DE2704702C2

DE2704702C2 -

Info

Publication number: DE2704702C2
Application number: DE2704702A
Authority: DE
Inventors: Karl Sven Gustav Saltsjoe-Boo Se Ekemar; Udo Vaellingby Se Fischer
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1976-02-05
Filing date: 1977-02-04
Publication date: 1988-09-22
Also published as: DK153411C; DK153411B; NL7701209A; FR2340379A1; GB1574884A; JPS52107203A; FI770388A; ES455663A1; SE399911C; DK48877A; FI62345B; JPS6011096B2; DE2704702A1; SE399911B; CA1091956A; IT1077507B; SE7601289L; FI62345C; NL188297C; US4119459A

Description

Die Erfindung betrifft einen Metallkörper mit hohem Verschleiß widerstand und gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit und Zähigkeit, der aus Hartmetall oder reinen Metallkarbiden in Form von Stücken, gemahlenen Teilchen, Pulver oder gepreßten Körpern, eingebunden in einer Matrix aus graphitischem Guß eisen besteht.

Solche Metallkörper sind z. B. Verschleißteile, wie Verschleiß elemente in Maschinenteilen, Instrumenten, Werkzeugen usw., insbesondere einem großen Verschleiß ausgesetzte Komponenten. Unter anderem können Konstruktionselemente verschiedener Arten, die unter Verschleißbedingungen verwendet werden, und Schneid körper erwähnt werden, die zur Bearbeitung oder zum Schneiden von Material geeignet sind, beispielsweise Schneidspitzen oder Schneideinsätze für das Gesteinsbohren oder für die spanab hebende Bearbeitung.

Es ist ein Metallkörper der oben genannten Art bekannt (DE-OS 23 35 588), bei welchem das Hartmetall oder die reinen Metallkarbide von der Gußlegierung umgeben sind. Dabei werden das Hartmetall bzw. die reinen Metallkarbide mechanisch von der Gußlegierung umklammert und auf diese Weise gehalten. Es hat sich gezeigt, daß bei diesem Metallkörper die Bindung zwischen Gußlegierung und dem Hartmetall bzw. den Metallkar biden nicht optimal ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Metallkörper der genannten Art zu schaffen, bei dem das Hartmetall bzw. die harten Bestandteile besonders fest in die Gußlegierung eingebunden sind.

Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Zusammensetzung des graphitischen Gußeisens muß so einge stellt werden, daß das Kohlenstoffäquivalent

C_äqv = %C + 0,3 (%Si + %P)

den angegebenen Wert hat.

Neben normalem grauen Gußeisen kann auch auf verschiedene Weise behandeltes graphitisches Gußeisen verwendet werden. In gewissen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, geimpftes oder warmbehandeltes Gußeisen zu verwenden. Für manche Produkte hat sich Kugelgraphitgußeisen, als zweckmäßig erwiesen.

Die Tatsache, daß die angegebenen Anteile der ursprünglichen Menge an Hartmetall einen Teil der Zwischenlegierungsphase oder Übergangszone bilden, bedeutet, daß einige der Hart metallkörner oder Teilchen vollständig aufgelöst oder in die Legierungsphase umgewandelt werden, was einen günstigen Einfluß hat. Dies darf aber natürlich nicht in einem so großen Maße auftreten, daß die meisten Hartmetallkörner vollständig umgewandelt werden und damit die ursprüngliche Verschleißfestigkeit und Härte verloren geht.

In dem Schichtprodukt, das aus Hartemetall und Gußeisen besteht, ist es möglich, die früher erwähnte Legierungsbildung festzustellen und zu beobachten, welche die vollständige oder teilweise Umformung der Hartmetallkörner oder Teilchen bewirkt, durch geeignete Unter suchungen der Struktur und der Analyse usw. (siehe unten). Auf diese Weise ist es möglich, die früher erwähnten Angaben bezüglich Teilchengröße usw. des zugesetzten Hartmetalls in direkter Beziehung zu den entsprechenden Bedingungen im eingebundenen Zustand zu setzen. Ein Vergleich zwischen den ursprünglichen Hartmetallkörnern oder Teilchen und den eingebundenen Körnern, die aus Hartmetall und Übergangszone bestehen, zeigt, daß die letztgenannten Körner ein etwas größeres Volumen haben, weil die Legierungsbildung als ein Zusatz von Gußeisen zum Hartmetallkern angesehen werden kann. Es hat sich gezeigt, daß dieses Kornwachstum für den praktischen Gießvorgang und auch für die wirkliche Konstruktion des Schicht materials günstig ist. Einerseits wird somit eine dichte Packung der Hartmetallkörner benötigt, um eine maximale Verschleißfestig keit zu erreichen und eine Bloßlegung zu großer Bereiche des weniger verschleißfesten Gußeisens zu vermeiden. Andererseits dürfen die Kanäle zwischen den Körnern nicht zu eng sein, was den Durchgang von Schmelze verhindern würde oder während des Gießens die Schmelze zu schnell abkühlen würde. Durch eine in geeigneter Weise gewählte Korngröße gemäß der Erfindung sind die gewünschten Durchgänge für die Schmelze und die gewünschte enge Packung er reicht worden, was einen geringeren Abstand zwischen den verschleiß festen Körnern oder Teilchen aufgrund des genannten Wachstums während des Gießens bedeutet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es werden im Vergleich praktischer Untersuchungen er haltene Ergebnisse diskutiert, und es wird die Bedeutung der Struktur des Materials dargelegt.

