DE19504949C1

DE19504949C1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteiles in einer Gießform

Info

Publication number: DE19504949C1
Application number: DE1995104949
Authority: DE
Inventors: Armin Dr Ing Isleib; Irina Dipl Ing Lubojanski; Anja Dipl Ing Friedel
Original assignee: IFU ENGINEERING und CONSULTING
Current assignee: IFU-ENGINEERING DR. ARMIN ISSLEIB, 39110 MAGDEBURG
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2015-02-16
Also published as: WO1996025260A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteiles aus mehreren metallischen Werkstoffen oder Werkstoffen mit metallischer Matrix in einer Gießform, bei dem an einen oder mehreren in den Formhohl raum einzubringenden Körpern, deren spätere Kontaktflächen vor dem Gieß vorgang mit einem Überzug versehen werden, eine oder mehrere Schmelzen gleichzeitig angegossen werden.

Aus dem Stand der Technik sind Verbundgießverfahren bekannt, die unter anderem den Einsatz von Überzügen zur Sicherung eines stoffschlüssigen Verbundes beim Gießen zwischen mehreren Werkstoffen beschreiben. In DE-PS 26 07 684 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Verbund gußwerkstücken dargestellt, bei dem ein fester Körper aus Stahl der einen Sorte mit einem 0,3 bis 1 mm dicken Überzug aus einer Nickel-Chrom-Bor- Silizium-Legierung versehen wird, dann in eine Gießform eingesetzt und dort mit flüssigem Stahl der anderen Sorte umgossen wird. Die in Pulverform vor liegende NiCrBSi-Legierung wird durch Flammspritzen auf den festen Stahl körper aufgebracht, dessen Oberfläche zuvor durch Sandstrahlen metallisch blank gemacht und aufgerauht wurde. Gegebenenfalls wird die auf dem Stahlkörper haftende Schicht noch geschmolzen bzw. gesintert. Dadurch sol len die Gefahr einer zu starken Oxidbildung vermieden und die Haftung des Überzuges auf dem festen Stahlkörper bzw. das Diffundieren während des Umgießens verbessert werden. Der Überzug ist eine metallische Legierung, wobei das Bor eine Schmelzpunktsenkung des Überzuges bewirken soll. Beim Aufgießen der Schmelze auf den beschichteten festen Körper erfolgt daher zur Erleichterung der stoffschlüssigen Verbindung ein Aufschmelzen des Überzuges. Der Überzug verbleibt in der Verbindungszone. Nachteilig ist der hohe Aufwand zum Aufbringen des Überzuges zur Gewährleistung der stoffschlüssigen Verbindung.

Das durch DE-AS 26 55 503 bekannte Verbundgußverfahren ist eine Weiter entwicklung des Verfahrens nach DE-PS 26 07 684 und hat die spezielle An wendung eines Verbundgusses von Legierungen auf Nickel- und Cobaltbasis für den Einsatz bei hohen Temperaturen zum Inhalt. Zur Vermeidung einer Oxidbildung und damit der Gewährleistung einer stoffschlüssigen Verbindung wird hier die Beschichtung im Vakuum oder in einer anderen geeigneten Schutzumgebung bei einer Temperatur aufgebracht, die gerade zum Ver schmelzen mit der Oberfläche ausreicht. Danach wird das so beschichtete Formteil in eine im Vakuum erhitzte Gießform eingebracht und unter Vakuum vergossen. Verfahrensspezifisch ist eine aufwendige Wärmebehandlung er forderlich, um eine Diffusion des Bors in den Grundwerkstoff aus der Be schichtung zu ermöglichen.

