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Verfahren zur Erzeugung eines harten, verschleißfesten überzugs auf
Metallgegenständen Für die Herstellung einer harten überzugsschicht aus Metallkarbiden,
-nitriden, -siliziden oder -boriden oder Mischungen derselben unter Verwendung eines
Bindemittels auf einem Metallgegenstand ist es bekannt, einen Legierungsstab mit
darin verteilten Hartstoffen der genannten Art oder einen Rohrabschnitt, der mit
den genannten Hartstoffen angefüllt ist, über die zu überziehende Oberfläche zu
halten und durch einen Schweißbrenner oder einen elektrischen Lichtbogen zum Abschmelzen
zu bringen.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren werden die schwer schmelzbaren
Hartmetallkörper auf der zu überziehenden Oberfläche verteilt und danach mit Wasserstoff
hartgelötet. Dabei wird die zu überziehende Oberfläche so lange erhitzt, bis eine
sehr dünne Schicht des Grundmetalls schmilzt. Die alsdann auf die geschmolzene Oberfläche
aufgetragenen Hartfaserstoffkörner sinken in dieselbe ein und bewirken damit eine
Bindung mit dem Grundmetall.
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Ein weiterhin bekanntes Verfahren betrifft das überziehen einer Oberfläche
mit schwer schmelzbaren Hartmetallkörnern und das anschließende sehr schnelle Erhitzen
derselben, um Wolframkarbide auf der Oberfläche des Grundmetalls zu bilden. Dabei
wird das Wolfram oder das Wolfram enthaltende Metall mit Kohlenstoff vermischt und
auf die Oberfläche mit einem Klebemittel aufgetragen. Das Wolfram enthaltende Metall
wird durch den Kohlenstoff reduziert, wobei das Wolfram mit dem Kohlenstoff unter
Bildung von Wolframkarbid reagiert, das in die geschmolzene Oberfläche des Grundmetalls
einsinkt. Um Wolframkarbid in nennenswerter Menge zu bilden, bedarf es hierzu beträchtlicher
Zeit und naturgemäß einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes des Stahles,
aus dem das Werkzeug besteht, gelegen ist.
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Ferner ist die Elektroplattierung einer Hartchromschicht auf die Oberfläche
eines Grundmetalls sowie das Hartlöten brikettierter oder gesinterter Stücke oder
Einsätze auf dem Werkzeug bekannt.
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Schließlich ist es bekannt, ein Pulvergemisch aus dem Hartmetall und
Chromborid und Eisen und/oder Nickel oder/und Kobalt, mit einem Pulver aus organischen
und/oder anorganischen Stoffen zu einer Paste angerührt, auf den Trägerkörper aufzustreichen
und diesen Trägerkörper an seiner Oberfläche auf die Schmelztemperatur des Gemischteiles
aus Chromborid mit einem Metall der Eisengruppe zu bringen. Da eine derart aufgebrachte
Paste die Vertiefungen im Trägerkörper ausfüllt, nicht immer jedoch dessen Ecken
bedeckt, können dessen genaue Konturen nicht aufrechterhalten werden. Eine bestimmte
Dicke der Hartmetallschicht ist dabei nicht gewährleistet.
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Zur Herstellung von verschleißfesten Oberflächen ist es weiterhin
bekannt, harte Karbidkörner in die Oberfläche von eisernen Grundmetallen einzuschwitzen.
Das Einschwitzen besteht darin, harte Körner auf einer eisernen Grundplatte durch
Kleben zu befestigen und danach das Grundmetall zu erhitzen, wobei die Erhitzung
so weit gefÜhrt wird, daß eine teilweise Adhäsion und zum Teil eine Absorption des
Karbids eintritt und je nach dem Grad der Erhitzung die Körner mehr oder
weniger tief in das Grundmetall einsinken. Ein verbessertes Verfahren dieser Art
erreicht man, wenn man auf die zu überziehende Metalloberfläche eine Edelstahlschicht,
wie hochprozentigen Chromstahl oder Chromnickelstahl, aufschweißt und in diese Schicht
Hartkarbidkörner, wie Wolframkarbidkörner, eingebettet sind.
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Es ist auch bekannt, Hartstoff mittels Pulverspritzpistolen auf zu
überziehende Gegenstände aufzutragen, wobei Pulvergemische aus Chromborid, Eisen,
Nickel und Kobalt einzeln oder zu mehreren, denen gesintertes oder geschmolzenes
Hartmetall beliebiger und üblicher Zusammensetzung in zerkleinerter Form beigemischt
ist, verwendet werden. Auch ist es möglich, die Pulvergemische unter Zusatz eines
Plastifizierungsmittels zu dünnen Drähten strangzupressen und sie mittels Drahtspritzpistolen
zu bespritzen.
