DE2612210B1

DE2612210B1 - Verbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2612210B1
Application number: DE19762612210
Authority: DE
Inventors: Werner Buechele; Hans Dr-Ing Wahl; Wolfgang Dr-Ing Wahl
Original assignee: Wahl Verschleiss Tech
Current assignee: Wahl Verschleiss Tech
Priority date: 1976-03-23
Filing date: 1976-03-23
Publication date: 1977-09-22
Also published as: DE2612210C2; BE852790A

Description

Anstelle von regelmäßigen Parallelnuten kann auch ein System sich kreuzender Nuten oder Löcher, Mulden etc. vorgesehen werden oder letztlich entsprechende Leisten, Stege oder vorgefertigte Rippensysteme auf die Grundkörperoberfläche aufgeschweißt
werden.
Es hat sich gezeigt, daß man bei diesem Herstellverfahren alle Größenangaben zweckmäßig in Schweißraupenhöhen macht, wobei eine normale Schweißraupenhöhe etwa F5 mm beträgt.
So soll z. B. die Tiefe 11 der Ausnehmungen 34 bis 40 senkrecht zur Grundkörperoberfläche 2-3 mindestens 2 Schweißraupenhöhen, also mindestens 8-10 mm, betragen. Jedoch soll die verbleibende Grundkörperstärke 12 vom inneren Ende der Verwurzelungen 4 bis 10 bis zur gegenüberliegenden Grundkörperunterfläche 13-14 mindestens 2 Schweißraupenhöhen, also mindestens 8-10 mm betragen, um eine genügende Bruchfestigkeit des Grundkörpers zu bewahren. Die Breite 15 der Nuten soll ebenfalls mindestens 2 Schweißraupenhöhen (8-10 mm) betragen, und der Querschnitt der Nuten 4 bis 10 soll eine leicht ausschweißbare, zweckmäßig nach oben sich erweiternde Form besitzen. Beide letztgenannten Maßnahmen dienen der Erleichterung der späteren Ausschweißung der Nuten.
Die zwischen den Ausnehmungen 34 bis 40 stehenbleibenden Stege 16, 17, 18, 19, 20... sollen eine Breite von mindestens 24 Schweißraupenhöhen besitzen, um nicht beim Ausschweißen der Ausnehmungen großenteils abgeschmolzen zu werden und, um im späteren praktischen Betrieb eine ausreichende Abstützung des Schutzkörpers gegen Horizontalkräfte zu bieten. Die Hauptrichtung der Ausnehmungen 34 bis 40 wird quer oder schräg zur Bewegungsrichtung 21-22 der im Betrieb über den Grundkörper hinweggleitenden, verschleißend wirkenden Stoffe gewählt, damit die weichen Stege 1620 nicht besonders tief ausgespült werden.
Nach dieser Vorbereitung werden zunächst die Ausnehmungen 34 bis 40 mit einem harten, spröden Auftragsschweißwerkstoff vollständig bis zur Grundkörperoberfläche 2-3 durch Auftragsschweißung aufgefüllt, wobei sich die Wandungen der Ausnehmungen 34 bis 40 innig, trennfest und kraftübertragend mit den Verwurzelungen 4 bis 10 verbinden.
Zum Schluß werden die Außenflächen der so erzeugten Schweißwurzeln 4 bis 10 und der Stege 16 bis 20 zusammenhängend ebenfalls mit einer Auftragsschicht 2-3-23-24-2 von mindestens einer, zweckmäßig 2, in Ausnahmefällen mehr Schweißraupenhöhen überschweißt.
Der Grundkörper 1 ist nunmehr an den verschleißgefährdeten Stellen mit einer zusammenhängenden Auftragsschicht 2-3-23-24-2 überzogen, die mit den die Ausnehmungen füllenden Verwurzelungen 4 bis 10 innig mit dem Grundkörper verhaftet und damit gegen Ablösung und Ausbrüche gut geschützt ist.
Senkrecht zur Grundkörperoberfläche 2-3 wirkende Kräfte oder Stöße werden von den zähen Stegen 16 bis 20, waagerechte Kräfte und Stöße von den zähen Wandungen der Ausnehmungen 34 bis 40 aufgenommen. Es ist damit weitgehender Schutz gegen Kräfte und Stöße gegeben.
