Ni Mo N 22-5-3), dessen Zusammensetzung bei Kommentierung der in 5 dargestellten Tabelle bereits erwähnt wurde. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Duplexstahl, d. h. einen zweiphasigen rostbeständigen Stahl, der die positiven Eigenschaften ferritischer und austenitischer Edelstähle in sich vereint. Der Ferritanteil gibt ihm eine sehr hohe Festigkeit, während der Austenitanteil eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit bewirkt. Es ist dargestellt, dass sich in dem Behälter 30 auf der einen Seite des Bleches 22a das pulvermetallurgisch hergestellte Material 11 befindet, das durch die heißisostatische Verdichtung die erste Schicht 10 bildet. Auf der anderen Seite des Bleches 22a befindet sich in dem Behälter 30 ebenfalls pulvermetallurgisch hergestelltes Material 66, aus dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine HIP-Schicht nach der Art der ersten Schicht 10 gebildet wird. Dass aus dem Material 66 eine solche Schicht entsteht, ist in 6 durch das in Klammern gesetzte Bezugszeichen 60 angedeutet. Das Pulver des Materials 44 kann dabei bevorzugt aus einem der Werkstoffe bestehen, wie sie in der Tabelle in 5 wiedergegeben sind. Die Korngrößenverteilung kann insbesondere ähnlich gewählt werden wie die des Materials 11 zur Bildung der ersten Schicht 10. Auf diese Weise muss bei der Herstellung einer Lochmatrize in technologisch vereinfachter Weise nicht auf einen vorbearbeiteten Stahlrohling zurückgegriffen werden, wodurch sich die Herstellungskosten und Lieferzeiten reduzieren.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die in den unabhängigen Ansprüchen 1, 22 und 34 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der genannten Ansprüche weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Lochmatrize
110: Grundkörper von 100
120: Durchgangsbohrung in 110
130: Pellet
1: Verbundkörper
10: erste Schicht in 1 (HIP)
11: Material zur Bildung von 10
20: zweite Schicht in 1
22: Material zur Bildung von 20
30: Behälter
33: Wand von 30
40/50: Stufenbohrung
40: Bohrungsstufe in 20
50: Bohrungsstufe in 10
60: weitere HIP-Schicht (6)
66: Material zur Bildung von 60 (6)
D1: Durchmesser von 40
D2: Durchmesser von 50

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 97/12710 A1 [0006, 0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 17 007 [0013]
DIN 17 007 [0035]
DIN 17 007 [0041]
DIN 17 007 [0045]
DIN 17 007 [0047]
Norm EN ISO 6508-1, [0054]
Norm DIN EN ISO 10002 [0054]
Norm DIN EN ISO 148 [0054]
EN 10045 [0054]
DIN 17 007 [0055]

