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Metall-Wolframkarbid-Zusammensetzung und Verfahren
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zu deren Herstellung" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
von Artikeln, die aus Partikeln von gesintertem oder gegossenem Wolframkarbid, die
in einer Grundmasse aus einer Wolfram-Kohlenstoffetahllegierung angeordnet sind,
besteht, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Zusammensetzung.
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Zusammensetzungen, die aus gesinterten oder gegossenen Metallkarbid-Partikeln
oder -Klumpen bestehen, die in einer Grundmasse eines nachgiebigeren Metalles getragen
sind, werden häufig bei großem Verschleiß benutzt. Die Widerstandsfähigkeit gegen
Verschleiß der gesinterten Partikel wird ergänzt durch die Zähigkeit der Grundmasse,
um einen Werkstoff zu bilden, der abriebfester ist als der Werkstoff der Grundmasse
und der Schlagbeanspruchungen besser widerstehen kann als das gesinterte Karbid.
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Aus diesen Werkstoffzusammensetzungen hergestellte Artikel werden
dort angewandt, wo sie in ständigem Kontakt mit harten, reibenden Werkstoffen stehen,
da übliche Werkstoffe entweder zu schnell verschleißen oder nicht schlagfest genug
sind, um einer Benutzung über einen langen Zeitraum zu widerstehen. Sie können beispielsweise
in Erz verarbeitenden Anlagen als Rutschen oder als Schneiden für Gesteinsbohrer
verwendet werden. Sie können auch auf dem Gebiet der Sicherheit verwendet werden,
beispielsweise für Schlösser oder Geldschränke, da sie einen grossen Widerstand
gegen das Eindringen von Bohrern und ähnlichen Werkzeugen haben.
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Das Ausfallverhalten von Zusammensetzungen bewirkt typisch bei hohem
Abrieb das Aufreißen des Grundmassenbereiches einer Oberfläche bis ein wesentlicher
Bereich eines gesinterten Partikels freigelegt ist und dann das Wegziehen dieses
Partikels von der
Grundmasse. Anstrengungen zum Verbessern der Zusammensetzungen
und zum Herabsetzen dieses Ausfallverhaltens haben zur Verwendung von härteren Grundmassenwerkstoffen
geführt, um deren Zerfressen zu vermindern. Jedoch dies läßt üblicherweise die Sprödigkeit
der Grundmasse ansteigen, wodurch es für die Partikel leichter wird, durch Ausbrechen
an der Grundmasse-Partikel-Grenzfläche wegzubrechen.
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Frühere Bemühungen, zusammengesetzte Werkstoffe zu bilden, die aus
Wolframkarbidpartikeln in einer weicheren Metallgrundmasse standen, waren gerichtet
auf das Vermeiden eines Auflösens des Wolframkarbides oder Zersetzens des gesinterten
Werkstoffes durch die Wärme der geschmolzenen Grundmasse. Meistens sind Grundmassenlegierungen
benutzt worden, die Schmelzpunkte hatten, die wesentlich unterhalb von etwa 14500
C lagen, nämlich Temperaturen, bei denen Komponenten des Wolframkarbides in die
Legierungen zu diffudieren beginnen. Typischerweise sind Legierungen auf Kupferbasis
als Grundmasse verwendet worden, weil deren niedrige Schmelztemperaturen in der
Größenordnung von 1.0400 C bis 11500 C liegen. Bei Anwendungen, bei denen ein härterer
Grundmassenwerkstoff erforderlich ist, also Metalle verwendet wurden, deren Schmelztemperaturen
nahe an der Temperatur lagen, bei denen sich Metallkarbide auflösen, sind Versuche
gemacht worden, die Temperatur genauestens zu steuern, bei der die Zusammensetzung
hergestellt wird, um die Menge von gesintertem Material zu minimalisieren, das in
die Grundmasse
diffundiert. So beschreiben die US-PS 3 175 260 und
3 149 441 Verfahren, bei denen die Stahlgrundmasse auf eine Temperatur erhitzt wird,
die nur ausreicht, es zu ermöglichen, daß sie übergegossen wird und die Wolframkarbidpartikel
infiltriert, die in der Form angeordnet sind. Die Partikel sind auf diese Infiltrationstemperatur
vorgewärmt und die Zusammensetzung wird auf dieser Temperatur für einen ausreichenden
Zeitraum nach dem Gießen gehalten, um die völlige Infaltration der Partikelmasse
durch den Grundmassenstoff sicherzustellen.
