DE2817643A1

DE2817643A1 - Bimetallischer stahlzylinder

Info

Publication number: DE2817643A1
Application number: DE19782817643
Authority: DE
Inventors: Donald P Lomax
Original assignee: BOGGS RONALD M
Current assignee: BOGGS RONALD M
Priority date: 1977-04-28
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1572882A; US4103800A

Description

Anmelder: Donald P. Lomax, 706 .S. Waterville Lake Road, Oconomowoc, Wise, USA 53066

Ronald M. Boggs, Route 1, Box 56F, Mukwonago, Wise, USA 53149

Bimetallischer Stahlzylinder

Die Erfindung betrifft einen birnetallischen Stahlzylinder, bestehend aus einem niedrig legierten Stahl und einer Auskleidung aus einer verschleißfesten und korrosionsbeständigen Legierung.

Strangpressen und Spritzgußmaschinen zur Herstellung von Profilen und Formteilen enthalten einen Stahlzylinder, durch den mit Hilfe einer Extruderschnecke verflüssigter Kunststoff durch eine speziell ausgebildete Form gepreßt wird. Weil dabei eine hohe Temperatur und ein hoher Druck erforderlich ist, und weil viele Kunststoffe einen Abrieb verursachende Füllstoffe enthalten, erfolgt eine starke Abnutzung und Korrosion der Zylinder, die durch die Auskleidung der Innenwand mit der verschleißfesten und korrosionsbeständigen Legierung verringert werden soll.

Zur Herstellung eines derartigen bimetallischen Zylinders wird ein Stahlzylinder verwandt, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Innendurchmesser des schließlichen birnetallischen

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Zylinders für eine Strangpresse oder Spritzgußmaschine. In den Innenraum des Stahlzylinders wird eine vorherbestimmte Menge von beispielsweise granuliertem Legierungsmaterial gebracht. Die offenen Enden des Stahlzylinders werden durch Anschweißen von Kappen verschlossen. Der Zylinder wird in einem Ofen auf die Schmelztemperatur der Legierung erhitzt, die unter der Schmelztemperatur des Stahls liegt.

Nach einer von der speziellen Legierung abhängenden Heizperiode wird der Zylinder mit Hilfe einer angetriebenen "Rollenanordnung in einer horizontalen Lage schnell um seine Achse gedreht, um die geschmolzene Legierung entlang seiner Innenfläche durch Zentrifugalkräfte zu verteilen. Der rotierende Zylinder wird dann auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Legierung abgekühlt und anschließend in ein Bett aus Isolier- , material gebracht, um eine gesteuerte Abkühlung zu erzielen und eine Rißbildung in dem Legierungsüberzug zu vermeiden, sowie um eine gute Haftung zwischen der Auskleidung und der Stahloberfläche zu erzielen. Dann werden die Kappen wieder entfernt und durch Dreh'ärbeiten oder dergleichen Nacharbeiten wird die innenfläche der Auskleidung auf den gewünschten Durchmesser geglättet.

Bei der Entwicklung des bekannten Verfahrens war man vor allem bestrebt, geeignete Legierungen für die Auskleidung zu finden. Als Stahl wurde üblicherweise AISI-414O-Stahl mit der folgenden Zusammensetzung verwandt:

Bestandteil Gewichtsprozent

Kohlenstoff 0,38 bis 0,43

Mangan 0,75 bis 1,00

Silizium 0,20 bis 0,35

. Chrom 0,80 bis 1,10

Molybdän · 0,15 bis 0,25

Eisen Rest

Dieser Stahl eignet sich jedoch nicht besonders gut als Trägermaterial, weil er schwer zu verschweißen ist und weil in ihm Spannungen während der Erhitzung und Abkühlung bei der Herstellung der Auskleidung aufgebaut werden können, die Verbiegun-

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gen beim Extrudieren zur Folge haben können. Derartige Schwierigkeiten können bei bekannten Trägermaterialien dazu führen, daß die Lebensdauer der bimetallischen Zylinder verringert wird, oder daß. verhältnismäßig aufwendige Arbeiten zum Gerade strecken erforderlich sind. Es ist ferner bekannt, daß derartige Stahlsorten nach einer Wärmebehandlung verwandt werden sollen, um die Eigenschaften dieser Legierung vollständig auszunutzen, und daß eine wiederholte Erhitzung und Abkühlung derartiger Stahlzylinder bei ihrer Herstellung und Benutzung den Stahl nicht zu empfehlenden Bedingungen unterwirft. AlSI-414O-Stahl findet jedoch bevorzugt Verwendung, weil er ohne weiteres verfügbar ist.