Der Verschleiß beginnt in der Ebene 2324 in Richtung auf das Innere des Grundkörpers, senkrecht zu dessen Oberfläche. Es dauert ziemlich lange, bis die Abnutzung zur Ebene 23 des Grundkörpers fortgeschritten ist; in diesem Zeitpunkt wäre die Schutzwirkung einer normalen, nicht verwurzelten Auftragsschweißung erschöpft und der Grundkörper ausbaureif. Bei einem Grundkörper gemäß vorliegender Erfindung dagegen beginnt jetzt die 2. Phase der Schutzwirkung, nämlich die Schutzwirkung der Schweißwurzeln, die nunmehr zwischen den weicheren Stegen 16 bis 20 stehen und zufolge ihres höheren Verschleißwiderstandes im Abnutzungszustand über diese Stege etwas herausragen. Damit entsteht eine Art Sprungschanzenwirkung, indem das in Richtung 21-22 gleitende oder strömende Betriebsmittel von den etwas herausragenden Wurzelköpfen geführt und sprungschanzenartig über die weicheren, etwas zurückstehenden Stege 16 bis 20 zum nächsten hervorragenden Wurzelkopf geleitet wird. Auf diese Weise entsteht eine wellige Grundkörperoberfläche wie bei 25-26 dargestellt. Die Schweißwurzeln wirken stark verschleißhemmend und erhöhen die Lebensdauer des Teiles ganz beträchtlich gegenüber einem nur oberflächlich beschweißten Teil. Die Schutzwirkung der Schweißwurzeln endet erst, wenn die Abnutzung bis zu deren innerem Ende fortgeschritten ist.
Als Auftragsschweißwerkstoff wird zweckmäßig ein harter, spröder Werkstoff, z. B. ein karbidbildender Werkstoff gewählt, z. B. von der Zusammensetzung 2- 5 Gewichtsprozent Kohlenstoff 15-50 Gewichtsprozent Chrom 0-30 Gewichtsprozent Wolfram W30 Gewichtsprozent Nickel 0-30 Gewichtsprozent Molybdän 0-30 Gewichtsprozent Niob 0-30 Gewichtsprozent Kupfer 0-30 Gewichtsprozent Mangan Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
Dieser Werkstoff ist durch das erfindungsgemäße Verfahren trotz seiner hohen Härte und Sprödigkeit gut gegen Ausbrüche und Abblätterungen geschützt und gegen Normalkräfte und Horizontalkräfte wirksam abgestützt.
Die Härte (Vickers) der Auftragsschweißung wird zweckmäßig mindestens dreifach so hoch gewählt als die Härte des Grundkörpers.
Anstelle der vorgesehenen Auftragsschweißung kann der erfindungsgemäße Schutzkörper auch durch Einsintern, Eingießen oder ähnliches den flüssigen oder teigigen Aggregatzustand der Werkstoffe benutzenden Arbeitsmethode hergestellt werden.
Die Ausnehmungen 4 bis 10 werden so groß und zahlreich angeordnet, daß sie etwa 30-80% der gesamten zu schützenden Grundkörperoberfläche überdecken. Im Falle des Überströmens des Mehrstoff-Metallkörpers durch verschleißverursachende Stoffe, z. B. Mineralien, werden die Ausnehmungen und Verwurzelungen vorzugsweise mit 20-90" C gegen die Strömungsrichtung 21-22 geneigt ausgebildet.
In der zweiten Abnutzungsphase, d. h. nach Abnutzung der Außenschicht 2-3-23-24-2 des Schutzkörpers, werden die Hartstoffverwurzelungen infolge höheren Verschleißwiderstandes etwas erhaben bleiben und den Betriebsstoff nach Art einer Sprungschanze über die weicheren Grundstoffflächen hinweg leiten. Dadurch ergibt sich eine wellenförmige Abnutzungslinie, wie zwischen 25 und 26 eingetragen. Es ist vorteilhaft, die Breite der Stege 16, 17, 18, 19, 20 auf Grund von einigen Versuchen so zu wählen, daß die Amplitude der wellenförmigen Abnutzungslinie höchstens die Höhe einer normalen Auftragsschweißraupe, d. h. höchstens 5 mm ergibt; in diesem Fall bleibt die hinreichende seitliche Abstützung der Schweißwurzeln nahezu ungeschmälert erhalten.
Mehrstoff-Metallkörper der vorgenannten Art sind gegenüber einfachen Auftragsschweißungen in stark erhöhtem Umfange gegen Verschleiß geschützt, da nach Abnutzung der Deckschicht des Schutzkörpers ein weiterer Verschleißschutz durch die Verwurzelungen desselben bewirkt wird. Die Verbindung des Schutzkörpers mit dem Grundkörper ist so innig und vielseitig, daß auch durch größere vertikale oder horizontale Kräfte keine Trennung bewirkt wird. Auch Abplatzungen beim Schweißen werden verhindert.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Ver- wendung hochharter, hochverschleißfester Werkstoffe für den Schutzkörper und die Erzielung einer beträchtlich höheren abnutzbaren Tiefe als bei anderen Schutzverfahren, insbesondere gegenüber normaler Auftragsschweißung. Dabei ist das Verfahren stoffsparend und arbeitsintensiv. Das Verfahren läßt sich für Grundkörper der verschiedensten Formen und Größen anwenden. Auch eine Automatisierung des Verfahrens ist bei Behandlung gleichartiger Teile leicht möglich.