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Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Herstellen solcher Zusammensetzungen
gerichtet, die in einem wesentlich härteren und festeren Körper resultieren, als
nach bekannten Verfahren, und auf Artikel, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt sind. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen die Auflösung von
Metallkarbidkoinponenten in die Grundmassenlegierung vermieden wurde, ist die Erfindung
auf Materialien gerichtet, die Legierungszonen haben, die durch das Einschlsssen
von gelösten Anteilen der Metallkarbide verstärkt sind.
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Mit der Erfindung wird die Anordnung von Wolframkarbidpartikeln wesentlich
größerer Abmessung, als jene die im fertigen Artikel gewünscht wird, in eine Form
einzubringen, in der der zusammengesetzte Artikel geformt werden soll. Eine Stahllegierung
wird separat auf eine Temperatur von mindestens 15700 C erhitzt und mindestens 1200
C oberhalb der Schmelztemperatur der Grundmassenlegierung. Die geschmolzene Legierung
wird dann in die Form
gegossen, die relativ kalt ist, d.h. unterhalt
der Schmelztemperatur der Legierung und der Temperatur, bei der sich die Metallkarbide
auflösen.
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Das Wolframkarbid wird sich in jeder Eisenlegierung bei 14500 C und
höher (die praktische Sinterungstemperatur) auflösen. Infolgedessen löst sich die
Oberfläche der Partikel im Stahl und diffundiert in die geschmolzene Legierung so
lange die gegossene Legierung eine Temperatur oberhalb von 14500 C besitzt, wenn
sie die Partikel durchtränkt hat. Die Lösung setzt sich fort, bis die Grundmasse
unter 14500 C abgekühlt ist oder der gesinterte Werkstoff vollständig aufgelöst
ist. Um eine solche vollständige Auflösung zu verhindern, werden gemäß der Erfindung
entweder Wolframkarbidpartikel verwendet, die Kombinationen von Volumen und Oberflächenbereich
haben, die ihre Auflösung vor dem Erstarren der Grundmasse verhindern. Dies mag
die Verwendung von mindestens einigen relativ großen gesinterten Partikeln in der
Form umschließen, die sich nur teilweise auflösen, bevor die Grundmasse unter 1450°C
abgekühlt ist oder eine relativ große Menge von kleinen Partikeln, oder eine Kombination
davon. Einige der Partikel mögen sich vollständig vor der Erstarrung auflösen. Die
Größe und die Anordnung der Partikel muß mit der Gießtemperatur der Grundmasse ausgewogen
werden mit der Gießtemperatur der Grundmasse, der Ausgangstemperatur der Form und
dem Volumen und dem Oberflächenbereich der Form, um sicherzustellen, daß die Wärme
der Grundmasse eine Auflösungswirkung
an der Oberfläche der Partikel
erbringt, jedoch zumindest einige dieser Partikel stehenbleiben, in reduzierter
Gestalt, wenn die Grundmasse erstart. Die Auflösungswirkung reduziert die Gestalt
von denjenigen Wolframkarbidpartikeln, die nach dem Erstarren verbleiben, und umgibt
die verbleibenden Partikel auch mit einem starken, jedoch etwas dehnbaren Schild,
genannt Diffusionszone, die es den Partikeln ermöglicht, Kräften zu widerstehen,
die bestrebt sind, diese aus der Grundmasse herauszuziehen. Diese Zone formt ferner
eine metallurgische Verbindung zwischen den verbleibenden Partikeln und der Grundmasse.
Die Lösung von Kohlenstoff, Wolfram und Kobalt (oder anderer Binder) durch die Legierung
erzeut auch eine Legierung, die hochwertigere Eigenschaften hat, einschließlich
größerer Festigkeit, als die ursprünglich gegossene Legierung.
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Dieses Verfahren kann angewandt werden mit gesinterten oder gegossenen
Wolframkarbiden, die einen Binder haben, der von zwei bis 25 Gew.-% der Karbide
anliegt.
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Der Anteil von gelösten Metallkarbidpartikeln in der Endzusammensetzung
kann erhöht werden und die Lösbarkeit von diesen Partikeln kann durch den Einschluß
von einigen kleineren gesinterten Partikeln (Ruß, Rückfälle), die sich vollständig
auflösen, bevor das gegossene Metall verstaut. Wenn diese sich in der Legierung
auflösen, setzen sie die Lösbarkeit für die Bestandteile der verbleibenden Partikel
herab und kühlen das gegossene Metall,um den Grad zu begrenzen, mit dem die verbleibenden
Partikel
in Lösung übergehen.
