DE2628003A1

DE2628003A1 - Abriebbestaendige materialzusammensetzung sowie verfahren zur herstellung eines gegenstandes aus dieser materialzusammensetzung

Info

Publication number: DE2628003A1
Application number: DE19762628003
Authority: DE
Inventors: Lowell Jacob Moen
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-04-14
Also published as: CA1057914A; US4066422A; IT1061160B; ZA763296B; JPS5244707A; FR2326478B1; GB1488805A; FR2326478A1; BR7605775A

Description

CATERPILLAR TRACTOR CO., Peoria, Illinois, 61629, U.S.A.

Abriebbeständige Materialzusammensetzung sowie Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus dieser Material-Zusammensetzung

Die Erfindung bezieht sich auf eine abriebbeständige Materialzusammensetzung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus diesem Material, wobei dieses Material insbesondere für ein Werkzeug geeignet ist, welches bei Erdbewegungsfahrzeugen Verwendung findet.

Es wurde bereits ein beträchtlicher Forschungsaufwand getrieben, um die Abriebeigenschaften von Werkzeugen u.dgl. dadurch zu verbessern, daß man das Material weiter entwickelt, aus dem diese Werkzeuge bestehen. Dabei sind diejenigen Bemühungen am erfolgversprechendsten, welche Materialzusammensetzungen für die harten Stirnflächen oder Einsätze bei Werkzeugen verwenden, wobei diese Zusammensetzungen die Verbindung von einer Vielzahl von außerordentlich abriebbeständigen Teilchen in einer Trägermatrix verwenden. Beispiele

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für diese zusammengesetzten Materialien sind den folgenden Literaturstellen zu entnehmen: US-PS 3 800 891, GB-PS 1 338 140, Deutsche Patentanmeldung P 25 15 6O8.7 und Deutsche Patentanmeldung P 25 18 607.6.

Im allgemeinen sind die bekannten zusammengesetzten Materialien (Materialzusammensetzungen), wie beispielsweise die oben erwähnten, verhältnismäßig teuer, und zwar wegen der Kosten der einzelnen Elemente der Zusammensetzung oder wegen der Kompliziertheit des dabei verwendeten Herstellungsverfahrens. Man muß natürlich bei diesen Kosten berücksichtigen, daß man eine verlängerte Abriebslebensdauer durch das neuartige zusammengesetzte Material anstelle des alten Materials erhält.

Wenn diese zusammengesetzten Materialien beispielsweise bei mit Erde in Eingriff kommenden Werkzeugen verwendet werden, so wird die Notwendigkeit ohne weiteres klar, daß bestimmte physikalische Eigenschaften bei den Materialien vorhanden sein müssen. In einer derartigen Arbeitsumgebung hat es sich herausgestellt, daß viele der bekannten abriebbeständigen Legierungen ungeeignet sind, weil sie derart hart sind, daß sie eine Sprödigkeit besitzen und daher gegenüber den häufig auftretenden Stoßen oder Schlagen nicht beständig sind. Die abriebbeständige Teilchen tragende Matrix muß zäh und stoßbeständig sein, muß aber gleichzeitig auch hinreichend hart sein, um eine relativ geringe Abriebrate aufzuweisen.

Darüber hinaus ist es erwünscht, daß die aus dem abriebbeständigen zusammengesetzten Material hergestellten Teile mit einem Substrat oder Träger durch Hartlöten oder Schweissen verbunden werden können. Dies war bislang ein Problem,

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da die physikalischen Eigenschaften des zusammengesetzten Materials durch die Verwendung von Wärme während dieses Verbindungsvorgangs, oder aber während der anschließenden Wärmebehandlung des Trägers selbst zerstört wurden.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein abriebbeständiges zusammengesetztes Material für ein Werkzeug od. dgl. vorzusehen, welches ein geringes Kosten-zu-Abriebslebensdauer-Verhältnis besitzt. Die Erfindung bezweckt ferner, ein zusammengesetztes Material vorzusehen, welches in der Lage ist, eine Vielzahl von außerordentlich abriebsbeständigen Teilchen zu umfassen und zu tragen, wobei sich das richtige Gleichgewicht zwischen Härte und Schlagwiderstandsfähigkeit ergibt. Die Erfindung sieht ferner ein zusammengesetztes Material mit den oben beschriebenen Eigenschaften vor, wobei eine Matrix vorgesehen ist, welche ihre metallurgische und/oder physikalische Struktur beibehält, ohne nachteilig durch das darauffolgende Hartlöten oder Wärmebehandeln bei der Befestigung an einem Träger beeinflußt zu werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen, Vorteile und Ziele der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Gemäß einem Grundausführungsbeispiel sieht die Erfindung ein abriebbeständiges zusammengesetztes Material vor, welches insbesondere für ein mit der Erde in Eingriff kommendes Werkzeug geeignet ist, wie beispielsweise für die Schneidkante eines Motorgraders. Ein derartiges zusammengesetztes Material umfaßt eine Vielzahl von außerordentlich abriebsbeständigen Teilchen, die in einer Eisen-Bor-Matrix eingebettet sind.