Ebenfalls ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren zum Herstellen von Verbundguß bekannt, das in der Fachwelt als Verbundgießen im Überström prinzip bezeichnet wird (DE-OS 16 08 096). Zur Erzielung eines stoffschlüs sigen Verbundes ist die Bereitstellung eines Vielfachen an Schmelze erfor derlich. Das Verbundgießen im Überströmprinzip ist für Teile mit komplizierter geometrischer Form und Kontur nicht anwendbar, weil nicht an allen Stellen der Teileoberfläche eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze zum Ablösen und zum Abtransport der auf der Teileoberfläche vor handenen Oxidhäute erreicht wird. Somit ist das Verfahren nach DE-OS 16 08 096 sowohl wirtschaftlich als auch technisch fragwürdig und wird den Quali tätsanforderungen an einen einwandfreien stoffschlüssigen Verbund nicht gerecht.

Deshalb liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Her stellung eines Verbundgußteiles in einer Gießform zu schaffen, das die auf der Teileoberfläche vorhandenen Oxidations- und Absorptionsschichten mit einem geringen technischen und technologischen Aufwand beseitigt und so einen stoffschlüssigen Verbund zwischen mehreren Werkstoffen ohne oxidi sche oder andere Fehlstellen garantiert.

Deshalb liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein kostengünstiges Ver fahren zur Herstellung eines Verbundgußteiles ohne technologisch aufwendi ge Beschichtung des einzubringenden Formteils und der Notwendigkeit des Gießens unter Vakuum zu entwickeln, das einen stoffschlüssigen Verbund zwischen mehreren Werkstoffen ohne oxidische oder andere Fehlstellen ga rantiert. Zur Lösung dieses Problems wird das eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche weitergebil det. Vorteilhafterweise können verschlissene Bauteile mit einem geringen Aufwand regeneriert und Bauteile als Werkstoffverbundlösung in der Gieße reitechnik kostengünstig hergestellt werden. Der Überzug ist ein nichtmetalli sches Stoffgemisch, daß aus Natriumtetraborat, Borsäure, komplexen Fluori den und stabilen Oxiden, vorzugsweise aus 38 bis 72% Na₂B₄O₇, 54 bis 20% B₂O₃, 2 bis 8% K₂ZrF₆ und 8 bis 1% SiO₂ besteht. Dieses Stoffgemisch be wirkt eine aktive Lösung der Oxide von der Metalloberfläche und schützt vor einer Reoxydation. Um eine geringe Sauerstoffpermeabilität zu garantieren, ist eine minimale Schichtdicke der wirksamen Substanzen des Stoffgemisches nach dem Aufschmelzen von 0,4 mm einzuhalten. Die Schichtdicke sollte 1,6 mm nicht überschreiten, da sonst eine vollständige Trennbarkeit des nicht metallischen Stoffgemischs von der Metalloberfläche beim Gießvorgang nicht erzielt wird, d. h. das nichtmetallische Stoffgemisch beim Gießvorgang nicht vollständig von der Kontaktfläche verdrängt wird und somit Fehlstellen an der Verbundschicht entstehen können. Die Schichtdicke wird über die vom Mischungsverhältnis des nichtmetallischen Stoffgemischs bestimmte tempera turabhängige Viskosität eingestellt. Das Mischungsverhältnis ist nach der maximalen Temperaturbeanspruchung des Stoffgemisches sowie nach der Dauer der Temperatureinwirkung festzulegen. Mit zunehmender Temperatur sowie zunehmender Dauer der Temperatureinwirkung auf den im Formhohl raum befindlichen Körper ist der Anteil an Borsäure sowie stabilen Oxiden zu erhöhen und der Anteil an Natriumtetraborat sowie komplexen Fluoriden zu verringern. Bei einer maximalen Temperatur unter 1000°C besteht das nicht metallische Stoffgemisch aus 55 bis 72% Na₂B₄O₇, 37 bis 20% B₂O₃, 4 bis 8% K₂ZrF₆ und 4 bis 1% SiO₂, bei Temperaturen von 1000 bis 11 50°C aus 47 bis 63% Na₂B₄O₇, 45 bis 30% B₂O₃, 3 bis 6% K₂ZrF₆ und 5 bis 2% SiO₂ und bei Temperaturen oberhalb 1150°C aus 38 bis 55% Na₂B₄O₇, 54 bis 37% B₂O₃, 2 bis 4% K₂ZrF₆ und 8 bis 4% SiO₂. Desweiteren sind bei zunehmen den Anforderungen an das Ausbreitungsverhalten des nichtmetallischen Stoffgemischs, z. B. bei großen Kontaktflächen, die Anteile an Natriumtetrabo rat und an komplexen Fluoriden zu erhöhen sowie der Anteil an stabilen Oxi den im Stoffgemisch zu reduzieren. Auf die waagerechten Kontaktflächen kann das Stoffgemisch in Pulverform aufgetragen werden. Auf geneigte und senkrechte Kontaktflächen ist das Stoffgemisch nur mit einem Bindemittel aufzutragen.

