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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messer für Schneidmaschinen.
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Maschinenmesser finden vielfältige Anwendungen z. B. in der Recyclingindustrie als Messer für das Recycling von alten Kunststoffen oder altem Holz.
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Aufgrund einer extrem hohen Belastung durch Abrasionsverschleiß und schlagende Verschleißbeanspruchung haben Messer häufig nur eine geringere Standzeit von wenigen Arbeitsstunden und müssen daher bereits nach wenigen Arbeitsstunden demontiert und nachgeschärft werden.
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Werden an die Schneidkanteneigenschaften eines Maschinenmessers andere Anforderungen bezüglich Härte, Zähigkeit, Druckfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen abrasive und schlagende Verschleißbeanspruchung, Temperatur-Beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. gestellt als dies vom eigentlichen Konstruktionswerkstoff einer Schneidkante erfüllt werden kann, sind heute besondere Maßnahmen zu ergreifen.
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Die spezifischen Eigenschaften eines Schneidwerkzeuges hängen u. a. von dessen Geometrie sowie von den eingesetzten Werkstoffen ab. Die Gestaltung von Schneidkanten hinsichtlich Geometrie und Material ist im Wesentlichen bestimmt durch die im späteren Einsatz auftretenden Belastungen sowie durch den mit der Herstellung verbundenen energetischen und materiellen Aufwand. Die Konstruktionseigenschaften der Schneidkante eines Schneidwerkzeuges können durch die Verbindung verschiedener Materialien verbessert werden. Eine Variante zu Verbindung verschiedener Materialien ist die Plattierung.
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Das Plattieren von Oberflächen mit Hilfe von Auftragsschweißverfahren zur Erzeugung bestimmter Oberflächeneigenschaften (Härte, Verschleißfestigkeit oder besondere Korrosionseigenschaften) oder die Verwendung von Bimetallen ist eine bekannte und häufig eingesetzte Technologie. Zum Einsatz kommen dabei Verfahren wie das Lichtbogenhandschweißen und das Metallschutzgasschweißen aber auch spezialisierte Verfahren wie das Plasma-Pulver-Auftragsschweißen sowie das RES- und UP-Plattieren. Bei schlagartiger Änderung der spezifischen Eigenschaften zwischen Grundwerkstoffen und Beschichtung kommt es hier beispielsweise u. a. aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Problemen wie Unterplattierungsrissen, die im Einsatz zum Ablösen der Schicht führen können.
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Als erste Gegenmaßnahme ist der gezielte Einsatz zäher Pufferschichten bekannt.
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Als zweite Gegenmaßnahme ist die Beschaffung eines allmählichen Überganges vom Grundwerkstoff zum Beschichtungswerkstoff zu nennen. Durch den so eingestellten gradierten Übergang der Zusammensetzung ergibt sich ebenfalls ein gradierter Übergang im Gefüge und damit in den Eigenschaften, was eine einwandfreie und rissfreie Anbindung vom Messerschneidkörper zur Messerschneidkante ermöglicht. Besondere Konstruktionseigenschaften der Schneidkante eines Schneidwerkzeuges werden durch die Verbindung verschiedener Materialien mit jeweils anisotroper Beschaffenheit ermöglicht, die sogenannte funktionale Gradienteneigenschaften aufweisen.
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Bereits in der Natur lassen sich zahlreiche Beispiele finden, bei denen gradierte Eigenschaften nachgewiesen werden können, z. B. in Eierschalen oder bei Geweben von Säugetieren und Pflanzen.