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Der sich ergebende Werkstoff hat ausgezeichnete Verschleißfestigkeitseigenschaften,
die aus der Härte der Karbidpartikel, der Wolframstahlgrundmasse und von der Fähigkeit
der Diffusionszonen resultieren, das Loslösen der Karbidpartikel von der Grundmasse
zu verhindern.
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Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Artikel können
nach der Verteilung der gesinterten Partikel in der Form, der fertigen Zusammensetzung
und dem Ausmaß der Diffusionszonen klassifiziert werden, die die Partikel umgeben.
Die Partikel sind relativ dicht aneinander in der Form angeordnet und die Temperatur
der gegossenen Grundmasse ist so hoch, daß relativ weite Diffusionszonen erzeugt
werden, wobei die Diffusionszonen ineinander übergehen, um einen zusammengesetzten
Werkstoff zu schaffen, der durch die gesinterten Partikel in einem Grundmassenwerkstoff
gekennzeichnet ist, der die Eigenschaften der Diffusionszonen besitzt. Sind hingegen
die Partikel relativ weit voneinander entfernt und die Temperatur des gegossenen
Metalls ist relati-v so niedrig, daß nur schmale Diffjssionszonen erzeugt werden,
so wird die Zusammensetzung charakterisiert sein durch "Inseln", von gesinterten
Partikeln, umgeben von ihren Diffusionszonen in einer Grundmasse, die im wesentlichen
aus der gegossenen Legierung besteht.
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Die Partikel können auch heterogen inder Form so zerstreut
sein,
daß eine erste von Partikeln freie Region, die die Eigenschaften der gegossenen
Grundmasse hat und eine zweite Region entsteht, die Partikel enthält, die von ihren
Diffusionszonen umgeben sind, wobei die Diffusionszonen entweder ineinander übergehen,
um eine kontinuierliche Grundmasse zu schaffen, oder die Form von Inseln bilden,
die von der im wesentlichen unlegierten Gießgrundmasse umgeben sind. Die Verwendung
von feinen Partikeln, die sich vollständig während des Gießens auflösen, kann die
Ausdehnung von Diffusionszonen steuern.
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Da die Legierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich über
die Infiltrationstemperatur erhitzt wird, wenn die Form und die gesinterten Karbide
auf die Infiltrationstemperatur vorgewärmt werden und auf dieser Infiltrationstemperatur
für einen vorbestimmten Zeitraum nach dem Gießen der Legierung gehalten wird, wird
die vollständige Auflösung der gesinterten Partikel erfolgen. Infolgedessen müssen
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Form und die gesinterten Artikel relativ
kühl sein, wenn die Legierung eingegossen wird und der gegossenen Zusammensetzung
muß direkt nach dem Gießen die Möglichkeit gegeben werden, zu erstarren. Auf diese
Weise wird der Grad der Auflösung der gesinterten Partikel durch die Gießtemperatur
der Legierung, der relativen Anteile der Legierung und der gesinterten Karbide und
des Oberflächenbereiches der Karbide gesteuert. Die Form muß in der Praxis mindestens
einige
Dekaden von Graden unterhalb von 14500 C, der Schmelztemperatur
der gesinterten Karbide sein, d.h. nicht höher als 12050 C.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich in seinem Wesen
von den bekannten Verfahren, die als Grundmassenwerkstoff Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierungen
als Grundmassenwerkstoff für Kobalt-gebundene gesinterte Wolframkarbidpartikel verwenden,
dadurch, daß die als Einlagen in die Form eingebrachten Partikel wesentlich größer
als jene sind, die in der fertigen Zusammensetzung gewünscht werden; daß die Gesamtmasse,
Oberflächenbereich und Stellung der Partikel gesteuert werden, um eine Auflösung
der Oberfläche der Partikel zu erhalten; daß der Grundmassenwerkstoff bei einer
Temperatur von mindestens 660 C oberhalb seiner "Durchdringungstemperatur" oder
mindestens 1210 C oberhalb seines Schmelzpunktes in eine Form gegossen wird; und
daß der gegossenen Zusammensetzung sofort die Möglichkeit gegeben wird, natürlich
abzukühlen. Der resultierende zusammengesetzte Werkstoff unterscheidet sich von
bekannten Zusammensetzungen, die kobaltgebundene Wolframkarbidpartikel in einer
eisenlegierten Grundmasse oder dergleichen enthalten, in der Anwesenheit von relativ
weiten Diffusionszonen, die einen hohen Wolframkobalt und Kohlenstoffgehalt haben,
und die verbleibenden gesinterten Partikel umgeben, um einen verschleißfesten, Jedoch
hochnachgiebigen Schild zu bilden, der stark Kräften widersteht, die dazu neigen,
die Partikel im Gebrauch aus der Grundmasse herauszuziehen.