Beispiel 1

In durch Kohle befeuerten Kraftwerken muß die Kohle normaler weise vor ihrer Anwendung zerkleinert und gemahlen werden. Das Zerkleinern und Mahlen der Kohle erfolgte mit Hilfe von Mühlen, deren Betriebskosten wegen des schnel len Verschleißes gewisser Komponenten (die allgemein als Ver schleißelemente bezeichnet werden können) hoch waren.

In einem umfangreichen Test wurden eine Anzahl verschiedener üblicher Materialien, die bisher für die genannten Komponenten verwendet worden sind, mit Verschleißelementen gemäß der Erfin dung verglichen, die aus zerkleinertem Hartmetall, das in graphi tisches Gußeisen mit spährolitischem Graphit eingebunden ist, verglichen.

Die Herstellung des Verschleißelementes erfolgte durch Gießen gemäß der bekannten Praxis in vorgeheizte Formen, wobei das zer kleinerte Hartmetall teilweise auf einem Streckmetall-Drahtsieb angeordnet wurde. Das zerkleinerte Hartmetall war vom WC-Co-Typ mit einer Teilchengröße von 2 bis 6 mm. Die Gesamtdicke des Ver schleißelements betrug etwa 50 mm, die verlangte Dicke der das Hartmetall enthaltenden verschleißfesten Oberfläche etwa 10 mm. Während des Gießens wurde die Gießlegierung auf eine Temperatur entsprechend der Liquidus-Temperatur +150 bis 400°C überhitzt, was eine geeignete aus geglichene Reaktivität zwischen Hartmetall und Gußeisen bewirkte.

Die untersuchten Mühlen enthielten Verschleißelemente, die aus folgenden Materialien hergestellt waren:

1. hochlegiertes, gehärtetes, martensitisches weißes Gußeisen mit der Nominal-Analyse 3% C, 3% Mo, Rest Fe.
2. Aust-enitischer Mangan-Stahl, sogenannter Hadfield-Stahl, mit der Nenn-Analyse 1%Cr, 12 bis 14% Mn, Rest Fe.
3. Stahl (schwedische Standard-Nr. 1312) mit der Nennanalyse O, 12% C, 0,25% Si, 0,5% Mn, Rest Fe mit einer aufgebrachten harten Schweißung aus Stellit-Material.
4. Zerkleinertes Hartmetall des Typs WC-Co, eingebunden in Kugel graphit-Gußeisen mit einem Kohlenstoffäquivalent von etwa 4,5 und mit der Gußeisen-Analyse 4,0 C; 1,2 Si; 0,6 Mn; 0,024 P; 0,006 S, 0,04 Cr; 0,07 Ni; 0,01 Mo; 0,05 Al; 0,024 Mg, 0,02 Cu, 0,004 N, Rest Fe.

Bereits in früheren Vergleichsuntersuchungen im Laboratoriums- Maßstab hat sich das Material Nr. 4 als überlegen gegenüber ent sprechenden Materialien erwiesen, die auf zerkleinertem Hart metall, eingebunden in den genannten Basismaterialien 1 bis 3 sowie zerkleinertes Hartmetall eingebunden in verschiedene andere Materialien basierten. Bei dem Test mit vollem Maßstab erfolgte nun ein Vergleich zwischen drei wirtschaftlich verwendeten Materialien und dem erfindungsgemäßen Material.