Zur Gewährleistung der Binde- und Diffusionsvorgänge während des Gieß vorgangs besteht außer der Notwendigkeit der Beseitigung und des Abtrans ports von oxidischen und anderen Schichten durch das nichtmetallische Stoffgemisch das Erfordernis, das einer der beiden Werkstoffe an den Kon taktflächen im thixotropen oder schmelzflüssigem Zustand vorliegt. Im Fall einer Phasengrenzfläche fest/fest ist aufgrund der technischen Rauheiten fester Körper der Ablauf von Bindevorgängen über die gesamte Fläche und folglich kein flächenhafter, fehlerfreier Verbund möglich. Die Ausgleichstem peratur an den Kontaktflächen ist daher so einzustellen, daß sie oberhalb der Solidustemperatur eines der zu verbindenden Werkstoffe liegt, erfindungsge mäß mindestens für die Dauer von 1 s 10°C oberhalb der Solidustemperatur. Eine geringere Dauer bzw. Temperatur birgt die Gefahr des Auftretens von Fehlstellen infolge örtlicher physikalischer oder chemischer Inhomogenitäten. Die Ausgleichstemperatur wird über die Temperatur der im Formhohlraum befindlichen Körper, über die Gießtemperatur und über die Wanddickenver hältnisse der zu verbindenden Werkstoffe eingestellt. Gleiches gilt für die Gießtemperatur. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind folgende techno logische Varianten anwendbar.

1. Variante

Ein Formhohlraum wird zum Teil mit einer Schmelze gefüllt, so daß sich ein oder mehrere Körper in der Gußform bilden. Die Körper werden in der Gieß form abgekühlt, bis sie sich im thixotropen oder festen Zustand befinden und die zur Erzielung der erforderlichen Ausgleichstemperatur an den Kontaktflä chen notwendige Temperatur der Körper nicht unterschritten wird. Über das vorhandene Anschnitt- und Speisersystem und/oder über spezielle Öffnun gen in der Gießform wird währenddessen das nichtmetallische Stoffgemisch auf die späteren Kontaktflächen aufgebracht, wodurch entstandene Oxide beseitigt und eine weitere Verzunderung verhindert werden. Dann wird die zweite Schmelze aufgegossen, wobei das nichtmetallische Stoffgemisch auf grund seiner geringeren Dichte von den Kontaktflächen verdrängt wird. Das erfolgt durch eine definierte Strömung der Schmelze zum Anschnitt und/oder Speiser bzw. es sind Hohlräume zum Auffangen des nichtmetallischen Stoff gemisches in der Gießform vorhanden.