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Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können nutzbringend in allen
verschleißfesten und Sicherheits-Anwendungen benutzt werden. Die Metallkarbidpartikel
in der Zusammensetzung sind hoch bohrbeständig und die Grundmasse ist wesentlich
schlagfester als die weichen Legierungen bei den bekannten Zusammensetzungen.
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Die Schmelztemperaturen von Eisen-, Nickel- und Kobaltlegierungen
liegen zwischen 13160 C und 16490 C. Wenn diese Legierungen geschmolzen und in eine
kühlere Form gegossen werden, die kühlere Partikel enthält, muß die Legierung etwas
über den Schmelzpunkt erwärmt sein, so daß sie die Form und die Zwischenräume zwischen
den Partikeln ausfüllen kann, bevor sie auf eine Erstarrungstemperatur abkühlt.
Typischerweise liegt diese "Durchdringungstemperatur" in der Größenordnung von 380
C bis 1210 C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung in Abhängigkeit von den
relativen Anteilen von der Legierung und gesintertem Werkstoff. Wenn die Legierung
bei dieser Durch dringungstemperatur" gegossen wird, erfolgt sehr geringe Diffusion
des Wolframkarbides in die Legierung, da das Karbid keine merkliche Löslichkeit
in der Legierung bei der resultierenden Temperatur der Legierung hat, nachdem diese
die Partikel umschlossen hat. Um die erfindungsgemäßen Zwecke zu erreichen, muß
die Legierung um eine ausreichende Höhe über die Durchdringungstemperatur erhitzt
sein, um die teilweise Auflösung der gesinterten Wolframkarbidpartikel und die Diffusion
der
gelösten Partikel in mindestens einen begrenzten Bereich der geschmolzenen Legierung
zu erreichen. Diese höhere Temperatur der Schmelze, die nachfolgend mit "Diffusionstemperatur"
bezeichnet wird, liegt in der Größenordnung von 100 C bis 1490 C oberhalb der Durchdringungstemperatur
oder mindestens 660 C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung.
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Die oberen Grenzen der "Diffusionstemperatur" sind eine Funktion von
der Gestalt der Partikel oder der in die Form eingebrachten Einfügungen aus gesintertem
Wolframkarbid und der Art und Menge der feinen Partikel, die in der Form oder Schmelze
verstreut sind. Werden größere Partikel verwendet, kann ein größerer Grad der Auflösung
toleriert werden, ohne die gesinterten Wolframkarbide vollständig zu zerstören.
Erhöht jedoch das Auflösen der gesinterten Wolframkarbide den Anteil des Karbides,
steigen Kobalt und Wolfram in der Legierung an und die obere Grenze kann durch den
Grad der Sprödigkeit festgesetzt werden, die in der resultierenden Zusammensetzung
toleriert werden kann. Wenn die fertige Zusammensetzung voraussichtlich keinerSchlagbelastung
unterworfen wird, kann ein höherer Grad von Diffusion und infolgedessen eine höhere
legierungstemperatur toleriert werden.
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Die "Diffusionstemperatur", die ursprünglich größer als 14500 C ist,
wird sich mit der verwendeten speziellen Grundmassenlegierung, den relativen Anteilen
von Legierung und gesinterten Partikeln
oder Klumpen und der Ausgangstemperatur
der Form und der gesinterten Partikel beim Gießzeitpunkt ändern. Z.B. kann die gewünschte
Diffusionstemperatur durch Verwenden einer Grundmassenlegierung abgesenkt werden,
die eine tiefere Schmelztemperatur hat (jedoch oberhalb von 15660 C), durch Verwendung
relativ großer Anteile der Legierung und geringer Anteile von Karbid, durch Vorwärmen
der Form und der Karbide, oder durch eine Kombination dieser Faktoren. Die Vorbestimmung
der Lösungs-Temperatur für eine spezielle Kombination diesedfaktoren kann durch
Herstellen kleiner Probeformen, deren Anfüllung mit Karbidpartikeln, die benutzt
werden sollen, und Gießen der geschmolzenen Legierungen in die Formen bei verschiedenen
Temperaturkombinationen. Die metallurgische Prüfung der sich ergebenden Proben nach
deren Abkühlung wird anzeigen, ob der Kohlenstoff, Kobalt und Wolfram zu dem gewünschten
Grade in die Grundmassenlegierung diffundiert sind. Diese Versuche können spanabhebende
Verarbeitung, Polieren und Ätzen von Abschnitten, die Herstellung von Fotomikrogrammen
dieser Abschnitte und die Durchführung von Härte- und Schlagversuchen an den Abschnitten
unter Verwendung üblicher Instrumente umfassen.
