DE2307655B2 - Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Teile bei rinförmigen Werkzeugen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Teile bei rinförmigen Werkzeugen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung

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DE2307655B2 DE19732307655 DE2307655A DE2307655B2 DE 2307655 B2 DE2307655 B2 DE 2307655B2 DE 19732307655 DE19732307655 DE 19732307655 DE 2307655 A DE2307655 A DE 2307655A DE 2307655 B2 DE2307655 B2 DE 2307655B2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Teile bei ringförmigen Werkzeugen, wie Ziehringen, Drahtführungsrollen, Umienkrollen, insbesondere Ziehkonen, der aus bei hoher Temperatur gesintertem, mit Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid besteht, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Werkzeuges für den Drahtzug, bzw. der auf Verschleiß beanspruchten Teile des Werkzeugs.
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 Oberflächenbeschaffenheit dieser, auf Verschleiß beanspruchten Teile von ganz erheblichem Einfluß, sowohl auf die Lebensdauer dieser Werkzeuge für 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 Gleitverschleiß 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 Hartstoffe 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 DE-PS 1241781, bei dem eine Anzahl konzentrischer Ringe mit abnehmendem Durchmesser übereinander angeordnet sind und sich auf einer Welle befinden.
Die der Erfindung zugrunde liegende 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 gelten alle Ausführungen in gleicher Weise für die anderen, hohem Verschleiß ausgesetzten Teile von solchen ringförmigen Werkzeugen für den Drahtzug, wie Ziehring, Drahtführungsrolle, Umlenkrolle u. ä.
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 Alumi lumoxid 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 erheblich auftretenden Wärme von besonderer Wichtigkeit ist. Obwohl es durch dieses hochwertige Material gelungen ist, die Arbeitsgechwindigkeiten 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 gestelltwerden. 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.
Wahrscheinlich sind diese Unzulänglichkeiten darin begründet, daß gesintertes Aluminiumoxid verhältnismäßig scharfe Korngren7en hat. Wenn einmal eines dieser äußerst feinen Körner aus dem Kristallverbund 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 au» verhältnismäßig schnell weitergeht. Dabei ist besonders unangenehm, daß solche Beschädigungen zwar häufig erst nach vieljährigem Gebrauch erfolgen, aber gelegentlich auch schon nach einigen Wochen oder Monaten.
Gesintertes 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 Mangel 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 Festigkeitseigenschaften so benachteiligt, daß sie auf dem Gebiet des Drahtzuges keinen Eingang in die Technik finden konnten. So wurde beispielsweise mit' der DE-AS 2119039 bereits vorgeschlagen, Zirkoniumdioxid für Ziebkonen und ähnliche Anwendungszwecke einzusetzen, die Spalte 3, Zeile 58 gibt aber ausdrücklich an, daß Keramik auf der Basis von Aluminiumoxid besser geeignet und deshalb bevorzugt ist. Analoges gilt für die DE-OS 1926674, wo in dem Seite 6 zu Seite 7 übergehenden Absatz der Zirkoniumoxidkeramik im Vergleich zu Aluminiumoxidkeramik kein Vorteil eingeräumt wird.
Das DE-GM 7015053 und die Literaturstelle »Technische Mitteilungen« 1973 befassen sich mit flammgespritzten Materialien, die aufgrund der gänzlich andersartigen Verfahrenstechnik, die beim Flammspritzen gegenüber dim Sir <;rn von kompakter Keramik angewandt wird, nicht mit dem Anmel· degegenstand vergleichbar sind, wev die erforderlichen Eigenschaften nur durch Kombination mit ganz bestimmten Merkmalen erreicht werden können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zumindest für die auf Verschleiß beanspruchten Teile solcher Drahtziehwerkzeuge einen Werkstoff zu finden, der längere Standzeiten ermöglicht und nicht zur Beschädigung des zu ziehenden Drahtes durch scharfe Korngrenzen führt.
Überraschenderweise wurde jetzt gefunden, daß sich die aufgezeigten Nachteile mit einem Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Teile bei ringförmigen Werkzeugen, wie Ziehringen, Drahtführungsrollen, Umlenkrollen, insbesondere Ziehkonen, der aus; bei hoher Temperatur gesintertem, mit Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid besteht, durch die Kombination folgender Merkmale beseitigen lassen:
1. Ein bei Temperaturen oberhalb 1600° C gesintertes, teilstabilisiertes Zirkonoxid mit 2,5 bis. 3,3 Gew.-% Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid als Stabilisator im Werkstoff,
2. einen kubischen Phasenanteil von 75 bis 95%,
3. einer mittleren Scherfestigkeit von mehr als 45 kp/mm2.