Als Binde- und Klebemittel werden beispielsweise
Aceton und Alkohol verwendet.
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Die überzugsmittel bestehen sonach meist aus Mischungen von Metallkarbiden,
Bindemetallegierungen und Flußmittel.
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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines harten,
verschleißfesten überzuges auf Metallgegenständen durch Aufschmelzen bzw. Aufsintern
einer innigen Mischung eines Metallkarbids, einer als Bindemittel dienenden Metalllegierung
und eines Flußmittels unter Verwendung eines organischen Klebemittels, wobei die
zu überziehende Metalloberfläche mit einer alkoholischen Schellacklösung befeuchtet
und mit einem innigen Gemisch aus Wolframkarbid mit einer Korngröße von
0,05 bis 2 mm und einer pulverisierten Mischung bzw. Legierung aus Wolfram,
Chrom und Kobalt bedeckt wird, worauf in an sich bekannter Weise der Pulverbelag
thermisch auf die Metalloberfläche aufgesintert wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Pulverbelag unter
Anwendung der hierfür an sich bekannten Hochfrequenzerhitzung bei etwa
820
bis 13601 C aufgesintert.
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Nach einer Weiterbehandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
das aufgetragene innige Gemisch aus Wolframkarbid und die Bindemetalllegierung mit
Flußmittel abgedeckt, wobei das Pulvergemisch und auch das Flußmittelpulver in Form
eines Vorhanges oder Schleiers vorteilhaft mit elektromagnetischer Vibrationsförderung
auf den Schellack aufgebracht werden.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, das Pulvergemisch in einer
Stärke von 25 bis 130 Mikron, in Ausnahmefällen bis zu etwa 400 Mikron,
aufzuschmelzen.
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Das Aufsintern des Pulvergemisches kann gegebenenfalls unter Schutzgas
erfolgen.
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Gegenüber den bereits beschriebenen bekannten Verfahren wird gemäß
der Erfindung auf der Oberfläche des zu überziehenden Metallgegenstandes eine sehr
dünne, genau den Konturen (Kanten, Unterschneidungen) sich anpassende. einer Glasur
oder Email ähnliche überzugsschicht aus Wolframkarbid erzeugt, die infolge der Art
ihrer ortgebundenen Herstellung sich genau den Umrissen des zu überziehenden Gegenstandes
anschmiegt und die Ecken und Kanten in ihrer Schärfe unverändert läßt.
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An Hand einer eingehenden Verfahrensbesehreibung und eines angegebenen
Beispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
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Die Ab b. 1 und 2 zeigen Metallgegenstände, speziell
Sägezähne, deren Schneiden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überzogen worden
sind.
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Die in den A b b. 3, 4 und 5 gezeigten Struktureigenschaften
des erfindungsgemäßen überzuges basieren auf der mikroskopischen Prüfung verschiedener
Proben von nach der Erfindung überzogenen Metallgegenständen, wie sie in den
Ab b. 1 und 2 dargestellt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verläuft wie folgt: Auf die vorgereinigten
zu überziehenden Metalloberflächen oder Kanten wird dünnflüssiger Schellack aufgetragen
und alsdann ein vorbereitetes inniges Pulvergemisch aus Wolframkarbid und einer
Bindemetallegierung, bestehend aus Wolfram, ge-C aebenenfalls Wolframkarbid, Chrom
und Kobalt, auf getragen. Das Auftragen des Pulvergemisches erfolgt mittels einer
elektromagnetischen Vibrationsförderung, so daß das Pulver gleichsam in Form eines
Vorhanges oder Schleiers auf den darunter hinzubewegenden, mit Schellack überzogenen
Metallgegenstand aufrieselt. Für das Wolframkarbid werden Korngrößen im Bereich
von 0,05 bis 2 mm verwendet in Abhängigkeit von dem Zweck, zu dem die Armierung
auf den Metallgegenstand aufgetragen wird. Der nicht anhaftende überschuß des Pulvergemisches
wird beispielsweise durch leichtes Ab-
klopfen des Gegenstandes zum Abfallen
gebracht. Nach einem kurzen Trockenvorgang, der jedoch nicht unbedingt erforderlich
ist, wird der beschichtete Metallgegenstand mit der an seiner Oberfläche quasi angeklebten
Pulverschicht einer Hochfrequenzerhitzung ausgesetzt; je nach Stärke des
Gegenstandes, nach Beschaffenheit der Hochfrequenzspule und vor allem entsprechend
der Dicke des gewünschten überzuges sowie der Beschaffenheit des Metalls, aus dem
der Gegenstand hergestellt ist, wird die Erhitzung bei Temperaturen zwischen
820 und 13601C
vorgenommen.