Der abriebbeständige Teilchenteil der vorliegenden Erfin-

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dung ist vorzugsweise eine einen relativ geringen Kohlenstoffgehalt aufweisende auf Chrom-Eisen basierende Legierung mit einer darin enthaltenden vorbestimmten Bormenge. Die chemische Zusammensetzung dieser Legierung ist insbesondere die folgende (Angaben in Gewichtsprozent): Chrom 25 bis 70%, Bor 6 bis 12%, Silizium weniger als 2%, Kohlenstoff weniger als 0,2%, Eisen Rest.

Diese Kombination der Elemente in den angegebenen Proportionen ergibt eine komplexe Mischung von Eisen- und Chrom-Boriden mit außerordentlich hohen Härtewerten, typischerweise von ungefähr 1200 bis ungefähr 1600 kg/mm Knoop (oder oberhalb ungefähr 70 auf der Rockwell "C"-Härteskala). Vorzugsweise wird diese Mischung in halbrunde oder sphäroidförmige Teilchen, im folgenden auch als extrem harter Schrot bezeichnet, geformt, und zwar mit Durchmessern im Bereich von 0,5 mm (0,02 Zoll) bis 2 mm (0,08 Zoll) und einer Schmelztemperatur im Bereich von 1232°C (2250⁰F) bis 1899°C (345O°F). Obwohl dieser extrem harte Schrot durch nahezu jedes übliche Verfahren hergestellt werden kann, so sei doch bemerkt, daß seine außerordentliche Härte mindestens teilweise auf seine relativ feine MikroStruktur zurückzuführen ist. Diese MikroStruktur ist auf die schnelle Abkühlung und Verfestigung der geschmolzenen Tröpfchen in die Kügelchen zurückzuführen, wenn die Tröpfchen einer geeigneten Kühlflüssigkeit ausgesetzt werden.

Es sei bemerkt, daß der oben genannte Schrot vorzugsweise in dem zusammengesetzten Material der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei aber darauf hinzuweisen ist, daß auch andere extrem abriebsbeständige Materialien zusammen mit dem gemäß der Erfindung verbesserten Matrixmaterial verwendet werden können. Vorzugsweise wären diese anderen Materialien auf Eisen basierende Legierungen mit einem Kohlenstoffgehalt, der auf weniger als 0,2% begrenzt ist, und

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zwar aus Gründen, die sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben.

Es sei nunmehr auf den die Teilchen tragenden Matrixteil der Erfindung Bezug genommen; es hat sich herausgestellt, daß diese Matrix ein relativ beträchtliches Ausmaß an Zähigkeit und Duktilität aufweist, und dabei eine beträchtlich hohe Härte für eine lange Abriebslebensdauer beibehält. Die erfindungsgemäße Matrix besitzt die folgende chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

Bor 3 bis 5 %

Kohlenstoff weniger als 0,2 % Eisen Rest.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Eisen-Bor-Matrix eine eutektische Zusammensetzung, wobei der Borgehalt auf ein Niveau von annähernd 3,8% gesteuert ist. Diese eutektische Zusammensetzung schafft eine Legierung mit einer relativ feinen ferritischen MikroStruktur und einer hohen durchschnittlichen Härte innerhalb eines Bereichs von 35 bis 45 auf der Rockwell-"C"-Skala infolge der darin vorhandenen Borid-Nadeln. Wegen des oben erwähnten Bereichs des Vorgehalts ist auch die Schmelztemperatur genau innerhalb eines relativ schmalen Bereichs von ungefähr 1161°C (2122°F) bis 1200⁰C (220O⁰F) eingestellt.