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Bereits 1940 wurden von S. A. Wekschinskij erste gradierte Erzeugnisse, also Produkte mit Legierungen wechselnder Zusammensetzung, in Form von Filmen einer Dicke bis zu 0.1 mm hergestellt [1]. Diese Filme wiesen durch Ionenplattieren verschiedener Elemente unter Vakuumbedingungen eine große Zahl verschiedener Legierungen mit jeweils konstanter Zusammensetzung auf, die sich wiederum untereinander durch unterschiedliche Konzentrationen jeweils eines Elements unterschieden. 1944 wurde von E. M. Sawizkij und O. S. Iwanow die elektrolytische Herstellung von Gradientenstrukturen mit einem sich anschließenden Pressvorgang vorgeschlagen [2].N. M. Nowogilow und D. N. Baranow führten 1959 Versuche zur Herstellung gradierter Strukturen mit variiertem Ferritgehalt durch. Dies wurde durch die gleichzeitige Verwendung unterschiedlicher Schweißdrähte mit jeweils anderer Legierungszusammensetzung ermöglicht, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten dem Schmelzbad bzw. dem Schweißlichtbogen zugeführt wurden. Die verwendeten Schweißzusatzwerkstoffe wurden durch Umschmelzen hergestellt [2].
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Innerhalb der letzten Jahre wurden insbesondere Entwicklungen zur Herstellung von funktionellen Gradientenwerkstoffen und Gradientenbeschichtungen bekannt [3, 4].
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In weiteren Veröffentlichungen [5–15] wird eine Technologieentwicklungen zur Herstellung bimetallischer Schneidwerkzeuge sowie auftragsgeschweißter Beschichtungen an Schneidkanten beispielsweise zum Verschleiß- und Korrosionsschutz beschrieben.
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In den erwähnten Patenten und Publikationen [5–15] kommt es zu einer schlagartigen Änderung der spezifischen Eigenschaften zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung.
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Aus dem Patent
DE 195 30 641 C1 , der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2010 007 393 U1 und der Veröffentlichung
WO 2011/147936 A1 ist ein Schneidwerkzeug und ein Maschinenmesser aus zwei verschiedenen metallischen Werkstoffen mit schlagartigen Änderungen der spezifischen Eigenschaften zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung bekannt (siehe
4 aus Patent
DE 195 30 641 C1 ).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, am Übergang zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung Risse zu vermeiden. Insbesondere liegt ihr die Aufgabe zu Grunde ein gattungsgemäßes Messer für Schneidmaschinen weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird mit einem Messer für Schneidmaschinen mit einem Grundkörper aus einem ersten metallischen Werkstoff und einem Schneidkörper aus einem zweiten metallischen Werkstoff gelöst, wobei die Fügestelle zwischen dem Messergrundkörper und dem Messerschneidkörper als eine gradierte spannungsverteilende Fügeverbindung ausgebildet ist.
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Weiterbildungen eines derartigen Messers sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Maschinenmesser lässt sich mit einem gradierten Schichtaufbau zur Vermeidung von Rissen zu herstellen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Hilfe des Plasma-Pulver-Auftragsschweißens durch Umlegieren des Grundkörpers die Erzeugung dicker, verschleißfester Schichten auf einem Messergrundkörper mit gradiertem Übergang von chemischer Zusammensetzung, Gefügestruktur und Schichteigenschaften möglich ist. Neben verbessertem Verschleißverhalten konnten Härten von mehr als 900 HV erzielt werden.
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Dabei hat nicht nur die Zusammensetzung der Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasis-Zusatzwerkstoffpulver für die einzelnen Lagen Einfluss auf die Entstehung eines gradierten Schichtaufbaus, wie er zur Vermeidung von Rissen notwendig ist, sondern auch der Schweißprozess selber.
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Die Entstehung der Gradierung beruht auf zwei Effekten. Zum einen ist dies die Diffusion, die bevorzugt im Bereich der Schmelzlinien zum Grundwerkstoff und zu bereits aufgetragenen Schichten durch Legieren stattfindet. Zum anderen entstehen Gradierungseffekte durch Löslichkeiten des Materials untereinander.
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Beim Legieren ist eine besonders hohe Aufmischung zwischen Grund- und Zusatzwerkstoff anzustreben, um eine Gradierung oberflächennaher Bereiche in Tiefen bis zu mehreren Millimetern zu erzielen. Die Aufmischung ist beim Legieren erheblich größer als beim Auftragen, so dass Aufmischungsgrade von weit über 50% erzielt werden können. Für das Gradieren ist eine hohe Aufmischung erstrebenswert, da hierdurch eine möglichst breite Zone zwischen dem Grundwerkstoff und der Auftragsschweißschicht erfasst werden kann.
