DE2741626A1

DE2741626A1 - Verfahren zum versehen von stahl mit einer harten oberflaeche

Info

Publication number: DE2741626A1
Application number: DE19772741626
Authority: DE
Inventors: Bani Ranjan Banerjee
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1976-09-16
Filing date: 1977-09-15
Publication date: 1978-03-23
Also published as: US4097711A; GB1538364A; CA1083897A; NL7710098A; FR2364732A1

Description

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Beschreibung

Das Versehen von Stahl oder Metall mit einer harten Oberfläche ist ein Verfahren, bei dem eine Schicht eines gegen Verschleiß widerstandsfähigen oder beständigen Metalls auf einen Metallteil mittels Schweißen aufgebracht wird, um die Verschleißeigenschaften der im Gebrauch einer Beanspruchung unterworfenen Oberfläche zu verbessern. Metalloberflächen können mit einer harten Oberflächenschicht versehen werden, um die zu erwartende Lebensdauer neuer Teile zu erhöhen oder die Lebensdauer gebrauchter Teile zu verlängern. Bei dem im folgenden zur Veranschaulichung der Erfindung beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine harte, gegen Verschleiß beständige oder widerstandsfähige Oberfläche auf Walzenmäntel für Vorrichtungen zum Herstellen von Tabletten, Kügelchen, Pillen, sog. Pellets, aufgebracht.

Pellets-Walzen sind zylindrische Bauteile, die normalerweise auf einer Lagerwelle angeordnet sind, und zwar im allgemeinen in Kombinationen von zwei, drei oder vier Walzen, um die während des Walz- und Extrudiervorgangs auftretenden Kräfte auszugleichen. Die Walzen rotieren in einem zylindrischen Stahlgehäuse, das radiale Extrusionsoffnungen hat. Das zylindrische, als Preßform dienende Gehäuse ist normalerweise mehrere Zentimeter dick, und die durch die auf der inneren Oberfläche des Gehäuses abrollenden Walzen erzeugte Kraft ist außerordentlich hoch, manchmal in der Größenordnung von 7000 kg/cm oder mehr. Durch diese Kraft wird das zu Pellets zu formende Produkt durch die radialen Formöffnungen hindurch extrudiert. Verschiedene Einrichtungen werden verwendet, um das zugeführte Material vor der auflaufenden Walze zu verteilen.

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Bei jedem Umlauf oder Vorbeigang der Walze wird eine kleine Menge des zugeführten Materials in die Formöffnungen hineingedrückt. Da die Walzen wiederholt hohen zyklischen Belastungen unterworfen werden, muii das Material, aus dem sie hergestellt werden, einen hohen Grad von Zähigkeit aufweisen. Zusätzlich wirken viele der zugeführten Produkte, aus denen die Pellets hergestellt werden, scheuernd oder schleifend, und unter den hohen, zum Extrudieren der Pellets erforderlichen Drücken wird der Verschleiß ein ernsthaftes Problem. Aus diesem Grund wird eine harte Oberflächenschicht auf die Walzen aufgebracht.

Vor etwa zehn Jahren wurden derartige harte Oberflächen zur Verlängerung der Lebensdauer erstmals eingeführt. Es war jedoch schwierig, harte Oberflächen mit gleichförmiger Verteilung der harten Oberflächenteilchen innerhalb der Oberflächenschicht zu erzielen. Auch ergaben sich Probleme durch Brechen der Oberflächenschicht unter extremen Drücken, wie sie zum Pelletisieren bestimmter Materialien notwendig sind.

Durch die Erfindung soll daher ein Verfahren geschaffen werden, durch das harte Oberflächenteilchen gleichförmig aufgebracht oder eingelagert werden können. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Teilchen aus Wolframkarbid auf einen Walzenmantel aus Kohlenstoffstahl aufgebracht .

Die Erfindung lehrt demgemäß ein Verfahren zum vorhergehenden Aufkohlen oder zum Anreichern mit Kohlenstoff der Oberflächenschicht eines metallischen Bauteils, beispielsweise eines Walzenmantels, vor dem Schweißvorgang, der zum

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Aufbringen der harten Oberflächenschicht angewendet wird. Das vorhergehende Aufkohlen gestattet das Aufbringen von Auflagen oder Unterlagen für das Schweißen, die etwa halb so dick oder halb so tief sind wie diejenigen, die beim herkömmlichen Versehen von Metallgegenständen mit harter Oberfläche erzielt wurden.