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Es kann mit Generatoren im Bereich von 350 Kilohertz bei einer
Ausgangsspannung von etwa 90 Volt oder im Bereich von 6,5 Megahertz
mit einer Ausgangsspannung von 6000 Volt gearbeitet werden. Diese Angaben
werden lediglich gemacht, um zu zeigen, daß handelsübliche Hochfrequenzgeneratoren
Verwendung finden können. Die Erhitzung muß und kann somit schnell und nötigenfalls
unter Anwendung einer schützenden Atmosphäre erfolgen, die jedoch wegen der Anwendung
der Induktionserhitzung und infolge der damit verbundenen Schnelligkeit des Erhitzungsvorganges
aber auch wegfallen kann. Als Schutzgas kommt hierfür dissoziiertes Ammoniak, gegebenenfalls
unter Zugabe von Methan oder Naturgas, in Betracht. Wenn die anfänglich aufgetragene
Schellacklösung eine ungenügende Benetzung der aufgetragenen Pulverschicht bewirken
sollte, kann, falls das Auftragen mehrerer Schichten des Pulvergemisches gewünscht
wird, jeweils eine sehr dünne Schicht Schellack zwischen den einzelnen Arbeitsgängen
zusätzlich aufgetragen werden. Durch die einsetzende schnelle Erhitzung verflüchtigt
sich der Schellack, wobei reduzierend wirkende Gase entstehen, die durch die anfänglich
noch vorhandenen Zwischenräume des aufgetragenen Pulvergemisches entweichen. Etwa
vorhandene Kohlenstoffreste aus dem Schellack wirken in Verbindung mit dem Flußmittel
legierungsbildend und fördern die feste Haftung des überzugsmaterials auf dem zu
überziehenden Gegenstand.
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Es ist als besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung zu
werten, daß die Stärke der auf diese Weise aufgebrachten Karbidschicht einmal von
der Dicke und Viskosität des aufgetragenen Schellacks und zum anderen von dem maximalen
Korngrößendurchmesser des aufgestreuten Pulvergemisches abhängig gemacht werden
kann. Dementsprechend werden Pulvergemische bevorzugt, deren Korngrößen in dem bereits
genannten Bereich liegen, wobei naturgemäß ein etwa erwünschter Dünnschichtüberzug
noch dadurch erreicht wird, daß möglichst nur eine Kornschicht auf den entsprechend
dünn aufgetragenen Schellack aufgetragen wird.
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Als Bindemittellegierung für das das Wolframkarbid aufnehmende Bindemetallgemisch
kommen die bekannten, Kobalt und Chrom enthaltenden Wolfram
-Kohlenstoff-Legierungen
in Frage. Diesem Gemisch kann unter Umständen schon ein Flußmittel, z.B. Borax,
zugefügt werden. Das Flußmittel kann dabei in wäßriger Lösung oder in Pulverform
und gegebenenfalls auch in einem besonderen anschließenden Arbeitsgang zugegeben
werden, so daß das vorher auf dem Klebemittel aufgetragene, Bindemittel enthaltende
Hartmetallpulver abschließend mit einer Staubschicht des Flußmittels vollständig
überdeckt wird. Am Ende der kurzzeitigen Erhitzung, d. h. im Zeitpunkt der
Aufweichung der Oberfläche des Metallgegenstandes, bewirkt das Hochsteigen des Flußmittels
durch die Metallkörner das Festhaften des Pulvergemisches auf dem Grundmetall.
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Das Hartmetallpulvergemisch wird, wie bereits erwähnt, vorteilhaft
durch eine elektromagnetisch betriebene Schwinggförderrinne in dünner Schicht in
Form eines Vorhanges oder Schleiers auf den mit Schellack teilweise überzogenen
Metallgegenstand hinabrieseln gelassen, wobei die zu beschichtende Oberfläche desselben
mit regelbarer Geschwindigkeit.-durch diesen Vorhang hindurchgeführt wird. Dies
erfolgt zweckmäßig in einer Schräglage der Oberfläche, damit das überschüssige Pulver
sofort wieder in einen darunter anaeordneten Behälter abfallen kann. Sofern das
Flußmittel nicht vorher flüssig zugeführt wurde, erfolgt die Zufuhr des FlußmitteI-pulvers
ebenfalls in ähnlicher Weise durch eine Vibrationsrinne. Beispiel Es wird eine Alkohol-Schellack-Mischung
folgender Zusammensetzung: 3,75 Gewichtsprozent Orange-Schellack und
96,25 Gewichtsprozent 80-
prozentiger denaturierter Alkohol hergestellt.