Es sei bemerkt, daß das erfindungsgemäße Matrixmaterial schmelzend das außerordentlich harte Schrot umfassend abgeschieden wird. Dies wird bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des außerordentlich harten Schrots erreicht, aber in einer Umgebung, wo die Matrix in begrenztem Ausmaß das Schrot erodiert und vollständig benetzt. Die Kompatibilität und die auf Eisen basierende Natur des Matrixmaterials und das außerordentlich harte Schrot sind

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von solcher Art, daß sich, eine verhältnismäßig feste Bindung dazwischen ergibt.

Obwohl anzunehmen ist, daß die Zusammensetzung und die Wechselwirkung der physikalischen Struktur des Chrom-Eisen-Bor-Schrots und der Eisen-Bor-Matrixteile der vorliegenden Erfindung klar aus obiger Beschreibung hervorgehen, so sei doch noch im einzelnen auf die erfindungsgemäßen Herstellungsvorgänge u.dgl. eingegangen. Aus dem erfindungsgemäßen abriebbeständigen zusammengesetzten Material kann ein Gegenstand dadurch hergestellt werden, daß man zu Beginn eine Menge des Chrom-Eisen-Bor-Schrots in einer Keramikform von gewünschter Form anordnet, worauf dann darüber eine Menge des Eisen-Bor-Legierungsmaterials zum darauffolgenden Schmelzen abgeschieden oder angeordnet wird. Die Mischung besteht vorzugsweise im wesentlichen aus 45 bis 70 Volumenprozent des außerordentlich harten Schrots. Ferner hat es sich als außerordentlich zweckmäßig herausgestellt, das Eisen-Bor-Legierungsmaterial in der Form in der Gestalt von sphäroidförmigem Schrot anzuordnen, und zwar mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesserbereich, wie er bei dem außerordentlich abriebbeständigen Schrot vorliegt, wobei das letztgenannte Material physikalisch während der weiteren Verarbeitung des zusammengesetzten Materials unverändert bleibt.

Die Keramikform und die beiden Gestalten bzw. Formen des Schrots werden sodann in einer Ofenkammer angeordnet, die darauffolgend im wesentlichen evakuiert und/oder mit einem hochreinen inerten Gas, wie beispielsweise Argon, gefüllt wird, um eine im ganzen inerte Atmosphärenart zu schaffen. Zu dieser Zeit kann eine relativ begrenzte Stickstoffgasmenge in die Kammer mit einem sehr geringen Druck eingeführt werden, um den Ofen und die Elemente des zusammen-

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ν 44.

gesetzten Materials gegenüber Verdampfungsproblemen zu schützen. Diese Stickstoffumgebung verhindert insbesondere die Verdampfung von Chrom und Bor.

Die Ofenkammer sowie die Materialien werden darauffolgend anfangs auf eine Temperatur von annähernd 1O93°C (2000° F) für eine Zeitdauer von ungefähr einer Stunde vorerhitzt, um eine gleichförmige Temperatur für die Materialien zu erhalten. Dies minimiert die Zeit, die erforderlich ist, um eine unmittelbar darauffolgende End-Heiztemperatur auf annähernd 12O4°C (220O⁰F) zu erhalten, eine Temperatur, die für annähernd 15 bis 30 Minuten aufrechterhalten wird. Während dieses End-Heizschritts wird der Eisen-Bor-Legierungsschrot geschmolzen, wobei die Schmelze infolge der Schwerkraft nach unten sinkt, um den Chrom-Eisen-Bor-Schrot vollständig zu infiltrieren und zu umschließen. Diese verminderte Zeit bei der End-Temperatur minimiert die Erosion des extrem abriebsbeständigen Schrots durch das vollständige umfassende Matrixmaterial, und schützt andererseits die ursprünglichen physikalischen Eigenschaften desselben.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, der mit der gründlichen Infiltration des geschmolzenen Matrixmaterials um den außerordentlich harten Schrot herum zu tun hat, betrifft die relative Dichte der beiden Teile. Die Dichte des außerordentlich harten Schrots ist insbesondere 6,5 g/cm , und die Dichte des Matrixmaterials ist 7,7 g/cm , so daß sich vorteilhafterweise eine geringe Tendenz für den außerordentlich harten Schrot ergibt, im geschmolzenen Matrixmaterial zu schweben. Diese Dichtedifferenz ergibt eine begrenzte Bewegungsgröße des Schrots, was gestattet, daß die Schmelze die Hohlräume ausfüllt, die um den mit relativ engem Abstand angeordneten außerordentlich harten Schrot herum vorhanden sind. Da nur ein außerordentlich kleiner Überschuß der Matrix nach Anfüllen der Leerräume vorhanden ist, ergibt sich eine relativ

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homogene und vollständig umfaßte (umschlossene) Anordnung der nicht geschmolzenen Schrotteilchen, was insgesamt eine zähere Matrix ergibt.