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Die nachgiebige Diffusionszone um die gesinterten Partikel herum ermöglicht
eine gleichmäßige Verteilung der auf diese einwirkenden Kräfte auf die umgebende
Grundmasse. Wenn der Bereich der Zone an der Oberfläche der Zusammensetzung so weggeschlissen
wird,
daß die gesinterten Partikel von der verbleibenden Zusammensetzungsoberfläche vorstehen
und wegen dieses Hervorragens größeren Kräften als üblich ausgesetztsind, hindern
die starken und nachgiebigen Regionen unterhalb der Oberfläche die Partikel daran,
daß sie durch diese Kräfte aus der Zusammensetzung herausgezogen werden.
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Sind die Karbidpartikel in der Form genügend dicht aneinander angeordnet,
so wird die Diffusionszone das Volumen zwischen den verbleibenden Partikeln in der
Zusammensetzung ausfüllen.
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Die resultierenden Zusammensetzungen werden eine extrem hohe Verschleißfestigkeit
und ausgezeichnete Schlagbeanspruchungsfestigkeit haben, die diejenigen von bekannten
Zusammensetzungen weit übersteigt. Werden diese Zusammensetzungen in Anordnungen
mit starken Verschleiß und hoher Schlagbeanspruchung als Erz-oder Abfallzerkleinerungshemmer
verwendet, schaffen diese Zusammensetzungen ein Vielfaches der Lebenszeit von Zusammensetzungen,
die aus üblichem Werkstoff hergestellt sind. Als Beispiel hat ein Hammer für eineNllflzerkleinerungsanlage,
der aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung hergestellt ist, eine Lebendauer
von 3000 Tonnen von Müll im Vergleich zu einer typischen Lebensdauer von 300 Tonnen
für einen Hammer der gleichen Gestalt, der jedoch aus Manganhartstahl hergestellt
ist.
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Die zur Herstellung der Zusammensetzungen verwendeten Partikel
können
homogen über die Form verteilt sein, so daß die resultierenden Zusammensetzungen
eine homogene Zusammensetzung haben.
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Die Partikel können jedoch auch im TJnterschied dazu in der Form in
einer heterogenen Art angeordnet sein, um eine Zusammensetzung zu bilden, in der
gewisse Abschnitte die gleiche Zusammensetzung wie die gegossene Legierung haben,
und andere Abschnitte gesinterte Partikel in einer lokalen Grundmassenlegierung
enthalten die die durch die diffundierten Anteile des gesinter-er. .Jerkstoffes
beeinflußt ist. Auf diese Weise können die metallurgischen Eigenschaiten verschiedener
Zonen des Teiles der Funktion dieser Abschnitte angepaßt werden. Beispielsweise
kann der vorerwälmte Hammer mit gesinterten Karbidpartikeln an den Oberflächen versehen
sein, die auf den Müll auftreffen und die Abschnitte, die den Hammer mit dem Mechanismus
der Maschine verbinden, können aus zäherem, weniger Eprödem Metall bestehen oder
der Schloßbereich einer Geldschranktür kann mit einer gegen Bohren bestandigen Beschichtung
versehen sein.
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Der Anteil an gesinterten Komponenten, die sich in der gegossenen
Legierung lösen, kann gesteuert werden durch Hinzufügen feiner gesinterter Partikel
direkt zu der geschmolzenen Legierung entweder im Schmelzofen oder in der Gießpfanne
zugegeben werden, bevor die Legierung in die Form gegossen wird.
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Durch Erhöhen des Wolfram- und Kohlenstoffgehaltes der Grundmassenlegierung
wird
die Löslichkeit von diesen Komponenten in der gegossenen Grundmasse reduziert. Dies
setzt die Stärke der Diffusionszone herab, die die verbleibenden gesinterten Karbidpartikel
in der Zusammensetzung umgibt und erhöht den Kohlenstoff- und Wolframgehalt des
Grundmassenanteiles der Zusammensetzung.
