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Ringförmiges Werkzeug zur Führung, Umlenkung oder zum Ziehen von
Draht.
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Die Erfindung betrifft ein ringförmiges Werkzeug zur Führung, Umlenkung
oder zum Ziehen von Draht wie ZiehringDrahtfUhrungsrolle, Umlenkrolle, insbesondere
aber einen Ziehkonus, bei dem zumindest die auf Verschleiß beanspruchten Teile aus
bei hoher Temperatur gesinterten Hartstofren aus hochschmelzenden, anorganischen
Metalloxiden bestehen.
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Bei der mechanischen Nachbearbeitung von Draht ist die Oberflächenbeschaffenheit
zumindest der Teile der ringförmigen Werkzeuge, die mit dem Draht in Eingriff stehen,
erheblichem Verschleiß ausgesetzt. Insbesondere ist die Oberflächenbeschafrenheit
dieser auf Verschleiß beanspruchten Teile von ganz erheblichem Einfluß sowohl auf
die Lebensdauer dieser Werkzeuge fUr den Drahtzug als auch in seiner Einwirkung
auf den Draht selbst. Da die große Reibung und der hohe Anpreßdruck in Verbindung
mit den dabei auftretenden Temperaturen einen starken Oleitveschleiß bedingt, sind
in den beiden letzten Jahrzehnten die Ziehwerkzeuge, wie Ziehkonen aus Stahl in
zunehmendem Maße durch solche ersetzt worden, bei denen entweder der gesamte Ziehkonus
oder zumindest dessen auf Verschleiß beanspruchte Teile aus gesinterten Hartstoffen
aus hochschmelzenden anorganischen Metalloxiden bestehen. Aus der Gruppe der Hartstofre
aus hochschmelzenden anorganischen Metalloxiden hat in der Praxis lediglich gesintertes
Aluminiumoxid Eingang gefunden,
wobei sowohl das gesamte Werkzeug
wie beispielsweise der Ziehkonus aus gesintertem Aluminiumoxid bestehen kann, oder
lediglich die besonders dem Verschleiß unterworfenen Teile, wie beispielsweise beim
Gegenstand der DT-PS 1 241 781, bei dem eine Anzahl konzentrischer Ringe mit abnehmendem
Durchmesser übereinander angeordnet sind und sich auf einer Wfr befinden.
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Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe und die Erfindung selbst
werden nachfolgend anhand eines Ziehkonus beschrieben, weil das bei weitem das größte
Anwendungsgebiet für diese Werkzeuge für den Drahtzug ist. Selbstverständlich geiten
alle Ausrührungen in gleicher Weise für die anderen hohem Verschleiß ausgesetzten
Teile von solchen ringförmigen Werkzeugen für den Drahtzug, wie Ziehring, Drahtführungsrolle,
Umlenkrolle u.ä.
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Durch die Verwendung von bei hohen Temperaturen gesintertem Aluminiumoxid
hat sich die Verschleißfestigkeit der Ziehkonen in außerordentlichem Ausmaß steigern
lassen. Das ist darin begründet, daß gesintertes Aluminiumoxid neben großer Härte
eine sehr gleichmäßige kristalline Struktur und damit hohe Verschleißfestigkeit
aufweist und sich durch gute Wärmeschockfestigkeit gegenüber konventionellen keramischen
Werkstoffen auszeichnet, die wegen der erheblichen auftretenden Wärme von besonderer
Wichtigkeit ist. Obwohl es durch dieses hochwertige Material gelungen ist, die Arbeitsgeschwindigkeiten
moderner Drahtziehvorrichtungen immer stärker zu steigern und die Standzeiten des
Werkzeuges erheblich zu erhöhen, lassen sich mit gesintertem Aluminiumoxid jedoch
noch nicht alle Anforderungen erfüllen, die heute an ein solches Werkzeug für den
Drahtzug gestellt werden. Es stellte sich insbesondere gelegentlich als Nachteil
heraus, daß der Verschleiß bei solchen Ziehkonen dann sehr rasch voranschreitet,
wenn einmal an irgendeiner Stelle die Oberfläche oder das Kristallgefüge beeinträchtigt
ist. Dabei tritt insofern eine negative Doppelwirkung auf, als nicht nur der Verschleiß
des Ziehkonus selbst rasch
voranschreitet, sondern sich dann auch die Abrisse beim Draht häufen und so der
Ziehkonus schließlich in seiner Gesamtheit oder zumindest die beschädigten Teile
ausgewechselt werden müssen.