Schließlich wird natürlich der Ofen gekühlt und der fertige zusammengesetzte Gegenstand wird aus der Keramikform entnommen .

Der erfindungsgemäße zusammengesetzte Gegenstand kann sodann mit einem Substrat oder Träger, wie beispielsweise der Stahlschneidkante eines Erdeingriffswerkzeugs, verbunden werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann dieser. Gegenstand direkt mit dem Träger durch Hartlöten verbunden werden. Dies wird ohne nachteilige Beeinflussung der Festigkeit und Härte erreicht, und zwar weder des Matrixmaterials noch des abriebbeständigen Schrots. Selbst wenn der Stahl des Substrats durch dieses Erwärmungsverfahren abgeschwächt wurde, so kann ferner die gesamte Anordnung daraufhin der üblichen Wärmebehandlung ausgesetzt werden, um das Substrat wieder zu härten, wobei dies ohne nachteilige Beeinflussung der Eigenschaften des zusammengesetzten Materials möglich ist. Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist dies großenteils auf den verhältnismäßig geringen Prozentsatz an Kohlenstoff zurückzuführen, der sowohl in dem abriebbeständigen Schrot als auch im Matrixmaterial vorhanden ist. Ferner sei bemerkt, daß eine Keramikform und nicht eine Graphitform verwendet wird. Auf diese Weise ergibt sich im wesentlichen keine Kohlenstoffverunreinigung der Legierungen während der Heizphasen, und es können auch keine relativ hohen Temperaturen irgendwelche substantiellen Änderungen der MikroStruktur des zusammengesetzten Gegenstandes hervorrufen. Dies steht im deutlichen Gegensatz zu anderen Eisenlegierungsmaterialien mit höheren Kohlenstoffgehalten, die durch Wärme in beträchtlicher Weise physikalisch abgewandelt werden.

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Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren hat sich als außerordentlich wirkungsvoll bei der Herstellung eines weniger kostspieligen abriebbeständigen zusammengesetzten Gegenstandes erwiesen, wobei die abriebbeständigen kugelförmigen Teilchen einen außerordentlich hohen Härtewert von annähernd 1400 kg/mm Knoop aufweisen, und wobei das Matrixmaterial ein relativ hohes und typisches Härteniveau, von annähernd 42 auf der Rockwell-"C"-Härteskala zeigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein zusammengesetztes Material mit den abrasionsbeständigen sphäroidförmigen Teilchen ausgebildet, wobei die Teilchen mit relativ engem Abstand angeordnet sind, um die Abriebbahnen zu blockieren, die durch den Abrieb des etwas weicheren Materials der Matrix eingeleitet werden. Testergebnisse des abriebbeständigen zusammengesetzten Materials,in geeigneter Weise an der Schneidkante einer Erdeingriffsklinge befestigt, zeigten ein ausgezeichnetes Abriebverhältnis von annähernd dem 10-fachen des Abriebverhältnisses einer üblichen Stahlklinge oder Schneide. Dies macht die überlegenen Eigenschaften dieses zusammengesetzten Materials deutlich.

ORIGINAL INSPECTED

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Claims

Patentansprüche'

1. Abriebbeständiges zusammengesetztes Material, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer Vielzahl von abriebbeständigen Teilchen besteht, die in einer Eisen-Bor-Matrix eingebettet sind.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einer auf Chrom-Eisen basierenden Legierung hergestellt sind.

3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Chrom-Eisen-Legierung im wesentlichen aus 25 bis 70 Gewichtsprozent, 6 bis 12 Gewichtsprozent Bor und dem Rest Eisen mit Rest Verunreinigungen besteht.

4. Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisen-Bor-Matrix im wesentlichen aus 3 bis 5 Gewichtsprozent Bor und dem Rest Eisen mit restlichen Verunreinigungen besteht.