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Die Wolframkarbidpartikel, die gemäß der Erfindung verwendet werden,
liegen in Gestalt oberhalb von relativ großen gesinterten Abschnitten, die als Einfügungen
in das Endzusammensetzungsteil angenommen werden. Typische Großenordnungen der Partikelgestalt
für Zusammensetzungen, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, sind: -2 Zoll/F1
Zoll; -1 Zoll/+1/2 Zoll; -1/2 Zoll/+3/8 Zoll; -3/8 Zoll/+ 50 Mesh. Wird gesintertes
feingesiebtes Material, Abrieb oder Gruß verwendet, um den Karbid-und Wolframgehalt
der Grundmassenlegierung zu erhöhen, so werden diese in der Größenordnung von 50
Mesh bis + 100 Mesh verwendet.
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Die verwendeten Karbide sind Wolframkarbide mit einem Binder, typischerweise
Kobalt oder Nickel, die in der Größenordnung von 3 bis 25 Gewichts-% der Zusammensetzung
rangieren. Zusätzlich zu dem Grund-Wolframkarbidbestandteil können die gesinterten
Karbide geringe Anteile an Licium oder Tantal oder dergleichen enthalten. Diese
gesinterten Karbide können durch Zerkleinern von gesinterten Abfallkarbidschnitzeln,
Einsetzen oder dergleichen gewonnen werden. Sie werden typischerweise eine Härte
von 70 bis 90 Rockwell- Graden haben.
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Die Karbidpartikel können willkürlich in der Form vor dem Giessen
der Grundinassenlegierung verteilt werden, wodurch die zu formende Zusammensetzung
eine homogene Struktur hat, oder sie können in Form von Einsetzen angeordnet und
mechanisch verankert sein, wenn die Zusammensetzung Konzentrationen von gesinterten
Partikeln in speziellen Bereichen aufweisen soll.
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Der Grundmassenwerkstoff kann reines Eisen, Nickel oder Kobalt sein,
wird jedoch vorzugsweise eine Legierung von diesen Metallen sein. Der Kohlenstoff,
Kobalt oder Wolfram, der von den gesinterten Partikeln während des Erstarrens der
geschmolzenen Legierung in der Form in die geschmolzene Legierung diffundiert, erhöht
die Härte der resultierenden Legierungen in der Diffusionszone. Die Legierung wird
vorzugsweise mindestens 70 % Eisen, Nickel oder Kobalt oder eine Verbindung von
diesen Metallen enthalten. Jedes der üblichen legierbaren Metalle kann die anderen
Bestandteile bilden, in Abhängigkeit von der Anwendung des zusammengesetzten Teiles.
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Die Zusammensetzungen können in Kohl enstoffschmelzti egeln oder Sandformen
gegossen werden. Wenn Sandformen verwendet werden, können relativ große Karbidpartikel
oder Klumpen in die Form durch Anheften von Nägeln oder Stiften an die Klumpen und
Eingraben der überstehenden Enden dieser Befestigungselemente in den Sand, eingebracht
werden. Die Nägel oder Stifte können an
den Klumpen durch Löten
oder Sintern angeheftet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigen: Fig.
1 eine perspektivische Ansicht eines Schrapperzahnes für einen Buildozer oder dergleichen,
der gemaß der Erfindung hergestellt ist mit ausgebrochenen Abschnitten, um die Gestaltung
des gesinterten Einsatzes zu illustrieren; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines
Hammers für eine Hammermühle, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist; Fig
3 ein sehematisches Diagramm in Art eines Fotomikrogramins durch einen gesinterten
Wolframkarbidpartikel in der fertigen Zusammensetzung, das die verschiedenen metallurgischen
Bereiche illustriert, die aus der Diffusion des gesinterten Werkstoffes in die legierte
Grundmasse resultieren, und Fig. 4 ein Fotomikrogramm eines Bereiches, der dem in
Fig. 3 dargestellten entspricht.
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Beispiel I Ein Schrapperzahn für einen Bulldozer, der als Ganzes
mit 10 bezeichnet ist, ist aus einer Zusalmnensetzung hergestellt worden, die entsprechend
der Erfindung gemacht wurde. Der Zahn 10 besteht aus zwei länglichen Abschnitten
12 und 14, die an einem Ende miteinander verbunden sind, um einen gehärteten Schneidzahn
16 zu bilden. Die Abschnitte 12 und 14 dienen zum Verbinden des Zahnes mit der Schaufel
des Bulldozer und müssen infolgedessen relativ geschmeidig sein, um ihr Brechen
oder ein Ab scheuern des zugeordneten Schaufelabschnittes zu verhindern.
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Die Enden der Seiten des Zahnes 16 müssen extrem hart sein, um den
Abriebkräften von Steinen oder dergleichen zu widerstehen und müssen zusätzlich
schlagbeanspruchungsfest sein.