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Wahrscheinlich sind diese Unzulänglichkeiten darin begründet, daß
gesintertes Aluminiumoxid verhältnismäßig scharfe Korngrenzen hat. Wenn einmal eines
dieser äußerst feinen Körner aus dem Kristallverband herausgerissen worden ist,
führen diese scharfen Korngrenzen leicht zur Beschädigung des Drahtes, die bis zum
Riß gehen können. Andererseits sind an diesen scharfen Kanten die Reibungskräfte
besonders groß, so daß die Zerstörung von dort aus verhältnismäßig schnell weiter
geht. Dabei ist besonders unangenehm, daß solche Beschädigungen zwar häufig erst
nach vieljährigem Gebrauch erfolgen, aber gelegentlich auch schon nach enigen Wochen
oder Monaten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zumindest für die
auf Versc hleiß beanspruchten Teile solcher Drahtziehwerkzeuge einen Werkstoff zu
fintn, der diese Nachteile nicht zeigt und noch längere Standzeiten ermöglicht.
Die Auffindung eines solchen Werkstoffes stieß aber bisher auf unüberwindbare Schwierigkeiten.
Gesinkrtes Aluminiumoxid ist ein in den letzten Jahrzehnten hinsichtlich der Reinheit,
Festigkeit und der damit verbundenen Eigenschaften so hoch gezüchteter Werkstoff,
daß wesentliche weitere Verbesserungen, insbesondere hinsichtlich der oben aufgezeigten
Mängel nicht mehr möglich erscheinen. Die anderen hochschmelzenden Metalloxide,
wie Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Berylliumoxid sind zwar gelegentlich in
Vorschlag gebracht worden, aber gegenüber gesintertem Aluminiumoxid in ihren Festigkeitdgenschaften
so benchteiligt, daß sie auf dem Gebiet des Drahtzuges keinen Eingang in die Technik
finden konnten.
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überraschenderweise wurde jetzt gefunden, daß sich die aufgezeigten
Nachteile bei einem ringförmigen Werkzeug zur Führung, Umlenkung oder zum Ziehen
von Draht, wie Ziehring, Drahtfhhrungsrolle, Umlenkrolle, insbesondere Ziehkonus,
bei dem zuminuest die auf Verschleiß beanspruchten Teile aus bei hoher Temperatur
gesinterten Hartstoffen aus hochschmelzenden, anorganischen Metalloxiden bestehen,
dadurch beseitigen lassen, daß die auf Verschleiß beanspruchten Teile aus bei Temperaturen
oberhalb 1600°C gesintertem teilstabilisiertem Zirkonoxid mit einem kubischen Phasenanteil
von 75 - 95 % und einer mittleren 2 Scherfestigkeit von mehr als 45 kp/mm bestehen.
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Die überraschende Tatsache, daß es mit einem gesinterten Teile stabilisierten
Zirkonoxid von so hoher mittlerer Scherfestigkeit gelingt, das anstehende technische
Problem zu lösen, ist voraussichtlich darin begründet, daß bedingt durch die hohe
bisher bei diesem Werkstoff nicht erreichbare Scherfestigkeit eine wesentlich höhere
Korngrenzenfestigkeit vorliegt, so daß auch bei hohen Zuggeschwindigkeiten und der
dabei auftretenden großen Reibung und großen Wärme keine Körner aus der Oberfläche
herausgebrochen werden, die dann die Ursache für weitere Zerstörung des Werkzeuges
und für die Zerstörung des Drahtessein können.