Die Erfindung lehrt demgemäß ein Verfahren, das wirksam dazu eingesetzt werden kann, die Oberflächenschicht mit Kohlenstoff anzureichern, um die Verteilung von harten Karbiden und die Gleichförmigkeit der aufgebrachten harten Oberfläche zu verbessern.

Durch die Erfindung werden auch die Verfahrensbedingungen geschaffen, die zum Erzeugen akzeptabler harter Oberflächenschichten dienen, wobei diese Verfahrensbedingungen die folgenden Schritte einschließen, aber nicht auf diese beschränkt sind: Aufkohlen der Oberfläche eines Kohlenstoffstahls, Überlagern dieser Oberfläche mit Karbidteilchen, vorzugsweise Wolframkarbidteilchen, die in ein Schweißbad eingeführt werden, das in einem Inertgas-Schweißvorgang, vorzugsweise einem Wolfram-Inertgas-Schweißvorgang, gebildet wird, worauf nach dem Schweißen eine Wärmebehandlung folgt, um die erforderliche Härte zu erzielen.

Die wesentlichen erfindungsgemäßen Merkmale sind im Hauptanspruch dargestellt. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens.

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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer typischen Walze einer Vorrichtung zum Formen von Pellets;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht einer Einrichtung zum Aufbringen von Teilchen aus Wolframkarbid auf den Walzenmantel mittels eines Wolfram-Schweißverfahrens mit Inertgas;

Fig. 3 ist ein Teilschnitt durch den Walzenmantel, der Einzelheiten der Schweißzone zeigt.

In Fig. 1 ist eine typische Walze für eine Einrichtung zum Herstellen von Pellets dargestellt. Die Walze 1 hat einen äußeren Mantel 2 und eine innere oder Lagerfläche 3· Solche Walzen haben im allgemeinen einen Durchmesser von etwa 175 bis 25O mm und eine Breite oder Länge von etwa 100 bis 175 mm. Zusätzlich sind sie mit einer Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 125 mm zur Aufnahme einer Lagerwelle versehen. Solche Walzen werden im allgemeinen aus einem relativ zähen Stahl hergestellt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Walze kann z.B. aus einem Stahl der Qualität AISI HlHO hergestellt werden.

Im allgemeinen ist anzunehmen, daß eine verschleißfeste Oberfläche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einen zähen niedriglegierten Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt aufgebracht wird, der zum Aufkohlen bestimmt ist, wie beispielsweise ein Stahl der Qualität AISI 8620, H62O, H13O, H33O, 1315, 3120 oder 1112. Wirtschaftlichkeitsgründe können

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die Verwendung eines Flußstahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, beispielsweise der Qualität AISI 1020, erforderlich machen. Die Wahl des jeweils verwendeten Stahls hßngt im wesentlichen von den Belastungsbedingungen beim jeweiligen Einsatz der Walze ab.

Fig. 1 zeigt, daß die äußere Oberfläche des Mantels 2 der Walze 1 mit einer gegen Verschleiß widerstandsfähigen oder beständigen Schicht oder Oberfläche 4 aus Wolframkarbid versehen ist. Gegenstand der Erfindung ist das Aufbringen dieser verschleißfesten Oberfläche.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren zum Aufbringen von Teilchen 5 aus Wolframkarbid auf die Oberfläche 2 der Walze 1. Eine Wolframelektrode 6 wird zur Bildung eines Schweißlichtbogens verwendet. Dieser Schweißlichtbogen erzeugt eine Schweißlache oder ein Schweißbad (puddle) 7 auf der Oberfläche 2 der Walze 1. Ein Inertgas, im allgemeinen Helium oder Argon, wird dem Bereich des Schweißlichtbogens über eine Leitung 8 zugeführt, die im allgemeinen die Wolframelektrode 6 umgibt. Die Leitung 8 führt das Inertgas zu dem Schweißbereich und schirmt das Schweißbad von der umgebenden Atmosphäre ab. Eine Zuführvorrichtung 9 für die Wolframteilchen 5 führt einen konstanten Strom von Wolframteilchen 5 mittels eines Zuführrohres 10 dem Schweißbereich zu. Die Wolframteilchen 5 fällen in das Schweißbad 7 und erstarren in der Matrix bzw. dem Gefüge des Grundmetalls, wenn der Wolfram-Lichtbogen über die Oberfläche 2 der Walze 1 wandert. Entweder kann die Oberfläche 2 der Walze 1 in Bezug auf die Elektrode 6 und die Zuführvorrichtung 9 bewegt werden, oder die Elektrode 6 und die Zuführvorrichtung 9 können gemeinsam in Bezug auf die Oberfläche 2 der Walze