Claims

Verbundkörper (1), bestehend aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schichten (10, 20) aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei eine erste Schicht (10) aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material (11) besteht und eine zweite Schicht (20) aus Stahl (22) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) einen pulvermetallurgisch hergestellten Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen enthält.
Verbundkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der ersten Schicht (10) ein chromhaltiger Stahl ist, der insbesondere einen Anteil an Chrom im Bereich von 20 bis 30 Prozent enthält.
Verbundkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der ersten Schicht (10) Niob, vorzugsweise in einem Anteil im Bereich von 0,8 bis 1,4 Prozent enthält.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der ersten Schicht (10) Kohlenstoff in einem Anteil im Bereich von 2,0 bis 3,0 Prozent enthält.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der ersten Schicht (10) aus X 260 Cr besteht.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) heißisostatisch verpresste Carbide, wie Chromcarbid, Wolframcarbid, Titancarbid, Niobcarbid und/oder Vanadiumcarbid, enthält.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) aus einem chemisch beständigen Stahl mit einer Zusammensetzung besteht, wie sie in den Werkstoffgruppen 40 bis 45 der DIN 17 007, Teil 4 festgelegt ist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) aus einem Vergütungsstahl besteht.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) aus einem untereutektoidischen Stahl besteht, der mehr als 5 Prozent an Legierungselementen enthält.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) aus einem chromhaltigen Stahl besteht.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der zweiten Schicht (20) Chrom in einem Anteil im Bereich von 10 bis 25 Prozent enthält.
Verbundkörper nach (1) einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der zweiten Schicht (20) zusätzlich Nickel, vorzugsweise in einem Anteil im Bereich von 1 bis 6,5 Prozent, enthält.
Verbundkörper (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der zweiten Schicht (20) zusätzlich Molybdän, vorzugsweise in einem Anteil im Bereich von 0,4 bis 3,5 Prozent, enthält.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) eine Härte im Bereich von 59 bis 62 HRC aufweist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) eine Zugfestigkeit im Bereich von 540 bis 950 N/mm² aufweist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper (1) als Ring ausgeführt ist, wobei die erste Schicht (10) innen oder außen und die zweite Schicht (20) korrespondierend außen oder innen liegt.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stirnseite eine Schicht aufweist, die aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material besteht.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) aus einem warmumgeformten, insbesondere geschmiedeten oder gewalzten, vorzugsweise mechanisch vorbearbeiteten Stahlrohling, wie einem Ring, besteht.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) durch ein Stahlblech (22a) gebildet ist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (20) beidseitig mit Schichten (10, 60) aus einem heißisostatisch verdichteten, pulvermetallurgisch hergestellten Material (11, 66) verbunden ist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (10, 20, 60) von Stufenbohrungen (40/50) durchsetzt sind, wobei insbesondere der Durchmesser (D2) einer Bohrungsstufe (50) durch die erste Schicht (10) kleiner ist als der Durchmesser (D2) einer Bohrungsstufe (40) durch die zweite Schicht (20).
Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bestehend aus mindestens zwei miteinander verbundenen Schichten (10, 20) aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei eine erste Schicht (10) durch heißisostatisches Verdichten eines pulvermetallurgisch hergestellten Materials (11) hergestellt wird und wobei eine zweite Schicht (20) aus einem massiven Stahl (22) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass als Material (11) zur Bildung der ersten Schicht (10) ein pulvermetallurgisch hergestellter Stahl mit mehr als 5 Prozent an Legierungselementen eingesetzt wird, der zusammen mit dem vorgeformten massiven Stahl (22) zur Bildung der zweiten Schicht (20) in einen gasdichten Behälter (30) eingebracht wird, wonach der Behälter (30) evakuiert und anschließend einer heißisostatischen Verpressung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die heißisostatische Verpressung in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1200°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die heißisostatische Verpressung über eine Zeitdauer im Bereich von einer Stunde bis zu 5 Stunden abläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die heißisostatische Verpressung bei einem Druck von 500 bar bis 1500 bar, vorzugsweise bei etwa 1000 bar, abläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Material (11) zur Bildung der ersten Schicht (10) aus einem Pulver aus Partikeln besteht, die eine Korngröße im Bereich von 2 μm bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 20 μm bis 400 μm, aufweisen, vorzugsweise eine mittlere Korngröße im Bereich von 15 μm bis 75 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass nach der heißisostatischen Verpressung ein Weichglühen, insbesondere bei etwa 900°C, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Weichglühen eine mechanische Bearbeitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Weichglühen und gegebenenfalls nach der mechanischen Bearbeitung eine Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit der Schichten (10, 20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit der Schichten (10, 20) ein Härten, insbesondere im Temperaturbereich von 1050°C bis 1140°C, vorzugsweise im Bereich von 1080°C bis 1120°C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung zur Steigerung der Festigkeit der Schichten (10, 20) ein ein- oder mehrmaliges Anlassen oder ein Vergüten, insbesondere im Temperaturbereich von 200°C bis 650°C, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien (11) zur Bildung der ersten Schicht (10) solche mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils eines der Ansprüche 2 bis 6 eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien (22) zur Bildung der zweiten Schicht (20) solche mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils eines der Ansprüche 7 bis 13, 18 und/oder 19 eingesetzt werden.
Verwendung eines mit Bohrungen, insbesondere Stufenbohrungen (40/50), versehenen Verbundkörpers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, als Matrize einer Pelletpresse.