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Es ist durch diesen neuen Werkstoff mit seiner höheren Scherfestigkeit
eine außerordentliche Steigerung der Verschleißbeständigkeit und damit der Lebensdauer
dieser Ziehwerkzeuge verbunden. Dies gilt selbst dann noch, wenn nach sehr langem
Gebrauch geringfügige Verschleißerscheinungen in der Oberfläche nicht auszuschließen
sind. Daß auch dann noch keine sich beschleunigende Zerstörung des Werkzeuges einsetzt
und keine Beschädigung des Drahtes, liegt voraussichtlich daran, daß bei dem äußerst
festen Kornverband des erfindungsgemäß verwendeten Zirkonoxids die reste Verankerung
der Körner erhalten bleibt, so daß zwar allmählich ein gleichmäßiger Abtrag der
Oberflächenschichten erfolgt, aber kein Herausreißen einzelner Körner und kein Auftreten
scharfkantiger Korngrenzen.
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Als Stabilisierungsmittel kommen in Betracht die Oxide soicher Kationen,
die einen Ionenradius ähnlich dem des Zirkons haben, also die Oxide des Yttriums,
Lanthans, Ytterbium, Cers, Titans.
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Besonders geeignet sind die von Magnesium und Calcium, wobei auf die
besonders bevorzugte Art, mit der sie den auf Verschleiß beanspruchten Teilen einverleibt
werden, später eingegangen wird.
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Bei Verwendung von Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid als Stabilisator
liegt der Gesamtgehalt an diesen Metalloxiden im Formkörper vorteilhaft zwischen
2,5 bis 3,3 Gewichtsprozent, wobei der bevorzugte Bereich 2,6 bis 3,1 Gew.% beträgt.
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Diese hervorragenden Eigenschaften werden noch dadurch verbessert,
daß bevorzugt die auf Verschleiß beanspruchten Teile eine mittlere Korngröße von
mehr als 55um haben. Zweckmäßig liegt sie bei 40 bis 60Jum. Ziehkonen aus gesintertem
Aluminiumoxid werden dagegen vorwiegend mit einem mikrokristallinen Korngefüge verwendet,
da damit eine erhebliche Steigerung der Festigkeit verbunden ist und bei einem Kornausbruch
die Störungsstelle zumindest zunächst klein gehalten werden kann. Das erfindungsgemäße
Zirkonoxid hat durch die äußerst große Korngrenzenfestigkeit auch bei einem grobkörnigeren
Gefüge mit glatten Korngrenzen noch eine solch hohe Festigkeit und einen so festen
Kornverbund, daß die Vorteile eines groberen Korns und von bedeutend weniger Korngrenzen
als Angriffsfläche voll zur Auswirkung kommen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform lassen sich die günstigen
Eigenschaften noch dadurch steigern, daß die Dichte 5 der auf Verschleiß beanspruchten
Teile mehr als 5,55 g/cm beträgt, vorzugsweise sogar bei 5,75 bis 5,80 g/cm3 liegt.
Eine so hohe Dichte bedeutet praktisch Porenfreiheit, so daß kein Angriff des Drahtes
auf das Material von diesen Poren aus möglich ist. Die höhere Dichte ergibt gleichzeitig
noch einen festeren Kornverbund, was sich ebenfalls in der bisher unerreichten hohen
Scherfestigkeit ausdrückt.
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Ein ganz wesentlicher weiterer Bestandteil der Erfindung ist sas Verfahren
zur Herstellung der ringförmigen Werkzeuge für den Drahtzug bzw. der auf Verschleiß
beanspruchten Teile dieses Werkzeuges. Wie bereits ausgeführt, ist gesintertes Zirkonoxid,
auch wenn das monokline Ausgangsmateriai durch Zusatz weiterer Metalloxide wie Calciumoxid
uno Magnesiumoxid stabiiisiert wird, in seinen Festigkeitseigenschaften nicht ausreichend
und hält deshalb einem Vergleich mit Formkörpern aus gesintertem Aluminiumoxid nicht
stand. überraschenderweise hat sich gezeigt, daß dieses Hindernis mangelnder Festigkeitsdgenschaften
und die Erzielung der erfindungsgemäß erforderlichen hohen Scherfestigkeit durch
ein Verfahren areicht werden kann, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Gemisch
aus O bis 90 Gewichtsporzent monoklinem Zirkonoxid, aus 7,8 bis 69,5 Gew.
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von mit Calciumoxid oder Magnesiumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid
und aus 0,5 bis 2,2 Gew.% freiem Calciumoxid oder Magnesiumoxid auf Temperaturen
oberhalb 16000C erhitzt wird.