2. Variante

Auf den bzw. die zu umgießenden Körper wird das nichtmetallische Stoffge misch aufgebracht und anschließend werden der/die Körper außerhalb der Gießform erwärmt und in den Formhohlraum eingebracht. Die Erwärmung der Körper kann beispielsweise induktiv erfolgen. Die bei der Erwärmung zu er reichende Temperatur ist so festgelegt, daß sie unterhalb der Solidustemperatur des betreffenden Werkstoffs liegt und die im Moment des Angießens zur Erzielung der erforderlichen Ausgleichstemperatur an den Kontaktflächen notwendige Körpertemperatur nicht unterschritten wird. Dann wird die zweite Schmelze aufgegossen und das nichtmetallische Stoffge misch, wie in Variante 1 beschrieben, verdrängt. Alternativ sind der bzw. die zu umgießenden Körper in den Formhohlraum einzubringen, dann die späte ren Kontaktflächen mit dem nichtmetallischen Stoffgemisch zu bedecken und die Körper in der Gießform beispielsweise induktiv zu erwärmen. Die bei der Erwärmung zu erreichende Temperatur ist wie bereits dargestellt festzulegen. Auf eine Erwärmung der zu umgießenden Körper mit geringen Wanddicken von außen kann verzichtet werden, wenn sie durch das Gießmetall auf eine Temperatur erwärmt werden, die der erforderlichen Ausgleichstemperatur an den Kontaktflächen entspricht.

Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen aus der Verschleißtechnik näher erläutert werden:

Beispiel 1

Zur Herstellung von Hämmern als Verbundgußteile, die stark abrasiv bean sprucht werden und an die gleichzeitig hohe Anforderungen an die Schlag-, Biege- und Dauerfestigkeit gestellt werden, bietet sich eine Kobination des Werkstoffs G-X 300CrMo15 3 und des Werkstoffs GS-42CrMo4 an. Es wird eine verlorene Gießform 1 gemäß Zeichnung mit zwei getrennten An schnittsystemen 5; 6 verwendet. Der Formhohlraum 2 ist zuerst mit der Schmelze aus GS-42CrMo4 bis über den Anschnitt 5 zu füllen. Nach der Er starrung der Schmelze wird bei etwa 1350°C durch den Speiser 7 das nicht metallische Stoffgemisch der Zusammensetzung 44% Na₂B₄O₇, 45% B₂O₃, 4% K₂ZrF₆ und 7% SiO₂ auf die Kontaktfläche 8 in der Menge aufgebracht, daß die Schichtdicke der wirksamen Substanz 1,2 mm beträgt. Nach etwa 60 s wird über den Anschnitt 6 die Schmelze aus G-X 300CrMo15 3 mit einer Gießtemperatur von 1490°C vergossen. Die Temperatur des Werkstoffes GS- 42CrMo4 beträgt zu diesem etwa 1250°C an der Oberfläche. Die sich einstel lende Ausgleichstemperatur von ungefähr 1350°C an der Kontaktfläche 8 liegt somit mehr als 10°C über der Solidustemperatur des Werkstoffes G-X 300CrMo15 3. Das nichtmetallische Stoffgemisch schwimmt aufgrund der geringeren Dichte auf den Speiser 7 auf. Das Verbundgußteil ist entspre chend der Werkstoffkombination einer Wärmebehandlung zu unterziehen.