Dieser Stahl besitzt folgende mechanische Eigenschaften:

Zugfestigkeit 6328 kp/cm

2 Streckgrenze 4570 bis 4922 kp/cm

Elongation (% in 2") 27 bis 25

Querschnittsverjüngung (%) 55 bis 50 Brinellhärte (Oberfläche) 200

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Stahlzusammensetzung anzugeben, die sich besonders gut als Trägermaterial für die Auskleidung bimetallischer Zylinder eignet, welcher Stahl eine verbesserte Härte und Festigkeit aufweisen soll und mit einer möglichst geringen Vorerhitzung ohne weiters verschweißbar sein soll. Der Stahl soll ferner bei erhöhten Temperaturen stabil sein und keine verbleibenden Spannungen aufweisen, die zu einer Verbiegung unter Betriebsbedingungen bei Strangpressen und Spritzgußmaschinen führen könnten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung in einem niedrig legierten Nickel-Mangan-Stahl zu sehen, der im wesentlichen 0,18 bis 0,23 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,70 bis 0,90 Gewichtsprozent Mangan, 0,20 bis 0,35 Gewichtsprozent Silizium, 0,40 bis 0,60 Gewichtsprozent Chrom, 0,40 bis 0,70 Gewichtsprozent Nickel, 0,15 bis 0,25 Gewichtsprozent Molybdän und als Rest Eisen enthält. Ein derartiger Stahl ist besonders gut als Trägermaterial für

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bimetallische Zylinder geeignet, bei denen die Auskleidung durch Zentrifugalkräfte bewirkt wird. Der Stahl besitzt eine verbesserte Stabilität bei den Temperaturen, die bei diesem durch Zentrifugalkräfte bewirkten Auskleidungsverfahren verwandt werden. Der Stahl besitzt ferner eine verbesserte Verschweißbarkeit und erzeugt geringere verbleibende Spannungen, die bei der Herstellung und bei Betriebsbedingungen zu verbiegungen der Zylinder führen können.

Anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Vorzugsweise findet dabei für die Auskleidung eine Legierung mit der folgenden Zusammensetzung Verwendung:

Bestandteil Gewichtsprozent

Kohlenstoff 0,16 bis 0,35 (0,25)

Nickel 28,50 bis 34,60 (30,40)

Mangan 0,34 bis 0,75 (0,55)

Silizium 0,75 bis 1,90 (1,10)

Chrom 4,50 bis 7,5O (6,30)

Bor 2,25 bis 7,90 (2,40)

Kobalt 28,50 bis 42,00 (34,00)

Tantalcarbid 10,00 bis 35,00 (25,00)

Der als Trägermaterial für eine derartige Legierung dienende Stahl gemäß der Erfindung besitzt folgende Zusammensetzung:

Bestandteil Gewichtsprozent

Kohlenstoff 0,15 bis 0,23

Mangan 0,70 bis 0,90

Silizium 0,20 bis 0,35

Chrom 0,40 bis 0,60

Nickel ' 0,40 bis 0,70

Molybdän 0,15 bis 0,75

Eisen Rest

Der Stahlzylinder wird auf einen Innendurchmesser ausgedreht, der etwas größer als der gewünschte schließliche Durchmesser ist, wobei der Unterschied der Dicke der Auskleidung ent-

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spricht. Eine vorherbestimmte Menge der zur Auskleidung dienenden Legierung wird in der Bohrung des Zylinders angeordnet und metallische Endkappen werden an den Enden des Zylinders angeschweißt. Ein besonderer Vorteil dieses Trägermaterials ist darin zu sehen, daß dieser Stahl ohne oder lediglich mit einer geringen Vorerhitzung verschweißbar ist, während bei bekannten Stahllegierungen verhältnismäßig lange Erhitzungszeiten erforderlich sind, um eine gute Schweißverbindung an den Endkappen herstellen zu können.

Der geschlossene Zylinder wird dann in einen Ofen eingesetzt und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Legierung, der etwa 1149°C (2l00°F) beträgt, während einer Zeitspanne erhitzt, die zum vollständigen Schmelzen der Auskleidungslegierung ausreicht.