Die überraschende Tatsache, daß es mit einem gesinterten, teilstabilisierten Zirkonoxid von so höhet 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 Drahtes sein können. 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 i? der
ι» 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 Kornverbund des erfindungsgemäß ver-
Ii wendeten Zirkonoxids die feste 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.
-1Ii Als Stabilisierungsmittel werden Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid eingesetzt, die einen Ionenradius ähnlich dem des Zirkons haben. Der Gesamtgehalt an diesen Metalloxiden im Formkörper liegt zwischen 2,5 und 3,3 Gew.-%, wobei der bevor-
:. zugte Bereich 2,6 bis 3,1 Gew.-% beträgt. Auf die besonders bevorzugte Art, mit der sie den auf Verschleiß beanspruchten Teilen einverleibt werden, wird später eingegangen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
»ι der Erfindung lassen sich die günstigen Eigenschaften des Werkstoffs noch dadurch steigern, daß die Dichte der auf Verschleiß beanspruchten Teile mehr als 5,55 g/cm3 beträgt, vorzugsweise sogar bei 5,75 bis 5,80 g/cm1 liegt und der Werkstoff eine mittlere
i, Scherfestigkeit von mehr als 55 kp/mm2 aufweist. 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
κ· sich ebenfalls in der bisher unerreichten hohen Scherfestigkeit ausdrückt.
Die hervorragenden Eigenschaften des Werkstoffes werden noch dadurch verbessert, daß bevorzugt die auf Verschleiß beanspruchten Teile eine mittlere
ii Korngröße von mehr als 35 μιη haben. Zweckmäßig liegt sie bei 40 bis 60 μιη. Ziehkonen aus gesintertem Aluminiumoxid werden dagegen vorwiegend mit einem mikrokristallinen Korngefüge verwendet, da damit eine erhebliche Steigerung der Festigkeit verbun-
,11 den ist und bei einem Kornausbruch die Störungsstelle zumindest zunächst klein gehalten werden kann. Das erfindungsgemäße Zirkonoxid hat durch die äußerst große Kornfestigkeit auch bei einem grobkörnigen Gefüge mit glatten Korngrenzen noch eine solche Fe-
-,-> stigkeit und einen so festen Kornverbund, daß die Vorteile eines gröberen Kornes von bedeutend weniger Korngrenzen als Angriffsfläche voll zur Auswirkung kommen.
Ein ganz wesentlicher weiterer Bestandteil der Er-
„o findung ist das 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 Ausgangsmaterial durch Zusatz
„-, weiterer Metalloxide wie Calciumoxid und Magnesiumoxid stabilisiert wird, in seinen Festigkeitseigenschaften nicht ausreichend und hält deshalb einem Vergleich mit Formkörpern aus gesintertem Alumini-
umoxid nicht stand. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß dieses Hindernis mangelnder Festigkeitseigenschaften und die Erzielung der erfindungsgemäß erforderlichen hohen Scherfestigkeit durch ein Verfahren erreicht werden kann, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Gemisch aus 30 bis 90 Gew.-% monoklinem Zirkonoxid, aus 7,8 bis 69,5 Gew.-% von mit Calciumoxid oder Magnesiumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid und aus 0,5 bis 2,2 Gew.-% freiem Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid auf Temperaturen oberhalb 1600° C erhitzt wird.
Dabei wird bei Verwendung der Stabilisierungsmittel Calciumoxid oder Magnesiumoxid so viel an freiem Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid dem Gemisch aus monoklinem Zirkonoxid und vorstabilisiertem Zirkonoxid zugegeben, daß der Gesamtgehalt an stabilisierenden Oxiden im Gemisch 2,7 bis 3,3 Gew.-% beträgt. Dabei hat das als Ausgangsmaterial verwendete, aus der Schmelze gewonnen Zirkonoxid zweckmäßig eine Reinheit von mehr als 99 %.
