DE2365108A1 - Verfahren zum herstellen von gegossenen gegenstaenden - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen von gegossenen Gegenständen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gegossenen Gegenständen und auf gegossene Gegenstände, die nach diesem Verfahren hergestellt sind, im allgemeinen und auf ein Verfahren von scheiben- und zylinderförmigen Gegenständen, deren Komponentstoffe nicht einheitlich segregiert sind und die ein hartes Randgebiet besitzen, das im wesentlichen aus einem der Komponentstoffe besteht, und ein nach diesem Verfahren hergestellter gegossener Gegenstand im besonderen.
• Scheiben- oder zylinderförmige Teile oder Werkzeuge, z.B.
• Rollen und dergl., deren Randgebiet oder umgebende Fläche zum Bearbeiten und zur Oberflächenbehandlung anderer Gegenstände verwendet wird, müssen ein sehr dauerhaftes Rend- oder Umgebungsgebiet haben. Diese Teile -oder Werkzeuge müssen eine stark erhöhte Härte am Randgebiet aufweisen, das in unmittelbarem Kontakt mit anderem Material der anderen Gegenständen gebracht wird, die bearbeitet werden müssen, um so eine hohe Abriebfestigkeit zu erhalten, während sie eine ausreichende Zähigkeit und gute Bearbeitungsfähigkeit im mittleren Bereich aufweisen müssen. Beispielsweise sind Teile und Werkzeuge für diese Zweck Führungsrollen, die bei einem Drahtziehgerät, insbesondere in eines Werk für durchgehenden Betrieb verwendet werden, die unbedingt eine sehr hohe Abriebfestigkeit besitzen müssen, weil sie sonst sich während einer verhältnismäßig kurzen Zeit abnutzen und zum Gebrauch ungeeignet werden. Deshalb wird der ganze Behandlungsvorgang zum Reparieren und Austauschen von abgenutzten Rollen durch neue beeinflußt, was viele Nachteile und Verluste mit sich bringt.
• bliche Herstellungsverfahren für solche Teile und Werkzeuge, die den erwähnten Forderungen gegenüber enthalten das Zementierverfahren, das Nitrierverfahren und die Induktions-Abschrecktechnik, bei der die Oberflächenhärte der Teile oder Werkzeuge sehr hoch ist, sowie die metallurgische Pulvertechnik, bei der eine Mischung aus pulvrigem Material hoher Härte, z.B. Wolframkarbid, Titankarbid und Chromkarbid und ein metallischer Binder in Pulverform, wie fein pulverisiertes Kobalt oder Nickel, gesin tert wird.
• Diese bisherigen Verfahren und Techniken ergeben nicht den Gegenständen immer eine ausreichende Abriebfestigkeit.
• Anderererseits ist die Sintertechnik wegen der übermäßig hohen Kosten zum Erhalt einer baulichen Einheitlichkeit an hergestellten Gegenstand und wegen der zusätzlichen Schwierigkeit, die allgemein beim Herstellen von großen Teilen oder Werkzeugen auftritt, und wegen der ungenügemden Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, nicht immer geeignet, obwohl diese Techniken dem Oberflächengebiet des gegossenen Gegenstandes eine ausreichende Abriebfestigkeit verleihen. Bei dem Verfahren, bei dem ein Randgebiet zuerst durch die Verwendung des durch die erwähnte Sintertechnik erhaltenen Materials verbereitet und damm dieses Handgebiet mit einem anderen Material oder einem anderen Gegenstand kombiniert wird, das bzwO der den Komponentenstoff in der Mitte iit Hilfe von entweder des thermischen Einschieb- oder des Schweißverfahren gebildet wird, ergibt sioh der Nachteil, daß wegen der hohen Zerbrechlichkeit des gesinterten Materials im Randgebiet es tatsächlich schwierig ist, den Stoff thermisch einzubringen, der das Randgebiet bildet. Andererseits ist das Schweißverfahren nachteilig, da es praktisch unmöglich ist, einen großen Gegenstand herzustellen, und darüber hinaus ist, der durch Schweißen hergestellte gegossene Gegenstand nicht ausreichend hitzbeständig, haftfähig und fest, Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, diese Nachteile und Unzulänglichkeiten des Verfahrens zum Herstellen zwangssegregierter gegossener Gegenstände zu beseitigen und ein verbessertes Verfahren anzugeben, das eine Zentrifugalgießtechnik zum Herstellen gegossener Gegenstände verwendet, die einen großen Unterschied in der physikalischen Eigenschaft der gegossenen Eomponentstoffe, zwischen dem am Rand und dem im mittleren Teil des Gegenstandes infolge der Zentrifugalkraft zeigt, die an diese Komponentstoffe beim Gießen angelegt wird, wobei die Komponentstoffe voneinander in ihrem spezifischen Gewicht abweichen.