Der Schellack und der Alkohol werden zur Bildung einer Lösung gemäß der vorstehenden
Zusammensetzung vermischt, ähnlich wie diese in der Anstrichtechnik in Farbkonsistenz
gebracht und im Eintauchverfahren angewendet wird.
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Dann wird eine Pulvermischung mit folgender Zusammensetzung: 11,4
Gewichtsprozent Flußmittel, 32,6 Gewichtsprozent Bindemetallegierung und
55,9 Gewichtsprozent Wolframkarbid hergestellt. Das Pulver enthält Teilchen
mit einem Durchmesser von ungefähr 127 bis ungefähr 635 Mikron. Die
die Bindemetallegierung bildenden Metallkomponenten der Pulvermischung bilden einen
nichteutektischen Legierungstyp. der einen im wesentlichen plastischen Temperaturbereich
zwischen den Liquidus- und Soliduspunkten unterhalb des Schmelzpunktes des metallischen
Gegenstandes aufweist. Der zu überziehende Metallgegenstand, z. B. ein Schneidzahn
mit seinem Oberflächenüberzug aus einer Schellack-Alkohol-Lösung. wird durch einen
feinen Vorhang pulverförmigen Materials geführt, wodurch die Spitze und die Seiten
des schneidenden Teiles des Zahnes mit dem pulverförmigen Material bedeckt wird.
Der nasse Zahn hält nur eine dünne, gleichmäßige Schicht der pulverförmigen Mischung
fest. Das überschüssige Pulvermaterial fällt ab oder wird abgeschüttelt oder abgerüttelt,
so daß im wesentlichen nur eine einzelne Kornschicht durch das Bindemittel oder
den Klebstoffilm auf der Oberfläche des Zahnes oder des Metallgegenstandes zurückgehalten
wird. Danach wird der zu überziehende Gegenstand kurzzeitig auf etwa 900
bis 1200' C erhitzt. Die Ab b. 1 und 2 stellen als Beispiel für einen
gemäß der Erfindung überzogenen Metallgegenstand einen Sägezahn dar, der nach der
Erfindung hergestellt ist. Ein typischer Einsatzsägezahn ist in diesen Abbildungen
erläutert. Er besteht aus dem Hauptkörper 1, der mit scharfen Schneidkanten
2 und rechtwinkligen Ecken 3 versehen ist. Die Stirnfläche 4 hat die übliche
Neigung 5. Die Bewehrung 6
bedeckt den Kopf, die Seiten und Ecken und
schafft so den Bewehrungsschutz für die Schneidkanten. In der Praxis erstreckt sich
die Bewehrung 6 bis zu einer Linie 7 an dem Sägezahn.
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Die A b b. 3 zeigt einen Teilschnitt aus einem Sägezahn nach
den Ab b. 1 und 2. Mit 1 ist der eiserne Grundkörper des Sägezahnes
bezeichnet, mit 6 die Oberflächenbewehrung bzw. die überzugsschicht, die
aus der Bindemetallegierung 9 besteht, in die Wolframkarbidteilchen
8 eingelagert sind. Mit 11 ist die Grenzschicht zwischen dem überzug
und dem Grundmetall bezeichnet. Am Rand entsteht eine scharfe Schneidkante
10 aus Wolframkarbid. Die A b b. 4 stellt einen Ausschnitt eines Mikrofotos
dar, das die Bindung an der Grenzfläche zwischen dem Bewehrungsüberzug und der Oberfläche
des Metallgegenstandes zeigt. Aus dieser Abbildung ist die in A b b. 3 angedeutete
Zwischenschicht 11 klar ersichtlich. Das Mikrofoto wurde bei 200facher Vergrößerung
aufgenommen. In A b b. 4 ist der obere Teil des eisernen Grundkörpers im
Ausschnitt gezeigt. Auf der Oberfläche desselben ist die Bewehrung bzw. der Hartmetallüberzug
deutlich als dicht schmelzgebunden zu sehen. Die Bindung ist in die Oberfläche des
zu überziehenden Metallgegenstandes eingedrungen, was als ein sich zwangläufig ergehendes
interkristallines Eindringen bezeichnet werden kann. Die Ab b. 5 zeigt in
50facher Vergrößerung einen Teil eines Sägezahnes nach den Ab b. 1 und 2
im Querschnitt. Dieser Sägezahn war im Gebrauch, und es ist deutlich zu sehen, wie
unterhalb der scharfen Kante 10 der eiserne Grundkörper bei 12 ausgeschliffen
wurde. Die überzugsschicht hat eine Dicke von ungefähr 0,1 mm. Der Stahl
des Sägezahnes ist, wie die Abbildung deutlich zeigt, »hinterschnitten«, wodurch
ein automatisches Selbstschärfen erreicht ist.