Beispiel 2

Zur Herstellung einer Verbundgußplatte für Auskleidungen in Brecher und Mühlen, die einem starken abrasiven Verschleiß und einer hohen Schlagbe anspruchung ausgesetzt ist, ist einer zähen Stahlplatte aus St 37 eine ver schleißfeste Schicht aus G-X 260Cr27 aufzugießen. Die Stahlplatte der Ab messungen 215 × 145 × 20 wird dazu mit dem nichtmetallischen Stoffgemisch der Zusammensetzung 25% Na₂B₄O₇, 37% B₂O₃, 4% K₂ZrF₆ und 4% SiO₂ in Pulverform versehen. Die Schichtdicke der wirksamen Substanzen nach dem Aufschmelzen beträgt 0,8 mm. Dann wird die beschichtete Stahlplatte mit einer Leistung von 40 kW in 87 s auf 1050°C induktiv erwärmt und in eine Kokille eingelegt. Unter Berücksichtigung der Handlingzeit von 20 s erfolgt das Aufgießen des Chromgußeisens bei einer Gießtemperatur von 1490°C in der Dicke von 12 mm in dem Moment, wenn die Temperatur der Stahlplatte 1000°C beträgt. Die Ausgleichstemperatur an den Kontaktflächen liegt somit in der Mitte als auch am Rand der Kontaktfläche mehr als 10°C oberhalb der Solidustemperatur des Chromgußeisens. Das Stoffgemisch wird von der Kontaktfläche des Verbundgußteils verdrängt und es entsteht ein fehlerfreier stoffschlüssiger Verbund. Das so hergestellte Verbundgußteil ist entspre chend der Werkstoffkombination einer Wärmebehandlung zu unterziehen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteiles aus mehreren metal lischen Werkstoffen oder Werkstoffen mit metallischer Matrix und qualitativ einwandfreiem stoffschlüssigen Verbund zwischen den Werkstoffen in einer Gießform, bei dem an einen oder mehrere in den Formhohlraum einzubringende Körper, deren spätere Kontaktfläche mit einem Überzug versehen werden, eine Schmelze oder mehrere Schmelzen gleichzeitig angegossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Temperatur der im Formhohlraum befindlichen Körper, die Gieß temperatur und die Wanddickenverhältnisse der beteiligten Werkstoffe so sind, daß die Ausgleichstemperatur an den Kontaktflächen zwischen den beteiligten Werkstoffen nach dem Gießen länger als 1 Sekunde mindestens 10°C oberhalb der Solidustemperatur eines der angrenzen den Werkstoffe eingestellt wird und
- die späteren Kontaktflächen vor dem Gießen mit einem nichtmetalli schen Stoffgemisch aus Natriumtetraborat, Borsäure, komplexen Fluo riden und stabilen Oxiden versehen werden, welches beim Gießvorgang von der Kontaktfläche verdrängt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die im Formhohlraum befindlichen Körper durch Gießen eingebracht und so weit abgekühlt werden, daß sie sich im Moment des Angießens im thixotro pen oder festen Zustand befinden und die zur Erzielung der Ausgleichs temperatur an den Kontaktflächen notwendige Temperatur der Körper nicht unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die im Formhohlraum befindlichen Körper im festen Zustand im Formhohlraum positioniert werden und die zur Erzielung der Ausgleichstemperatur an den Kontaktflächen notwendige Temperatur der Körper durch eine Erwärmung innerhalb oder außerhalb der Form eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Stoffgemisch aus 38 bis 72% Na₂B₄O₇,
54 bis 20% B₂O₃,
2 bis 8% K₂ZrF₆ und
8 bis 1% SiO₂ besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis des nichtmetallischen Stoffgemisches der maximalen Temperatur des im Formhohlraum positionierten bzw. zu positionierenden Körpers und der Kontaktflächengröße sowie der Dauer der Temperatur einwirkung angepaßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Stoffgemisch bei einer maximalen Temperatur des im Formhohlraum positionierten bzw. zu positionierenden Körpers unter 1000°C aus 55 bis 72% Na₂B₄O₇,
37 bis 20% B₂O₃,
4 bis 8% K₂ZrF₆ und
4 bis 1% SiO₂ besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Stoffgemisch bei einer maximalen Temperatur des im Formhohlraum positionierten bzw. zu positionierenden Körpers von 1000 bis 1150°C aus 47 bis 63% Na₂B₄O₇,
45 bis 30% B₂O₃,
3 bis 6% K₂ZrF₆ und
5 bis 2% SiO₂ besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Stoffgemisch bei einer maximalen Temperatur des im Formhohlraum positionierten bzw. zu positionierenden Körners von über 1150°C aus 38 bis 55% Na₂B₄O₇,
54 bis 37% B₂O₃,
2 bis 4% K₂ZrF₆und
8 bis 4% SiO₂ besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Stoffgemisch auf die waagerechten Kontaktflächen des bzw. der Körper als Pulver aufgetragen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Stoffgemisch mit einem Bindemittel aufgetragen wird, wenn der bzw. die Körper geneigte Kontaktflächen aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der wirksamen Substanzen des nichtmetallischen Stoffge misches nach dem Aufschmelzen bis zum Gießen 0,4 bis 1,6 mm ist.