• isin anderer Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Gießverfahren der beschriebenen Art, das das Herstellen von verhältnismäßig großen scheiben- oder zylinderförmigen Gußartikeln erleichtert, deren Randregion sehr abriebfest ist und deren mittleres Gebiet zäh ist und sich gut bearbeiten läßt0 Ein noch weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Gießverfahren mit folgenden Schritten: a) Vorbereiten von mindestens zwei Arten von Komponentstoffen mit verschiedenen spezifischen Gewichten; b) Erhitzen der Komponentstoffe bis nicht über den Schmelzpunkt des einen Stoffes und Bringen der sich ergebenden Materialien in eine Form; c) Drehen der Form, während die Temperatur aufrechterhalten wird; und d) Abkühlen der Stoffe in der Form, während diese gedreht wird.
• Die Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnungen erläutert.
• In diesen ist: Figur 1 ein Vertikal schnitt in graphischer Darstellung einer Gießform für das Verfahrensbeispiel nach der Erfindung; die Figuren 2A, 2B, 2C und 3A, 3B und 3C sind Photographien von Schnitten der gegossenen Genstände, die nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt sind; die Figuren 4 und 5 sind Diagramme der Verteilung der Harte des gegossenen Gegenstände nach Figur 2A bzw. 3A.
• Wie bereits erwähnt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von gegossenen Gegenständen, die zwangssegregiert sind, aus mindestens zwei verschiedenen Stoffen mit verschiedenen spezifischen Gewichten durch Erhitzen dieser Materialien, um mindestens einen oder auch alle Stoffe zu schmelzen, sie dann in eine Form zu bringen und die Form zu drehen.
• Be einer Art des Verfahrens nach der Erfindung können, wenn die Komponenten eine besondere Kombination bestimmter Stoffe darstellen, z.B. Kupfer und Wolfram oder Kupfer und Eisen, diese beiden Arten von Komponenten beide geschmolzen, dann in eine Form gebracht und gedreht werden0 Dadurch kann ebenfalls ein ausreichend zwangssegregierter gegossener Gegenstand erhalten werden0 Nach einer anderen Ausführung der Erfindung enthält das Verfahren zum Herstellen zwangssegregierter gegossener Gegenstände durch Ausbilden einer Flüssigkeit mit mindestens einer der Komponentstoffe, die dort die Form von fein pulverisierten Teilchen besitzt, und dann Gie-Ben der Flüssigkeit in eine Form und Drehen dieser. So ist es beispielsweise bei der Verwendung einer Kombination von Wolframkarbid und einer auf Kobalt basierenden feuerfesten Legierung (oder Wolframkarbid und Gußeisen oder Wolframkarbid und Co-Mo-Gußeisen) erwünscht, daß nur die letztere Legierung, d.h. die kobaltbasierende feuerfeste Legierung und Gußeisen oder Co-Mo-Gußeisen, geschmolzen, um eine Flüssigkeit zu erhalten, in der das nicht-geschmolzene, fein pulverisierte Wolframkarbid gemischt wird, und dann die Flüssigkeit in die Form gegossen und gedreht wird. Das heißt, in einem solchen Fall muß die flüssigmachende Temperatur so gewählt werden, daß sie nicht unter dem Schiaelzpunkt der einen der Materialien, aber unter dem des anderen Materials liegt.
• Im Fall der Kombination von Wolframkarbid und Mr-Co-GuX-eisen (oder einfaches Gußeisen) ist festgestellt worden, daß der zwangssegregierte gegossene Gegenstand durch Verschieben dieses Komponentenmaterials in seinem Zustand von fein pulverisierten Teilchen durch Anlegen von Zentrifugalkraft und konsolidieren der pulverisierten Teilden am Rand der Form erhalten wird. Bei Prüfungen durch Benutzung einer Kombination von Wolframkarbid und einer feuerfesten Legierung auf Kobaltbasis wird in der Wolframkarbidphase beim fertig entwickelten Segregat eine Dekompositionsreaktion beobachtet. Trotzdem wird der Zustand dieser Segregation hier als ausreichend festgestellt. Je nach den verwendeten Komponentstoff und der Heiztemperatur können gute Ergebnisse auch dann erzielt werden, wenn der ursprüngliche pulverisierte Zustand des Komponentstoffes, das nicht harte Material, d0h. Wolframkarbid, nicht ständig und genau gehalten wird, bis dessen Konsolidierung beendet ist oder auch wenn eine gewisse Dekompensationsreaktion in der Wolframkarbidphase in dem fertigen segregierten Gegenstand beobachtet wird.