In einer zweckmäßigen Ausführung wird ein Gemisch aus monoklinem Zirkonoxid, aus mit Calciumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid und a?js freiem Magnesiumoxid auf Temperaturen oberhalb 1600° C erhitzt. Durch die Kombination von Calciumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid mit Magnesiumoxid als freiem Stabilisator läßt sich bei den auf Verschleiß beanspruchten Teilen eine Dichte bis 5,85 g/cm3 erreichen.
Durch den Kunstgriff, die an sich vom Zirkonoxid her bekannte Stabilisierung mit Metalloxiden wie Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceroxid, Ytterbiumoxid, Lanthanoxid und Yttriumoxid nur zu einem Teil bei dem Ausgangspulver vorzunehmen, 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.
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 32,8% vorstabilisiertem Zirkoicxii und 1,6 Gew.-% Magnesiumoxid unter Zugabe von Wasser in einer Schwingmühle auf eine spezifische Oberfläche von 4 bis 6 m2/g (BET) gemahlen.
Die Vorstabilisierung erfolgte durch einen Diffusionsprozeß nach vorbekanntem Verfahren mit 4,4 Gew.-% Calciumoxid, bezogen auf das für die Vorstabilisierung eingesetzte Zirkonoxid. Das so erhaltene Ausgangsgemisch wird unter Zugabe von so viel ]0%iger Polyvinylacetatlösung, daß eine gute Verpreßbarkeit gewährleistet j-,t, zu dem Ziehkonus verpreßt und bei einer Tempci-a'ur von 1750" C 2 Std. lang an Luft gesintert. Der so hergestellte Ziehkonus weist eine Dichte von 5,75 g/cm3, eine mittlere Korngröße von 50 um, eine Vickershärte von 1500 kp/mm2, eine Biegefestigkeit von 30 kp/mnr (gemessen an einem entsprechenden Probekörper in den Abmessungen von 6,4 X 6,4 X 25 mm) und eine mittlere Scherfestigkeit von 59 kg/mm2 auf. Diese Werte sind die Mittelung aus insgesamt 30 Messungen. Die Scherfestigkeit wurde an Rundstäben von 100 mm Länge mit einem Durchmesser von 3 mm vorgenommen nach DIN 50141 (Dawihl, W. und Dörre,E. »Berichte Deutscher Keramischer Gesellschaft« 43, [1966] Heft 4, Seite 281).
Die Verschleißfestigkeit beträgt nach dem Amsler-Test 11 bis 15 um Einlauf tiefe nach 24 Std.; das entspricht einer Lebensdauer von weit mehr als 400 t Kupferdraht im schweren Mittelzug.

Claims (6)

Patentansprüche;
1. Werkstoff für auf Verschleiß beanspruchte Teile bei ringförmigen Werkzeugen, wie Ziehringen, DrahtführungsroUen, Umlenkrollen, insbesondere Ziehkonen, der aus bei hoher Temperatur gesintertem, mit Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid besteht, gekennzeichnet durch die Kombination nachfolgender Merkmale:
1. ein bei Temperaturen oberhalb 1600° C gesintertes, teiistabilisiertes Zirkonoxid mit 2,5 bis 3,3 Gew.-% Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid als Stabilisator im Werkstoff,
2. einen kubischen Phasenanteil von 75 bis 95%,
3. einer mittleren Scherfestigkeit von mehr als 45 kp/mm2.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Dichte von mehr als 5,55 g/cm3 und eine mittlere Scherfestigkeit von mehr als 55 kp/ mm2.
3. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine mittlere Korngröße von mehr als 35 um.
4. Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Werkzeuges für den Drahtzug, bzw. der auf Verschleiß beanspruchten Teile des Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus 30 bis 90 Gew.-% monoklinem Zirkonoxid, aus 7,8 bis 69,5 Gew.-% von mit Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid /orstabilisiertem Zirkonoxid und aus 0,5 bis 2,2 Gew.-% freiem Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid auf Temperaturen oberhalb 1600° C erhitzt wird, wobei der Gesamtgehalt an Magnesiumoxid im Gemisch 2,7 bis 3,3 Gew.-% beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus monoklinem Zirkonoxid, aus mit Calciumoxid vorstabilisiertem Zirkonoxid und aus freiem Magnesiumoxid auf Temperaturen oberhalb 1600° C erhitzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Zirkonoxid ein aus der Schmelze gewonnenes Zirkonoxid mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99% verwendet wird.
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