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Der Zahn wird gefertigt, indem eine Sandhohlform gebildet wird und
die Ecken dieser Form längs der Bereiche, die die Zahnenden 16 bilden, mit Reihen
von Wolframkarbidabschnitten von Eugelform ausgekleidet werden. Es könnten jedoch
auch lange Streifen verwendet werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung hat der Zahn eine Gesamtlänge von etwa 228 mm und die Abschnitte 12 und
14 haben eine Stärke von etwa 25,4 mm. Die Karbideinsätze haben die Form von Kugeln
von einem Durchmesser von etwa 12 1/2 mm und sind durch Zerkleinern von Wolframkarbidabfallschnitzeln
oder dergleichen in einem Desintegrator erzeugt.
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Der Zerkleinerungsvorgang bricht die scharfkantigen Ränder der
zertrümmerten
Partikel und erzeugt im wesentlichen runde Formen. Kurze Nägel sind durch Löten
oder Zementieren der Nägelköpfe an die Partikel angeheftet und die Kugeln sind im
Sand der Form durch Eingraben der Nägel im Sand festgelegt. Die Kugeln sind in Reihen
an den Formseiten etwa in den Stellungen ausgerichtet, die durch unterbrochene Kreise
18 in Fig. 1 de Zeichnung angedeutet sind. Die gesinterten) Wol rankarbidlLugeln
umfassen vorzugsweise 12 Gew.-loo ellIcC obaltbinders. Sie können Spurenelemente
von Titan und Tantal aufweisen.
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SAE 1010 Flußstahl wird dann geschmolzen und auf 16800 C bis 1720°C
in einem elektrischen Induktionsofen erhitzt. Der geschmolzene Stahl wird dann i
die Form eingegossen, die auf etwa 2600 C erhitzt ist, und der Masse wird dann gestattet,
sofort auf eine atmosphärische Temperatur von 210 abzukühlen.
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Das Volumen des geschmolzenen Stahl es zum Aushüllen der Form ist
etwa 4 bis 8 x das Volumen der Kugeleinsatze. Der geschmolzene Stahl hüllt leicht
die Form und die Zwischenräume zwischen den Kugeln und bewirkt ein Schmelzen der
Oberflächen der Kugeln. Der geschmolzene Kohlenstoff, Kobalt und Wolfram diffundiert
eine wesentliche Entfernung durch den geschmolzenen Stahl bis dieser erstarrt. Analysen
des entstandenen zusammengesetzten Teiles zeigen, daß etwa 5 bis 25 Volumen-% der
ursprünglichen Karbidpartikel gelöst wurden und in die Stahlgrundmasse diffundiert
sind und daß eine gute metallurgische Bindung, wesentlich fester als mechanische
Verankerung,
zwischen den verbleibende gesinterten Partikeln und
des legierten Stahl es entstanden ist. Bei Bruchversuchen von Abschnitten des gebildeten
Zahns im Bereich der gesinterten Einsätze konnten Fehlstellen in der Struktur nach
Art von Sprödigkeitsfehlern beobachtet werden, die anzeigten, daß dort eine wesentliche
Legierung von Kohlenstoff, Kobalt und Wolfram mit deLn Flußstahl erfolgt war.
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Die entstandene Zusammensetzung hat Eigenschaften von Flußstahl an
dem der Schaufel zugewandten Ende und die kombinierten Eigenschaften des extrem
harten gesinterten Wolframkarbids (60 bis 90 ockell C) In einer Grundmasse von härterem,
jedoch nachgiebigem Stahl am Zahnende. Wie aus den Fotogrammen Fig. 3 und 4 ersichtlich
ist, die unterschiedliche Proben darstellen, umgibt und schützt eine Hiilse aus
relativ hartem nachgiebigem Werkstoff jeden gesinterten Partikel.
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Beispiel II Ein Hammer zur Verwendung in einer Müll- und Abfallzerkleinerungsinaschine,
der aus einer erfindungsgemäß hergestellten Zusammensetzung gefertigt ist, ist in
Fig. 2 dargestellt. Dieser Hammer ist als Ganzes mit 20 bezeichnet. Er hat zwei
Arme 22 und 24, die mit einer Halteeinrichtung zusammenwirken, und einen Kopf 26,
der als Hammer wirkt und den Schlägen auf den Abfall oder den Müll ausgesetzt ist.