• Die Erfindung wird anhand eines Beispiels beschrieben, das eine Kombination von Wolframkarbid und Cr-Mo-Gußeisen verwendete Es wird ein Bindematerial, d.h. Cr-Mo-Gußeisen mit guter Zähfestigkeit und Schneidbearbeitungsfähigkeit geschmolzen. Ferner wird ein Pulver eines Komponentmaterials mit größer Härte, d. h. Wolframkarbid, vorbereitet, das die Eigenschaft besitzt, daß es beim Kontaktieren durch ein Bad des geschmolzenen Bindemetalls eine Dekompensationsreaktion kaum entwickelt und das ein höheres spezifisches Gewicht und einen höheren Schmelzpunkt als das Bindemetall besitzt. Dieses Komponenetmaterial in Pulverform wird dem Bad geschmolzenen Bindemetalls allmählich zugesetzt, während das Bad gut umgerührt wird. Die sich ergebende Mischung wird dann in eine Form entsprechender Gestalt gegossen und die Form mit einer entsprechenden Geschwindigkeit an einer Zentrifugalgießmaschine gedreht.
• Hierauf wird das sehr harte Pulver mit hohem spezifischen Gewicht, daß sich im Bad von geschmolzenen Bindematerial befindet progressiv beim Drehen der Form infolge der Zentrifugalkraft am pulverförmigen Material zur Randregion der From gebracht. Das Gebiet der Mischung der Komponentenstoffe, die sich ursprünglich im Randteil der Form befindet, wird jetzt eine höhere Dichte der feinen, sehr harten Teilchen aus Wolframkarbid erlangen als das Gebiet der Mischung im mittleren Teil der From. Die Bindemetallteilchen werden Jetzt verteilt und befinden sich in den Fugen zwischen den feinen Wolfraskarbidteilchen. Durch die Verschiebung der feinen, sehr harten Teilchen an die Randregion der Form wird andererseits die Randregion vorwiegend mit den Bindemetallteilchen gefüllt. Folglich erhält der gegossene Gegenstand, der dann durch AbtHhlen und Erstarren des Schmelzkörpers erhalten wird, eine solche Struktur, daß die Randregion des gegossenen Gegenstandes Ton einer Schicht gebildet wird, die aus einer Mischung feiner Teilchen aus dem sehr harten Eoxponentenstoff und einer sehr-kleinen Menge von Bindemetallteilchen besteht, die nur ausreichen, die feinen Teilchen des sehr harten Komponentenstoffs zu binden, während ii mittleren Gebiet des gegossenen Körpers eine Schicht gebildet wird, die fast nur aus den Bindemetallteilchen besteht. Die Randregion des gegossenen Gegenstandes besitzt dann eine sehr große Härte und eine ausreichende Abriebfestigkeit. Die Dichte der Teilchen des harten Materials im gegossenen Gegenstand nimmt progressiv ab, wenn sie aus der Randregion in das mittlere Gebiet kommen, wobei auch die Härte progressiv mit der Dichte der Teilchen abnimmt, dafür aber die Schneidfähigkeit oder Bearbeitungfähigkeit und die Zähfestigkeit zunimmt. Es ist somit möglich, einen gegossenen Gegenstand herzustellen, der ausreichend gut fertiggestellt werden kann, z.B. durch Bohren von Löchern zur Aufnahme von Wellen.
• Das sehr harte Material und das Bindemetall, die beim Verfahren nach der Erfindung verwendet werden, brauchen nicht von besonderer Beschaffenheit zu sein, mit Ausnahme der Wahl der Anwendung nach der Erfindung0 Dagegen können sie so beschaffen sein, wie sie bei üblichen Sinterverfahren verwendet werden, wobei deren Auswahl so erfolgt, daß sie den Erfordernissen in bezug auf die spezifischen Gewichte und Schmelzpunkte zum richtigen Ausführen des Verfahrens genügen Die Erfindung wird in bezug auf deren Wirkung und Vorteile mit Hilfe des nachstehenden Beispiels erläutert.