5. Abriebbeständiges zusammengesetztes Material, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus 45 bis 70 Volumenprozent einer in Teilchen vorhandenen abrasionsbeständigen Legierung besteht, die in einer Eisen-Bor-Matrix-Legieruhg eingebettet ist.

6. Abriebbeständiges Material, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer Vielzahl von abriebbeständigen Teilchen, eingebettet in einer Matrix bestehend aus im wesentlichen 3 bis 5 Gewichtsprozent Bor und dem Rest Eisen mit restlichen Verunreinigungen besteht.

7. Abriebbeständiges zusammengesetztes Material, dadurch

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gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer Vielzahl von abriebbeständigen sphäroidförmigen Teilchen besteht, die in einer im wesentlichen eutektischen Zusammensetzung aus Eisen und Bor eingebettet sind.

8. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sphäroidförmigen Teilchen Schrot sind mit Durchmessern im Bereich von 0,5 mm (0,02 Zoll) bis 2 mm (0,08 Zoll).

9. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der sphäroidförmigen Teilchen ein Metall ist und weniger als 0,2 % Kohlenstoff enthält.

10. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die eutektische Zusammensetzung weniger als 0,2 % Kohlenstoff enthält.

11. Abriebbeständiges zusammengesetztes Material, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Vielzahl von abriebbeständigen Teilchen besteht, die im wesentlichen aus annähernd 56 Gewichtsprozent Chrom, 8 Gewichtsprozent Bor und dem Rest Eisen bestehen, und wobei diese Teilchen in einer Matrix eingebettet sind, die im wesentlichen aus 3,8 % Bor und dem Rest Eisen besteht.

12. Verfahren zur Herstellung eines abriebbeständigen zusammengesetzten Gegenstandes, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Anordnung von einer Vielzahl von abriebbeständigen Teilchen in einer Form; Anordnung des Eisen-Bor-Legierungsmaterials in der Form mit den Teilchen; Erhitzung der Form zur Schmelzinfiltrierung der Eisen-Bor-Legierung vollständig um die Teilchen herum und Abkühlung und Entfernung dieses zusammengesetzten Gegenstandes aus der Form.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisen-Bor-Legierung auf der Oberseite der abriebbestän-

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digen Teilchen in der Form von sphäroidförmigen Teilchen vorgenommen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Form in einer evakuierten Atmosphäre erhitzt wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines eisenhaltigen abriebbeständigen zusammengesetzten Gegenstands, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anordnung einer Vielzahl von abriebbeständigem Schrot in einer Form; Anordnung einer Vielzahl von Eisen-Bor-Legierungsschrot auf der Oberseite des abriebbeständigen Schrots; Erhitzung der Form in einer inerten Atmosphäre zum Zwecke des Schmelzens des Eisen-Bor-Legierungsschrots und zur Hervorrufung der Infiltration vollständig um den abriebbeständigen Schrot herum, und Abkühlung sowie Entfernung des zusammengesetzten Gegenstandes aus der Form.

16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Begrenzung des individuellen Kohlenstoffgehalts des abriebbeständigen Schrots und des Eisen-Bor-Legierungsschrots auf weniger als 0,2 %.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Verwendung einer Keramikform.

18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch das Einführen einer relativ begrenzten Stickstoffgasmenge in die Atmosphäre.

19. Verfahren zur Herstellung eines eisenhaltigen abriebbeständigen zusammengesetzten Gegenstands für ein Werkzeug od.dgl., gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anordnung einer Vielzahl von abriebbeständigem Schrot in einer Form; Anordnung"einer Vielzahl von Eisen-Bor-Legierungsschrot auf der Oberseite des abriebbeständigen Schrots; Anord-

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nung der Form in einer Kammer mit einer inerten Atmosphäre; Vorerhitzung der Form auf annähernd 1O93°C (2000⁰F) zum Erhalt einer gleichförmigen Temperatur des Schrots; Unterwerfung der Form unter einen End-Erhitzungsschritt bei annähernd 12O4°C (22OO°F) für eine relativ kurze Zeitperiode, die ausreicht, um den Eisen-Bor-Legierungsschrot zu schmelzen, und um die Infiltration desselben umfassend um den abriebbeständigen Schrot herum zu bewirken, und schließlich Abkühlen sowie Entfernen des zusammengesetzten Gegenstands aus der Form.

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