Claims

Patentansprüche: 1. Verbundkörper aus miteinander formschlüssig verzahnten Metallschichten, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Grundkörper (1) aus zähem, gut schweißbaren Werkstoff und einem Schutzkörper aus Hartstoff zusammengesetzt ist, welcher aus einer die Oberfläche des Grundkörpers (1) bedeckenden Außenschicht (2, 3, 23, 24) und daran anschließenden, etwa senkrecht zur Oberfläche des Grundkörpers (1) ins Innere desselben hineinragenden Verwurzelungen (4-10) besteht.
2. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff ein karbidbildender Werkstoff ist.
3. Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff ein Werkstoff ist mit folgender Zusammensetzung: 2- 5 Gewichtsprozent Kohlenstoff 15-50 Gewichtsprozent Chrom 0-30 Gewichtsprozent Wolfram 0-30 Gewichtsprozent Nickel 0-30 Gewichtsprozent Molybdän 0-30 Gewichtsprozent Niob 0-30 Gewichtsprozent Kupfer 0-30 Gewichtsprozent Mangan Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.
4. Verbundkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Grundkörper (1) und Schutzkörper zwei Werkstoffe dienen, deren (Vickers-)Härten sich mindestens wie 1 : 3 verhalten.
5. Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufnahmen für die Verwurzelungen (4 bis 10) des Schutzkörpers im Grundkörper (1) mehrere ins Innere des Grundkörpers (1) reichende Ausnehmungen (34-40), wie Nuten, Löcher, Rücksprünge oder sich nach außen erstreckende Rippen oder Stege angeordnet sind.
6. Verbundkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3440) im Grundkörper (1) einen abgerundeten oder sich nach außen erweiternden Querschnitt aufweisen.
7. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (34-40) im Grundkörper (1) als parallele Nuten oder Rillen ausgebildet sind.
8. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausnehmungen (34-40) sich gegenseitig überschneidende Nuten im Grundkörper angeordnet sind.
9. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (11) der Ausnehmungen (3440) im Grundkörper (1) mindestens 2 normalen Schweißraupenhöhen entspricht, also mindestens 8-10 mm beträgt.
10.Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausnehmungen (34-40) im Grundkörper (1) Nuten dienen, deren äußere Nutenbreite (15) etwa der Nutentiefe (11) entspricht.
11. Verbundkörper nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleibende Wandstärke (12) zwischen dem Grund der Aus- nehmungen (3440) und der gegenüberliegenden Grundkörper-Oberfläche (13-14) mindestens zwei Schweißraupenhöhen (8-10 mm) entspricht.
12. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zwischen den Ausnehmungen (3440) stehenbleibenden Teile (16-20) der Grundkörper-Oberfläche (2, 3) mindestens 24 Schweißraupenhöhen (8-20 mm) entspricht.
13. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (34-40) so groß ausgebildet und in einer derartigen Anzahl angeordnet sind, daß sie etwa 20-70% der gesamten zu schützenden Grundoberfläche (23) überdecken.
14. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3440) und Verwurzelungen (4-10) um 20-90 Grad gegen die Strömungsrichtung (21, 22) der verschleißverursachenden Stoffe geneigt sind.
15. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1-5 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zwischen den mit Hartstoff ausgefüllten Ausnehmungen (34-40) stehenbleibenden Grundkörperteile (16-20) so bemessen ist, daß sie sich in der zweiten Abnutzungsphase [nach Abnutzung der Außenschicht (2, 3, 23, 24, 2) des Schutzkörpers] infolge der Sprungschanzenwirkung der Hartstoffverwurzelungen (4-10) ergebende, wellenförmige Abnutzung (25-26) mit Wellenbergen an den harten Hartstoffverwurzelungen (4-10) und Wellentälern an den Teilen (1620) der weichen Grundkörper-Oberflächen (2,3), Wellenamplituden von höchstens der Höhe einer normalen Auftragsschweißraupe, d. h.