• Das nachstehende Wolframkarbid und die hitzebeständige Legierung auf Kobaltbasis (Zusammensetzung Co 66 %, Cr 26 %, W 5 *, C 1 *), bei der das harte Material und das Bindemetall verwendet werden, sind: Spez.Gew. Schmelz- Härte in punkt Mikro-Vickers WC 15,77 2600° a 175o Legierung auf Co-Baeis 8,31 1300° C 400 Die Begierung auf Co-Basis wird in einem Induktionsofen bei 1500° C geschmolzen. Beim Rühren der Schmelze mit einer keramischen Stange wird WC-Pulver mit einer Korngröße von 80 bis 160 Maschen langsam der Schmelze zugegeben, bis die WC-Dichte 30 % des Gewichts erreicht hat.
• Danach wird die Mischung in eine keramische Form mit einem Innendurchmesser von 60 mm und einem Querschnitt z.B. nach Figur 1 gegossen. Die Mischung kühlt dann ab und er8tarrt, während die Form bei einer Geschwindigkeit von 1400 Umdr/min gedreht wird. Diese Geschwindigkeit kann entsprechend im Bereich von ioo bis 20 ooo Umdr/min gewählt werden. Der sich ergebende gegossene Gegenstand wird in einer Ebene geschnitten, die durch dessen Mittelachse hindurchgeht, und poliert. Figur 2A zeigt eine photographische Aufnahme des polierten Abschnitts dieses gegossenen Gegenstandes. Figur 2B ist eine photographische Aufnahme des Zustandes desselben Gegenstandes nach Figur 2A, nachdem er einer Ätzbehandlung unterzogen worden ist. Die Figuren 2C und 2D sind (50mal) vergrößerte Ihotographien der Gegenstande der Figuren 2A und 2B. Figur 3A ist eine photographisohe Aufnahme des Abschnitts eines in derselben Weise hergestellten gegossenen Gegenstandes wie im vorstehenden Beispiel, nur daß Cr-Mo-Gußeisen mit der nachstehend angegebenen Zusammensetzung als Bindematerial verwendet wird und die Kühlung des gegossenen Gegenstandes im Ofen erfolgt ist, nachdem der Gegenstand etwa eine Stunde lang einer Temperatur von 900° C ausgesetzt war.
• Zusammensetzung des Cr-Mo-Gußeisens C Si Mn Cr Mo 2,4 1,6 o,8 3,0 1,3 bei einem Schmelzpunkt von 1200 bis 13000 C und einem spezifischen Gewicht von etwa 7,20 Figur 3B ist eine vergrößerte Photographie des Gegenstandes nach Figur 3A. Figur 3C ist eine weitere vergrößerte Photographie des Gegenstandes nach Figur 3A. Figur 3D ist eine photographische Aufnahme in 50 facher Vergrößerung des Gegenstandes nach Figur 3A und zeigt den Zustand dieses Gegenstandes nach einer Ätzbehandlung. In jeder dieser photographischen Aufnahmen, die Querschnittte zeigen5 stellt die Oberseite die Randregion und die Unterseite das mittlere Gebiet des gegossenen Gegenstand des dar. Die Figuren 4 und 5 zeigen die Härteverteilungen in den Schnitten nach den Figuren 2A und 2Bo Aus diesen Figuren geht hervor, daß das-harte Material in der Randregion konzentriert ist und eine Schicht bildet und daß das andere Gebiet praktisch aus dem Bindemetall allein besteht und ferner daß die Härteverteilung derart ist, daß eine größere Härte sich nr an der Randregion er£;ibt und in anderen Teilen der gegossene Gegenstand eine geringere Härte aufweist.
• Ein Beispiel des Gußeisens, das bei der Erfindung als Bindemetall wird, besitzt folgende Zusammen C Si Mn P 5 Cr 3,3 1,9 0,8 0,2 0,1 0,2 Schmelzpunkt 1200 bis 1100°C spezifisches Gewicht etwa 7,1.
• Es sind nur die Fälle beschrieben worden, in denen sich das harte Material in der Randregion eines zylindrischen gegossenen Gegenstandes befindet. Die Erfindung ist natürlich nicht auf solche Fälle beschränkt und enthält auch verschiedene Abänderungen. ZoBo k können Stoffe mit niedrigeren spezifischen Gewichten in das mittlere Gebiet segregiert werden. Ferner ist die Eigenschaft des Materials, das durch die Segregierung verwendet werden muß, nicht auf die Abriebfestigkeit begrenzt, die durch die Segregierung oder durch besondere Behandlung von sehr hartem Material verbessert werden kann.