Die Abnutzung der Mahlkörper in den Mühlen wurde festgestellt nach etwa 200, 300, 400, 500, 900, 1300 und 2000 Stunden. Die Lebensdauer, gemessen als Abnutzung der Mahlkörper, betrug für die untersuch ten Materialien:

MaterialLebensdauer

1. gehärtetes martensitisches
Gußeisen400 Stunden 2. Mangan-Stahl250 Stunden 3. Stahl mit harter
Aufschweißung300 Stunden 4. Schichtprodukt
gemäß der Erfindung2000 Stunden

Somit beweist der Vergleichstest die hervorragenden Eigenschaften des Schichtproduktes das aus zerkleinertem Hartmetall und graphitischem Gußeisen besteht.

In

Fig. 1 und 2 ist die Struktur des Schichtmaterials gemäß der Erfindung sowohl im Makro-Maßstab (Vergrößerung 3,5 mal) ent sprechend Fig. 1, als auch im Mikromaßstab (Vergrößerung 1200 mal) entsprechend Fig. 2 dargestellt.

Fig. 3 zeigt die gemessene Mikrohärte (HV3 kp/mm²) des in Fig. 2 dargestellten Materials.

In Fig. 1 sind Hartmetallkörner oder Teilchen A zu sehen, die in eine Matrix aus Gußeisen B eingebunden sind. Zwischen A und B be findet sich eine Legierungs- oder Diffusionszone C mit verhältnismäßig großer Dicke. Aus Fig. 1 ergibt sich auch, daß eine verhältnismäßig große Anzahl von Hartmetallkörnern oder Teilchen D vollständig in eine gemischte Struktur umgewandelt ist, was unter anderem eine Verfestigung der Matrix bedeutet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen weiter vergrößert die Struktur des Materials um ein eingebundenes Hartmetallkorn oder Hartmetall teilchen herum und die sich ergebende Härte in diesem Bereich.

Es ist zu sehen, daß die Mikrohärte der Übergangszone im wesentlichen ein ungefährer Mittelwert der Härte des Hartmetalls und der Härte des Gußeisens ist. Dies bedeutet unter anderem einen günstigen Übergang oder einen allmählichen Wechsel der Eigenschaften zwischen dem harten, verschleißfesten Hartmetall und dem weicheren, aber viel zäheren Gußeisen. Wie vorher angedeutet, kann die Herstellung tatsächlicher Gegenstände, die fertig für den Gebrauch sind, in solcher Weise vorgenommen werden, daß sie nur aus Hartmetall bestehen, die in Gußeisen eingebunden sind.

Abhängig von der Gebrauchsart, hat es sich gezeigt, daß das die Dicke der Schicht des aus in Gußeisen eingebundenen Hartmetalls 2 bis 100 mm sein sollte. Zweckmäßig sollte dieses Intervall 3 bis 75 mm und vorzugsweise 5 bis 50 mm be tragen. Der Anteil an Hartmetall oder harten Teilchen in dem Verschleiß ausgesetzten Teil sollte 30 bis 70 Volumenprozent betragen. Er sollte zweckmäßig 35 bis 65 Vol.-% und vorzugsweise 40 bis 60 Volumenprozent betragen.

In einigen weiteren Beispielen werden Einzelheiten aus Unter suchungsergebnissen angegeben, wobei Produkte untersucht worden sind, die aus Hartmetall in Form von gepreßten und gesinterten Körpern, die in Gußeisen eingebunden sind, bestehen.

Beispiel 2

Eine Schlag-Gesteinsbohrung erfolgte mit Gesteinsbohrspitzen mit einem Durchmesser von 7,62 cm, die mit knopfförmigen Hartmetall einsätzen versehen waren, wobei das Bohren durch Hineintreiben in Eisenerz enthaltendes "Leptite"-Gestein durchgeführt wurde. Der Test wurde mit identischen Spitzen durchgeführt, jedoch wurde bei der Hälfte der Spitzen der Halterungskörper für die Einsätze in früher bekannter Weise aus im hohen Grade ermüdungsfestem Stahl hergestellt, während für die andere Hälfte der Spitzen der Halte körper gemäß der Erfindung aus Gußeisen hergestellt war. 30 Spitzen jeder Art wurden getestet. Das Ergebnis ist in der unten angegebenen Tabelle wiedergegeben, und es zeigt, daß durch die Erfindung ein beträchtlicher technischer Fortschritt erreicht wird, und zwar trotz der einfacheren und billigeren Herstellung dieser Spitzen.