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Dabei wird bei Verwendung der bevorzugt geeigneten Stabilisierungsmittel
Calciumoxid oder Magnesiumoxid so viel an freiem Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid
dem Gemisch aus monoklinem Zirkonoxid und vorstabilisieSem Zirkonoxid zugegeben,
daß der Gesamtgehalt an stabilisierenden Oxiden im Gemisch 2,7 -Gew.% beträgt. Dabei
hat das als Ausgangsmaterial verwendete, aus der Schmelze gewonnene Zirkonoxid zweckmäßig
eine Reinheit von mehr als 99 %.
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In einer zweckmäßigen Ausführung wird ein Gemisch aus monoklinem Zirkonoxid,
aus mit Calciumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid 0 und aus freiem Magnesiumoxid
auf Temperaturen oberhalb 1600 C erhitzt. Durch die Kombination von Calciumoxid
- vorstabilisiertem i rkonoxid mit Magnesiumoxid als freiem Stabilisator läßt sich
bei den auf Verschleiß beanspruchten Teilen eine Dichte bis 5,85 g/cm) erreichen.
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Durch den Kunstgriff, die an sich vom Zirkonoxid her bekannte Stabilisierung
mit Metalloxiden wie Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lanthanoxid
und Yttriumoxid nur zu einnem Teil bei dem Ausgangspulver vezunehmen, die weitere
Stabilisierung aber beim eigentlichen Sinterprozess durchzuführen, wird eine bisher
nicht für möglich gehaltene Steigerung in den Eigenschaften der auf Verschleiß beanspruchten
Teile aus Zirkonoxid erreicht, insbesondere hinsichtlich der hier wesentlichen Scherfestigkeit,
die sich bis auf 60 kp/mm2 und darüber steigern läßt, aber auch hinsichtlich der
Dichte und Biegebruchfestigkeit, geringer Kerbempfindlichkeit und hervorragender
Kerbausheilung.
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Nachfolgend wird die Herstellung eines Ziehkonus an einem bevorzugten
Beispiel beschrieben: 65.6 Gew.% monoklines, aus der Schmelze gewonnenes Zirkonoxid
mit einer Reinheit von mehr als 99 % wird mit )2,8 % vorstabilisiertem Zirkonoxid
und 1,6 Gew.% Magnesiumoxid unter Zugabe von Wasser in einer Schwingmühle auf eine
spezifische Oberfläche von 4 bis 6 m2/g (BET) gema.hlen.
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Die VorstabFiisierung erfolgte durch einen Difusionsprozess nach vorbekanntem
Verfahren mit 4,4 Gew.% Calciumoxid, bezogen auf das für die Vorstatilisierung eingesetzte
Zirkonoxid.
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Das so erhaltene Augangsgemisch wird unter Zugabe von so viel 10 zeiger
Polyvinylacetatlösung, daß eine gute Verpreßbarkeit gewährleistet ist, zu dem Ziehkonus
verpreßt und bei einer 0 Temperatur von 1750 C 2 Std. lang an Luft gesintert. Der
so hergestellte Ziehkonus weist eine Dichte von 5,75 g/cm3, eine 2 mittlere Korngröße
von 50vom, eine Vickershärte von 1500 kp/mm2, 2 eine Biegefestigkeit von 30 kp/mm
(gemessen an einem entsprechenden Probekörper in den Abmessungen von 6,4 x 6,4 x
25 mm) 2 und eine mittlere Scherfestigkeit von 59 kp/mm2 auf. Diese
die Mittlung aus insgesamt 30 Messungen. Dietan Rundstäben von 100 mm Länge mit
einem Durchmesser von 3 mm vorgenommen
nach DIN 50141 (Dawihl,W. und Dörre,E.
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Berichte Deutscher Keramischer Gesellschaft 43, (1966),Heft 4, Seite
281).
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1++ Scherfestlgkeit wurde
Die Verschleißfestigkeit
beträgt nach dem Amsler-Test 11 - 15/um Einlauftiefe nach 24 Std., das entspricht
einer Lebensdauer von weit mehr als 400 t Kupferdraht im schweren Mittelzug.