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bewegt werden. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Lichtbogen über die Oberfläche oder den Mantel 2 der Walze 1 bewegt, und die zur Herstellung des Lichtbogens aufgewendete Energie bestimmen die Größe und die Tiefe des Schweißbads 7· Durch Steuerung dieser Variablen kann die Tiefe der hergestellten harten Oberflächenschicht 4 bestimmt werden. Zusätzlich wird die Menge der in das Schweißbad 7 eingeführten Wolframkarbidteilchen 5 durch die Zuführvorrichtung 9 gesteuert. Sowohl das Inertgas-Schweißen mit Wolfram als auch die Zuführung von Wolframkarbidteilchen zu dem Schweißbad sind an sich bekannt.

Beim Stand der Technik wurden Schweißungen erzeugt, die im allgemeinen für die starken Oberflächenbelastungen der harten Oberflächenschichten von Walzenmänteln nicht zufriedenstellend waren. Oft sind die geschweißten Oberflächen gebrochen, aufgerissen oder aufgeplatzt, oder die verschleißbeständigen Karbidteilchen sind aus der äußeren Verschleißschicht herausgefallen. Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufbringen von Wolframkarbidteilchen und zum Erzeugen einer verschleißbeständigen Oberfläche mit Hilfe solcher Karbidteilchen auf einem Walzenmantel bzw. auf einem Grundiretall mittels eines Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens, das Ergebnisse liefert, die zur Verwendung bei Walzenmänteln oder anderen hoch beanspruchten Bauteilen hervorragend geeignet sind. Es wurde gefunden, daß eine gleichförmige harte Oberfläche in oder auf einem zähen Grundgefüge gebildet werden kann, wenn ein für die Erfindung wesentlicher Verfahrensschritt des vorherigen Aufkohlens angewendet wird. Erfindungsgemäß wird die Oberfläche des Walzenmantels zunächst bis zu einer vorbestimmten Tiefe mit Kohlenstoff angereichert. Fig. 3 zeigt die mit Kohlenstoff angereicherte Schicht 11.

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Die folgenden Parameter haben sich für das erfindungsgemäße Verfahren als zufriedenstellend erwiesen:

Um den Schweißvorgang gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zu erzielen, wurde ein aus AISI 'llJJO-Stahl hergestellter Walzenmantel zunächst bis zu einer Tiefe von etwa 0,875 bis 1,00 mm durch einen mit Gas arbeitenden Oberflächen-Aufkohlungs-Prozeß aufgekohlt. Als Aufkohlungsatmosphäre wurde eine endotherme Gasatmosphäre bei 871° C verwendet. Diese Atmosphäre hatte einen Taupunkt, der gemäß standardisierten Aufkohlungstabellen bei 871 C eine Oberflächenaufkohlung von 0,8 % ergibt. Zur Verbesserung der Stabilität des Wolfram-Lichtbogens wurde eine Energiequelle mit phasengleichen oder symmetrischen Wellen verwendet. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Walzenmantels in Bezug auf den Lichtbogen war dabei nicht allzu kritisch. Es ergab sich, daß eine laufende Überlappung (interpass overlap) von etwa ¹J,5 bis 5,0 mm ausreichend war, um eine gleichförmige Schweißung zu erzielen. Ein Strom ausreichender Stärke wurde verwendet, um eine Tiefe des Schmelzbades von etwa 1,875 mm bis etwa 2,30 mm zu erzielen, wobei die durchschnittliche Tiefe des Schmelzbades bei etwa 2,2 mm lag. Fig. 3 zeigt das wieder erstarrte Schweißbad 12, wobei die Schweißung von oben nach unten fortschreitend angenommen ist.