Dann wird der Zylinder aus dem Ofen entfernt und in einer horizontalen Lage auf Antriebsrollen gelegt. Der Zylinder wird dann schnell um seine Achse gedreht, um die geschmolzene Legierung entlang der Innenwand des Zylinders durch Zentrifugalkräfte zu verteilen. Der mit einer Auskleidung versehene Zylinder wird während seiner Rotation abgekühlt, um eine gute Haftung der Auskleidung an dem Trägermaterial zu erzielen. Dann wird der Zylinder in ein Bett aus Isoliermaterial wie Sand gebracht, um eine kontrollierte Abkühlung zu ermöglichen, so daß eine gute Haftung zwischen dem Trägermaterial erzielt wird und Rißbildungen in der Auskleidung vermieden werden. Danach werden die Endkappen entfernt und durch Dreharbeiten oder dergleichen übliche Nacharbeiten wird der bimetallische Zylinder fertiggestellt.

Aus dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung des birne tall ischen Zylinders geht hervor, daß der Stahl extremen und plötzlichen Temperaturänderungen ausgesetzt wird. Ferner treten bei der praktischen Verwendung der bimetallischen Stahlzylinder hohe Betriebstemperaturen auf, da die zu verarbeitenden Kunststoffe auf Temperaturen oberhalb ihres Schmelzpunkts erhitzt werden müssen. Bei bekannten Stahlsorten können dabei verbleibende Spannungen während dieser Temperaturen verursacht werden, die zu Verbiegungen führen können. Bei dem Stahl gemäß der Er-

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findung treten bei diesen Temperaturen derartige Spannungen jedoch nicht auf, so daß Verbiegungen weder während der Herstellung noch im Betrieb verursacht werden.

Die mechanischen Eigenschaften dieses Stahls sind ebenfalls wesentlich besser als im Vergleich zu dem erwähnten bevor zugten bekannten Stahl, wie aus einem Vergleich mit der folgenden Tabelle ersichtlich ist.

Z u gfe s t igke it	7734	2 kp/cm
Streckgrenze	7101	kp/cm
Elongation (% in 2")	15
Querschnittsverjüngung (%)	55
Brinellhärte (Oberfläche)	223

Obwohl die beschriebene Stahlzusammensetzung an sich bekannt ist, war bisher nicht erkennbar, daß dieser Stahl für die Herstellung bimetallischer Zylinder verwendbar ist und überraschende Vorteile bringt. Derartige Stahlsorten fanden bisher für einsatzgehärtete Zahnräder Verwendung, die zur Härtung in Holzkohle eingetaucht und erhitzt werden, damit Kohlenstoff in die Oberfläche des Stahls wandert. Bei der Herstellung bimetallischer Zylinder erfolgt jedoch keine Einsatzhärtung.

Mit einem derartigen Stahl als Trägermaterial können bimetallische Zylinder hergestellt werden, die eine erhöhte Lebensdauer besitzen und die mit wesentlich verkürzten Arbeitszei ten hergestellt werden können.

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Claims

Patentansprüche

fl.)Bimetallischer Stahlzylinder, bestehend aus einem niedrig Ie- ^^ gierten Nickel-Mangan-Stahl und einer durch Zentrifugalkräfte aufgebrachten Auskleidung aus einer verschleißfesten und korrosionsbeständigen Legierung, gekennze ichnet durch die folgende Zusammensetzung des Stahls:

Kohlenstoff Mangan Silizium Chrom Nickel Molybdän Eisen

Gewichtsprozent

0,18 bis 0,23 0,70 bis 0,90 0,20 bis 0,35 0,40 bis 0,60 0,40 bis 0,70 0,15 bis 0,25 Rest
2. Bimetallischer Stahlzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Auskleidung folgende Zusammensetzung besitzt:

Bestandteil

Kohlenstoff Nickel Mangan Silizium Chrom Bor

Kobalt Tantalcarbid

Gew ich t spr ozeη. t

0,16 bis 0/35

28., 50 bis 34,60

0,34 bis 0,75

0,75 bis 1,90

4,50 bis 7,50

2,25 bis 7,90

28,50 bis 42,00

^l0'^{00 bis 35}'⁰⁰

INSPECTED
3. Verfahren zur Herstellung eines bimetallischen Stahlzylinders mit einer Stahlzusammensetzung nach Anspruch 1, d a d u r ch gekennzeichnet, daß in die Bohrung des Stahlzylinders eine vorherbestimmte Menge des zur Auskleidung dienenden Legierungsmaterials eingebracht wird, daß die Enden des Zylinders verschlossen werden, daß der verschlossene Zylinder auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Legierungsmaterials, aber unterhalb des Schmelzpunkts.des Stahls erhitzt wird, und daß der Zylinder um seine Achse in Drehung versetzt wird, um die geschmolzene Legierung auf der Innenwand des Zylinders durch Zentrifugalkräfte zu verteilen.