höchstens 4-5 mm ergibt.
16. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Grundkörper-Oberfläche (2,3) mehrere Ausnehmungen (34-40) vorgesehen werden, die senkrecht zur Grundkörper-Oberfläche (2, 3) mindestens zwei Schweißraupenhöhen (also mindestens 8-10 mm) tief in das Grundkörperinnere hineinragen, aber mindestens zwei Schweißraupenhöhen über der gegenüberliegenden Grundkörper-Oberfläche (13-14) enden, eine Breite in der Grundkörper-Oberfläche von mindestens zwei Schweißraupenhöhen und einen Querschnitt von leicht ausschweißbarer nach oben sich erweiternder Form besitzen, wobei die zwischen den Ausnehmungen (3440) stehenbleibenden Stege (1620) im Grundkörper eine Breite von mindestens 2-4 Schweißraupenhöhen (also etwa mindestens 8-20 mm) besitzen und wobei die Hauptrichtung der Ausnehmungen quer oder schräg zur Bewegungsrichtung (21-22) der im Betrieb über den Schutzkörper hinweggleitenden, verschleißend wirkenden Stoffe verläuft, und daß diese Ausnehmungen (3440) mittels Auftragsschweißung mit einem harten, spröden Auftragsschweißwerkstoff bis auf ihren Grund aufgefüllt werden und daß die Außenflächen der so erzeugten Schweißwurzeln (4-10) und der stehengebliebenen Grundkörperstege (1620) zusammenhängend ebenfalls mit mindestens einer Schweißraupenlage überschweißt werden.
17. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzkörper aus Hartstoff in flüssigem oder teigigem Aggregatzustand auf den Grundkörper (1) durch Auftragsschweißung, Aufsintern oder Aufgießen, aufgebracht wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundkörper aus miteinander formschlüssig verzahnten Metallschichten sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundkörpers.

Viele Anlagenteile und Maschinenteile unterliegen im praktischen Betrieb hoher Verschleißbeanspruchung an der Oberfläche, z. B. durch darübergleitende, strömende, aufprallende, aufgedrückte, evtl. im Zerkleinerungsstadium befindliche mineralische Betriebsstoffe verschiedener Form, Art, Scharfkantigkeit etc. Viele dieser Anlagenteile und Maschinenteile erleiden zusätzlich zur Verschleißbeanspruchung gleichzeitig eine starke Beanspruchung auf Schlag, Biegung und dergleichen.

In solchen Fällen zweifacher Beanspruchung erfordert die oberflächliche Verschleißbeanspruchung einen Oberflächenschutz durch im allgemeinen sehr harte, aber spröde und gegen Schlagbeanspruchung und Loslösung vom Untergrund wenig widerstandsfähige Werkstoffe, z. B. Chrom-Karbid-Bildner. Im Gegensatz dazu erfordert die Widerstandsfähigkeit gegen Schlag und andere mechanische Beanspruchungen die Verwendung weicher und zäher, deshalb aber nur sehr wenig verschleißfester Werkstoffe.

Man hat Teile der genannten Art bereits im Verbundguß hergestellt, wobei aber die gute Bindung zwischen sprödharter Oberschicht und zäher Unterschicht nur mit größerem Aufwand, z. B. mit hoher Vorwärmung, und selbst dann nicht immer sicher zu erzielen war.