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Durch geeignete Wahl der Schweißparameter (insbesondere durch Variation der Zusatzwerkstoffmenge und Beeinflussung des Grades der Aufmischung des Grundwerkstoffes) ist ein gradierter Schichtaufbau herzustellen, bei dem durch die allmähliche Änderung der Zusammensetzung der Schicht bis hin zur Zielzusammensetzung der Oberfläche auch eine allmähliche Änderung der Eigenschaften der Schicht einher geht. Dieser gradierte Aufbau ist zur Vermeidung von Rissen und Ablöseerscheinungen der Schicht notwendig.
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In folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschreiben. Die Figur zeigt ein Diagramm zum Härteverlauf zwischen Grundkörper und Schneidkörper.
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Dieses Beispiel zeigt den Härteverlauf bei einem Grundkörper eines Langmaschienenmessers aus Vergütungsstahl C45 zur Plasma-Pulver-Auftragsschicht aus einer Eisenbasislegierung mit den folgenden Inhaltsstoffen: Chrom (Cr), Wolfram (W), Molibdän (Mo), Vanadium (V), Kobalt (Co), Kohlenstoff (C), Silizium (Si) bei einem erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug. Auf der X-Achse (Abszisse) ist der Abstand zur Schmelzlinie (Nullmarke) aufgetragen. Dabei befinden sich der Grundkörper links der Nullmarke und die Auftragsschicht rechts der Nullmarke. Im Übergangsbereich zwischen Grundkörper und Auftragsschicht, d. h. nahe der Nullmarke, findet eine Umschmelzung zwischen den Werkstoffen statt. Das Diagramm verdeutlicht, dass für die Plasma-Pulver-Auftragsschweißschicht aus einer Eisenbasislegierung mit der folgenden ungefähren Zusammensetzung: 4% Cr, 9% W, 4% Mo, 4% V, 8% Co, 2% C und im übrigen Eisen eine erheblich höhere Härte erreicht wird als für den Grundkörper, der hier aus Vergütungsstahl C45 besteht. Aufgrund eines gradierten, allmählichen Härteverlaufes (Übergang) vom Grundwerkstoff zum Beschichtungswerkstoff wird eine einwandfreie und rissfreie Anbindung von Schneidkörper zur Schneidkante ermöglicht.
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Literatur
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- 1. Vekshinskiy, S. A.: Neue Methode der metallografischen Untersuchung von Legierungen, Gostexisdat, Moskau, 1944.
- 2. Nowozhilov, N. M.: Die Herstellung und Anwendung von Legierungen mit wechselnder Zusammensetzung im Maschinenbau, Maschinostroenie, Moskau, 1987.
- 3. Functionally Graded Materials. Trans Tech Publications LTD, 1998
- 4. U. Dilthey, B. Balashov and L. Kabatnik. Processing and characterization of Graded Aluminium Components with Hardness and improved wear behavior using plasma transferred arc welding (PTA) processes. Functionally Graded Materials 2000. Trans Tech Publications LTD, 2000.
- 3. Patentveröffentlichung CN 000001923447 A
- 4. Patentveröffentlichung CN 000002322728 Y
- 5. Patentveröffentlichung CN 000002749608 Y
- 6. Patentveröffentlichung CN 000002882870 Y
- 7. Patentveröffentlichung CN 000100463771 C
- 8. Patentveröffentlichung CN 000101658955 A
- 9. Patentveröffentlichung US 1,919,358 A
- 10. Patentveröffentlichung DE 00 0003 219 260 A1
- 11. Gebrauchsmusterschrift DE 20 2010 007 393 U1
- 12. Patentveröffentlichung WO 2011/147936 A11
- 13. Patentveröffentlichung JP 11207488 A
- 14. Beschichtung von Kuttermessern mit korrosionsbeständigen Verschleißschutzwerkstoffen.
- 15. Veröffentlichung zum Projekt IGF 12708 BG. Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19530641 C [0014]
- DE 202010007393 U1 [0014]
- WO 2011/147936 A1 [0014]
- DE 19530641 C1 [0014]