Ergebnisse

Beispiel 3

Es wurde eine Schlag-Felsbohrung durchgeführt in Primär Kalkstein mit Spitzen mit einem Durchmesser von 11.43 cm für "Down-the-hole"-Bohrungen, die mit Hartmetallschneideinsätzen versehen waren. Dieses Gestein ergibt einen sehr geringen Bohr widerstand. Der einzige Unterschied zwischen den verwendeten Spitzen bestand darin, daß die Hälfte der Spitzenkörper aus Stahl bestand, während die andere Hälfte der Spitzenkörper gemäß der Erfindung aus Gußeisen hergestellt waren. Die Gesamtzahl der Spitzen betrug 20.

Ergebnisse

Auch in diesem Falle war es also möglich, eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer der Steinbohrer zu erreichen, in dem die Bindung der Hartmetalleinsätze in Gußeisen gemäß der Erfindung geändert wurde.

Beispiel 4

Es wurden Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 9,525 mm in Kaltstauchwerkzeugen aus Hartmetall hergestellt, wobei die Hälfte der Werkzeuge üblicher Art waren, die in Stahlkörpern montiert waren, während die andere Hälfte in Gußeisen eingebunden war. Die Anzahl der Formen bzw. Werkzeuge betrug 10 für jede Art. Das Stahlkugelmaterial war ein Kugellagerstahl mit etwa 1%C und 1,5%Cr, der auf eine Härte von 190HB weichgeglüht war. Es wurden die folgenden Durchschnittsergebnisse erreicht:
Anzahl der Stauchvorgänge bei

üblichen Werkzeugen1,83 × 10⁶ und
bei Werkzeugen gemäß der
Erfindung2,88 × 10⁶

Die Ergebnisse zeigen also, daß eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer durch Verwendung von Körpern gemäß der Erfindung möglich wurde.

Eine Erklärung für die erreichten großen Verbesserungen können die größere Dämpfungskapazität und die geringeren Elastizitäts module von Gußeisen im Vergleich mit Stahl sein. Durch diese werden die dynamischen Beanspruchungen auf den Haltekörper ver ringert und verteilt, während gleichzeitig die auf kritische Teile der Verbindung zwischen dem harten Metall und dem Halte körper konzentrierte Last auch verringert und verteilt wird. Es hat sich somit Gußeisen als überlegen bei Anwendung zur Ein bindung von Hartmetall gemäß der Erfindung erwiesen, und zwar un geachtet seines Rufes, in Stößen ausgesetzten Komponenten unge eignet zu sein. Eine Erklärung hierfür kann sein, daß in Werkzeugen oder Konstruktionselementen, die mit Hartmetallkörpern versehen sind, die eigentlichen Karbidkörper den schweren Stoßbeanspruchungen oder dem großen Verschleiß ausgesetzt sind und diese Körper die Beanspruchung in den Haltekörper verteilen. Weil die charakte ristischen Dämpfungseigenschaften von Gußeisen von der Volumen konzentration, der Form und der Abmessung des vorhandenen Graphites abhängig sind, soll das Gußeisen oder entsprechende Elemente enthalten.

Claims

1. Metallkörper mit hohem Verschleißwiderstand und gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit und Zähigkeit, der aus Hartmetall oder reinen Metallkarbiden in Form von Stücken, gemahlenen Teilchen, Pulver oder gepreßten Körpern eingebunden in einer Matrix aus graphitischem Gußeisen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des graphitischen Gußeisens so eingestellt ist, daß das Kohlenstoffäquivalent zwischen 2,5 und 6,0 beträgt, und daß zwischen dem Hartmetall und der Gußlegierung eine Zwischen legierungsphase oder Übergangszone besteht, wobei 20% bis 80% der zugesetzten Menge an Hartmetall Teil der Übergangs zone ist.

2. Metallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß 30 bis 70% der zugesetzten Menge an Hart metall Teil der Übergangszone ist.

3. Metallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß 40 bis 60% der zugesetzten Menge an Hart metall Teil der Übergangszone ist.

4. Metallkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffäquivalent des Gußeisens wenigstens 4,0 beträgt.

5. Metallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 90% der zugesetzten Menge an Hartmetall eine Korngröße zwischen 1 bis 8 mm auf weist.

6. Metallkörper nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 60% der zugesetzten Menge an Hartmetall eine Korngröße zwischen 2 bis 6 mm aufweist.

7. Metallkörper nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße oder Teilchengröße des Hartmetalls 2,5 bis 4 mm beträgt.