Scharfkantige Karbidklumpen werden
in die Sandform eingebracht
und unter Verwendung von zementierten Nägeln in den Stellungen gehalten, die durch
unterbrochene Linien bei 28 in Fig. 2 dargesterlt sind. Die Hammerfläche hat eine
Größe von 15,2 cm x 10,2 cm und die Karbide hatten die Form von etwa 19 mm und 10
mm Kugeln. Abfallstahl, der 13 % Mangan enthielt, wurde bei 16600 geschmolzen und
1 % Mangan wurden dann zum Kompensieren der Schmelzverluste hinzugefügt. Das geschmolzene
Metall wurde dann in die Form gegossen, die etwa auf Raumtemperatur war. Sofort
nach dem Gießvorgang konnten die Hämmer auf Raumtemperatur abkühlen. Nach dem Abkühlen
wurden sie durch Erwärmen auf 10380 C und Halten auf dieser Temperatur für eine
halbe Stunde und dann Abschrecken in Wasser wärmebehandelt.
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Beispiel III Ein Hammer, der etwa die Gestalt des Hammers nach Fig.
2 hat, wurde unter Verwendung von Manganstahlabfällen bei einer Temperatur von 16600
C hergestellt. Der Stahl hatte die folgende Zusammensetzung: Kohlenstoff - 1,14
% Mangan - 13,00 ffi Silicium - 0,73 % Chrom - 0,74 % Nickel - 1,20 ffi Eisen -
Ausgleich
Etwa 3 Gew.- von gesinterten Wolfrarnkarbi$puß in der
Größenordnung von 4 Mesh bis 30 Mesh wurde in dem geschmolzenen Stahl aufgelöst.
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Die Stellungen, die iii der Form durch unterbrochene Linien 28 in
Fig. 2 angedeutet sind, wurden dann mit -1/2 Zoll - 3/8 Zoll gesinterten Karbidschrot
ausgekleidet und geschmolzener Stahl mit gelöstem Gruß in die Form eingegossen,
die sich auf Raumtemperatur befand. Der zusammengesetzten Masse wurde sofort die
Möglichkeit gegeben, natürlich abzukühlen.
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Beispiel IV Ein Hammer kann geformt werden, wie in Beispiel III erläutert
wurde, indem der Gruß anstatt in die Schmelze in die Form eingebracht wird.
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Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Abschnitt der Zusammensetzung
repräsentiert, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde, und die in dem Fotomikrogramin
nach Fig. 4 illustriert ist. Das Fotomikrogramm zeigt eine Zusammensetzung, die
einen Bereich hat, der gesinterte Partikel in ausreichender Nähe nebeneinander enthalt,
daß die resultierenden Diffusionszonen eine kontinuierliche Grundmasse für die Partikel
bilden, und einen anderen Bereich, der ausreichend ohne gesinterte Partikel ist,
so daß die Eigenschaft der Zusammensetzung etwa diejenige der gegossenen Metallgrundmasse
ist.
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Die in der fertigen Zusammensetzung verbleibenden gesinterten Partikel
haben eine Härte von 78 Rockwell C. Die Grundmasse, die diese umgibt, scheint drei
Regionen mit einer Härte von 70 Rockwell C, 60 Rockwell C und 40 Rockwell C zu haben.
Diese Bereiche gehen ineinander über, um eine kontinuierliche Diffusionszone zu
bilden. Das gegosseiie Grundmetall ist in der linken unteren Ecke dargestellt und
hat eine Härte von 30, gemessen auf der Rockwell-B-Skala.
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Beispiel V Ein Sicherheitsteststab wurde hergestellt, indem 1,75
Pound von 20/30 Mesh gesinterten Wolframkarbidpartikeln in eine Sandform eingebracht
wurde, die einen Formhohlraum von 25,4 mm x 76,2 mm x 152,4 mm hatte.
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Manganstahl wurde auf eine Temperatur von etwa 16600 erhitzt und 2,25
Pound wurden in die Form gegossen, die auf Raumtemperatur war. Die Form wurde dann
für eine Stunde natürlich abgekühlt und wurde dann wärmebehandelt, indem sie auf
9820 C erhitzt, eine halbe Stunde gehalten und dann in Wasser abgeschreckt wurde.
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Der entstandene Teststab zeigte einen exzellenten Widerstand gegen
Bohrer und Stanzen, die entsprechend den Laborvorschriften des Unterzeichneten verwendet
wurden.
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Beispiel VI Ein Sicherheitsteststab wurde in der gleichen Weise hergestellt
wie der Teststab in Beispiel V, mit der ausnahme, daß 4/6 Mesh gesinterte Wolirainkarbidpartikel
anstelle des feiner gesiebten des Beispiels V in der Form verwendet wurden. Auch
dieser Stab zeigte ausgezeichnete Sicherheitseigenschaften.