Nach dem Schweißen wurde eine nachträgliche Wärmebehandlung angewendet, um die erforderliche Härte des Gefüges zu erzielen. Hierbei handelte es sich um eine standardisierte Behandlung zum Herstellen austenitischen Gefüges durch Abschrecken und Tempern, wobei diese Behandlung so gewählt wurde, daß die erforderliche Härte des Gefüges erreicht wurde. Die spezifischen Temperaturen und Zeiten für diese

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Behandlung werden für jeden Fall durch die jeweilige Stahllegierung und die Abmessungen des jeweiligen Walzenmantels bestimmt. Die Wolframkarbidteilchen wurden dem Schweißbad mittels eines Zuführungsrohres zugeführt. Die Karbidverteilung war über die Höhe des Querschnitts des Schmelzbades gleichförmig. Nahe der Oberfläche wurde eine tatsächliche Härte des Gefüges von Rc.58-72 erreicht. Die Unterschiede in der Härte beruhen auf den dicht einander benachbarten oder ineinander verschachtelten Karbidteilchen, die in das aufgekohlte Stahlgefüge eingebettet sind. An der Grenzschicht zwischen Karbid und Grundmetall wurde eine Gefügehärte von Rc.61-65 erzielt. Die Härte des Walzenkerns war Rc.28-3O, und die Härte an den Rändern oder Kanten des Karbidmantels war Rc.59-60. Die Härte an der Bohrung der Walze betrug Rc.5^-55· Die sich ergebende Walze mit harter Oberflächenschicht erwies sich als zufriedenstellend, und zwar sowohl vom Standpunkt der Oberflächenhärte als auch der Zähigkeit des Gefüges.

Die dünne durch Schweißen aufgebrachte Auflageschicht mit den gleichförmig darin verschachtelten Karbidteilchen verbessert die Dauerhaftigkeit und Beständigkeit der harten Oberfläche aus folgenden Gründen: Das Verfahren schafft eine gleichförmige Konzentration der Karbidteilchen über die ganze Tiefe des Schweißbades. Die Karbidteilchen sinken nicht auf den Boden der aufgetragenen Schicht ab, wie es normalerweise der Fall ist. Das Absinken der Karbidteilchen im Normalfall läßt die äußere Oberflächenschicht des Stahls frei von gegen Verschleiß beständigen oder widerstandsfähigen Karbidteilchen. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft eine viel höhere wirksame Härte über die ganze Dicke des durch Schweißen aufgebrachten Auftrags, weil eine gleichförmige Verteilung des Karbids erzielt wird.

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Das erfindungsgemäße Verfahren schafft ferner eins höhere Matrixhärte oder Gefügehärte im Stahl innerhalb des Bereichs des Schweißbads, so daß der Stahl eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung mit einer Dauerstandsfestigkeit in der Größenordnung von 0,5 mal der Zugfestigkeit erhält. Zusätzlich schafft das Verfahren maximale Zähigkeit des Walzenmantels, der nun selbst aus einem aufzukohlenden Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bestehen kann und der einem Sprödbruch der gesamten Konstruktion unter augenblicklichen hohen Belastungen widerstehen kann.

Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte die Verwendung harter Teilchen mit geringerer Dichte, beispielsweise Titankarbid oder Aluminiumoxid, als teilweisen Ersatz für die Wolframkarbidteilchen vorsehen. Die leichteren, hartkeramischen Teilchen können, bei gesteuerter und kontrollierbarer Größenverteilung jeder der Teilchenarten, miteinander gemischt oder zugemischt werden, um ihre Verteilung so zu steuern, wie es durch die Einsatzzwecke gefordert wird. In diesem Fall kann eine geringere Gesamtoberflächenhärte für eine gleichförmig harte Oberfläche in Kauf genommen werden. Eine Alternative zum Zuführen der Wolframkarbidteilchen direkt in das Schweißbad könnte darin bestehen, ein dünnwandiges Stahlrohr, gefüllt mit Karbidteilchen, zu verwenden. In diesem Fall würde das Rohr nach und nach mit gesteuerter Geschwindigkeit in den Lichtbogen eingeführt werden, der das Rohr schmilzt und eine Verteilung der Karbidteilchen in dem Schweißbad gestattet.