• die eigentlichen Eigenschaften eines magnetischen Materials, eines feuerfesten Materials, eines korrosionsbeständigen Materials, eine elektrisch- leitenden Materials und anderer Materialien können für sich teilweise durch spezifische Segregation dieser Materialien abgeändert werden. D. h. daß eine Kombination der gewünschten verschiedenen Eigenschaften in der Oberflächenregion gegeben sein kann, wenn der Unterschied in den spezifischen Gewichten und den Schmelzpunkten entsprechend genutzt wird. Für die zu verwendende Form und das erfasn des Drehens des ist es allgemeine Praxis, daß die Drehachse des scheibeförmigen oder zylindrischen Gegenstandes, der gegossen werden soll, sich in der Form befindet. Wenn es jedoch notwendig ist, ist die Form des zu gießenden Gegnstandes nicht auf Scheibe oder Zylinder beschränkt und eine solche Rotation, bei der die Drehachse sich außerhalb der Form befindet, ist ebenfalls möglich.
• Gemäß der Erfindung können leicht verschiedenartige segregierte gegossene Gegenstande hergestellt werden, bei denen spezifische Komponentstoffe durch ein Zentrifugalgießverfahren segregiert werden, das vom Unterschied der spezifischen Gewichte der verwendeten Komponentstoffe Gebrauch macht. Das Verfahren nach der Erfindung ist somit bein Herstellen von scheibenförmigen oder zylindrischen gegossenen Gegenständen sehr zweckmäßig.
• Zusanenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von ziangssegregierten gegossenen Gegenständen zur Verwendung als Bearbeitungswerkzeug oder Teil mit folgenden Schritten: a) Vorbereiten von mindestens zwei Materialien verschiedener Art, die sich voneinander in spezifischen Gewicht unterscheiden; b) Erhitzen dieser Materialien bei einer Temperatur, die nicht niedriger als der Schmelzpunkt des einen Materials ist, um nindestens eines der Materialien zu schnelzen, und Bringen der sich ergebenden Stoffe in eine Form; c) Drehen der Form unter Beibehaltung der Temperatur; und d) Abkiihlen der Stoffe in der Form, während diese gedreht wird0 Mindestens einer der Stoffe kann als fein pulverisierte Teilchen in die Form gebracht werden. Der so hergestellte gegossene Gegenstand kann aus einer Randregion mit vorherrsokend einem Segregat eines Stoffs mit hohen spezifischen Gewicht und einem mittleren Gebiet mit einem Stoff von vorwiegend niedrigerem spezifischen Gewicht bestehen.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von zwangssegregierten Gegenständen, gekennzeichnet durch Vorbereiten von. mindestens zwei Arten von Eomponentstoffen, die sich voneinander in ihren spezifischen Gewicht ten unterscheiden, Erhitzen der Stoffe bei einer Temperatur, die niedriger als die Schmelztemperatur des einen Stoffes ist, um mindestens einen Stoff zu schmelzen, und Einbringen der sich ergebenden Komponentstoffe in eine Form; Drehen der Form unter Beibehalten der Temperatur; und Kühlen der Stoffe in der Form, während sie gedreht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen zum Schmelzen aller Komponentstoffe führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiztemperatur nicht niedriger als der niedrigste Schmelzpunkt der Komponentstoffe, aber niedriger als der höchste dieser Schmelzpunkte ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich von den ergebenden Komponentmaterialien, die in die Form gebracht werden, mindestens eines nicht-schmelzende, fein pulverisierte Teilchen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht geschmolzenen Teilchen in die durch Zentrifugalkraft gedrehte Form gebracht werden und dort erstarren.

6. Zwangssegregierter gegossener Gegenstand, der nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Randregion mit vorwiegend einem Segregat eines Materials mit einem hoheren spezifischen Gewicht als die anderen verwendeten Eomponentstoffe und ein mittleres Gebiet mit vorwiegend einem anderen Material mit einem niedrigeren spe zifischen Gewicht besitzt.

7. Gegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem höheren spezifischen Gewicht härter ist und die Form fein pulverisierter Teilchen aufweist und das Material mit dem größeren spezifischen Gewicht weniger hart und sehr zähfest ist.

8. Gegenstand nach Anspruch ?, dadurch gekennzeichnet, daß das harte Material aus Karbiden und das weniger harte Material aus Bindemetallen ausgewählt ist.

9. Gegenstand nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Karbid Wolframkarbid ist und das Bindemetall ein Gußeisen, Cr-Mo-Gußeisen oder eine Legierung auf Co-Basis ist.