Man hat auch verschleißbeanspruchte Teile aller Art mit einer Auftragsschweißschicht aus hartem Schweißwerkstoff versehen. Dabei kommt man aber selten zu Auftragshöhen über zwei Schweißraupenhöhen hinaus; bei Überschreitung dieser Auftragshöhen platzen vielfach schon bei der Auftragsschweißung ganze Auftragsteile heraus, lösen sich vom Untergrund ab oder splittern nach Bildung breiter Risse weg. Die Verankerung einer ebenen Auftragsschicht auf einem ebenfalls ebenen Untergrund ist meist mangelhaft, und schon mäßige Stöße oder Biegebeanspruchungen führen im praktischen Betrieb zu Teilzerstörungen. An diesen Teilzerstörungen greift die weitere Verschleißbeanspruchung bevorzugt an und führt bald zur Totalzerstörung des Überzugs, wonach der ungeschützte Untergrund mit großer Geschwindigkeit ebenfalls zerstört und der ganze Teil endgültig betriebsunbrauchbar wird.

Selbst wenn die ebene Auftragsschicht nicht, wie vorstehend beschrieben, vorzeitig zerstört wird, wird ihr abnutzbares Volumen in Höhe von 1-2 Schweißraupenhöhen, d. h. etwa F8 mm, verhältnismäßig rasch durchgeschliffen sein; dann beginnt die Abnutzung an der weichen Grundschicht mit dem Ergebnis einer raschen Beendigung der Lebensdauer; nach Durchschliff der ebenen, obersten Schutzschicht be- steht keinerlei Schutzwirkung mehr.

Durch die DT-OS 1627754 und die DT-PS 354543 sind bereits Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern bekannt geworden, die aus miteinander formschlüssig verzahnten Metallschichten bestehen. Es handelt sich bei den Gegenständen dieser Druckschriften nicht um Verbundkörper, die dazu vorgesehen oder auch nur geeignet sind, starken mechanischen Verschleißbeanspruchungen dauerhaft standzuhalten. Bei dem bekannten Verfahren nach der DT-OS 1627754 soll vielmehr eine dichte Verbindung von Werkstoffen, die miteinander nicht oder schlecht verschweißbar oder lötbar sind, geschaffen werden. Auch bei dem nach der aus der DT-PS 354543 entnehmbaren Verfahren hergestellten Verbundkörper wird weniger auf Verschleißfestigkeit, sondern vielmehr auf sicheren Zusammenhalt von mehreren aufeinander befestigten Metallschichten Wert gelegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, bei einem Verbundkörper der eingangs bezeichneten Art einerseits eine vorzeitige Teilzerstörung der harten Oberflächenschicht zu vermeiden und gleichzeitig für eine optimale Tiefenschutzwirkung der Oberflächenschicht zu sorgen.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird die geschilderte Doppelproblematik bei einem Verbundkörper der eingangs genannten Art in wirksamer Weise dadurch gelöst, daß der Verbundkörper aus einem Grundkörper aus zähem, gut schweißbaren Werkstoff und einem Schutzkörper aus Hartstoff zusammengesetzt ist, welcher aus einer die Oberfläche des Grundkörpers bedeckenden Außenschicht und daran anschließenden, etwa senkrecht zur Oberfläche des Grundkörpers ins Innere desselben hineinragenden Verwurzelungen besteht.

Der erfindungsgemäße Verbundkörper zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe Verschleißfestigkeit auch dann noch aus, wenn die die Oberfläche des Grundkörpers bedeckende Hartstoffschicht bereits durch mechanische Beanspruchung abgetragen ist.

Für eine weiterhin hohe Verschleißbeständigkeit des Verbundkörpers sorgen nämlich dann die tief ins Innere des Grundkörpers ragenden erfindungsgemäßen Hartstoff-Verwurzelungen. Der erfindungsgemäße Verbundkörper ist damit bis in beträchtliche Tiefen hinein verschleißgeschützt.

Die Erfindung kann nach der Lehre der Unteransprüche weiter ausgestaltet werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt, und zwar zeigt Abb. 1 die Aufsicht auf einen Mehrstoff-Metallkörper gemäß Erfindung nach der Fertigstellung, und Abb. 2 einen Schnitt durch Abb. 1 längs der Ebene II-II.

Es stellt dar: Abb. 1 einen in diesem Falle plattenförmigen Grundkörper aus zähem, schweißbaren, aber wenig verschleißfesten metallischen Werkstoff.

In die Oberfläche 23 dieses Grundkörpers, wo der Verschleißschutz erfolgen soll, werden mehrere Ausnehmungen 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, in diesem Fall parallele Nuten, vorgesehen. Entweder werden die Nuten vorgegossen oder autogen herausgearbeitet.