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L/Bi, 13. September 1977

VERFAHREN ZUM VERSEHEN VON STAHL MIT EINER HARTEN OBERFLÄCHE

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Versehen von Stahl mit einer harten Oberfläche, gekennzeichnet durch

- Aufkohlen der Stahloberfläche (11) auf eine Tiefe, die wenigstens gleich der halben Tiefe oder Dicke der gewünschten harten Oberflächenschicht ist, Aufbringen von harten Oberflächenteilchen (5) in einem Schweißbad (7), das durch einen Gas-Metall-Lichtbogen-Schweißvorgang gebildet wird, und Wärmebehandlung der Schweißstelle zum Erzielen der erforderlichen Eigenschaften der Grundstruktur und der Oberflächenstruktur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der mit einer harten Oberfläche zu versehene Stahl ein zum Aufkohlen geeigneter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt ist.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiefe der Aufkohlung (11) etwa gleich der halben Tiefe oder Dicke der aufgebrachten harten Oberflächenschicht ist.

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D-707 SCHWÄBISCH CMÜND GEMEINSAME KONTEN: D-8 MÜNCHEN 70

'telefon: (07171) 56 90 Dculwhc Bank München 70/37369 (BLZ 700 700 10) Telefon: (0 89) 77 (9 Si

S(HROETER Tekgramme: SJiroepit Schwjbiiji (,mund 02/00 535 (BLZ 61 3 700 86) K.LEHMANN Telegramme: Sthrocpat

h.«k_V4>,e 49 Telex: 724» »68 pigd J PoituJicdikontu MünJitn 1679 41 804 Lipowskyiiraüc 10 Telex. 5 212 24t fuwe d

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Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufkohlen der Stahloberfläche mittels einer endothermen Gasatmosphäre bei 871 C erfolgt, wobei die Ganntmosph/ire einen Taupunkt entsprechend gebräuchlicher Aufkohlungstabellen hat, um eine Kohlenstoffanreicherung von 0,8 % zu erzielen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die harte Oberfläche (4) mittels eines Wolfram-Inertgas-Schweißverfahrens (6, 8) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet , daß zur Stabilisierung des Wolfram-Lichtbogens eine Energiequelle mit ausgeglichenen oder symmetrischen Wellen verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Wolframkarbidteilchen (5) in das Schweißbad (7) mittels eines Zuführungsrohres (9> 10) eingeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - ■α e i c h η e t , daß Wolframkarbidteilchen (¹J) in das Schweißbad (7) mittels eines sich beim Einbringen aufbrauchenden Rohres eingebracht werden, das die Teilchen enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mischung von harten Oberflächenteilchen, die sich sowohl in ihrer Zusammensetzung als auch in ihrer Dichte unterscheiden, verwendet wird, um eine gleichmäßigere Verteilung der

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harten Teilchen innerhalb der harten Oberflächenschicht zu erzielen.

10. Verfahren zum Aufbringen einer harten OberfL/ichenschicht auf einen aufzukohlenden, niedrig legierten Stahl, c e kennzeichnet durch

zunächst Aufkohlen der Oberfläche (11) mittels einer endothermen Gasatmosphäre zum Erzielen einer Kohlenstoff anreicherung an der Oberfläche von 0,8 %, Herstellen eines Schweißbades (7) etwa doppelter Tiefe wie die Aufkohlung mittels eines Wolfram-Inertgas-Schweißvorgangs (6, 8),

Einführen von harten Oberflächenteilchen (5) mit bestimmter Größe und bestimmter Zusammensetzung in das Schweißbad, und

nach dem Schweißen Wärmebehandlung der sich ergebenden Oberfläche zum Erzielen der erforderlichen Gefügehärte.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die harten Oberflächenteilchen (5) aus Wolframkarbid bestehen.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die harten Oberflächenteilchen (5) eine Mischung aus einem oder mehreren der folgenden Bestandteile sind: Wolframkarbid, Titankarbid und Aluminiumoxid.

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