DE2919477C2

DE2919477C2 - Verschleißfester Verbundwerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung des Verbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE2919477C2
Application number: DE2919477A
Authority: DE
Inventors: Johannes 4100 Duisburg Jachowski; Rudolf 4300 Essen Mohs
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1979-05-15
Filing date: 1979-05-15
Publication date: 1982-08-05
Also published as: BR8002988A; FR2456784B1; US4365997A; FR2456784A1; DE2919477A1; GB2053269A; CA1164686A; GB2053269B

Description

weiterhin, wenn die mit Hartstoffen und/oder Hartmetallen versehene Metallmatrix mit einer hartstoff- bzw. hartmetallfreien Metallschicht fest verbunden ist Die letztere Ausgestaltung besitzt insbesondere den Vorteil, daß der Verbundwerkstoff leicht auf einem Maschinenelement als Schicht und damit als Träger der Verschleißfestigkeit aufgebracht werden kann.

Insbesondere bieten sich als Hartmetalle und/oder Hartstoffe Wolframcarbide vom WC-, W₂C-TyP, Titancarbide und/oder Tantalcarbide an. Weiterhin sind Hartmetall-Schrott-Einlagerungen von großem Nutzen. Solche Hartmetall-Schrottpartien fallen oftmals in Körnungen von 0,5—5 mm in Hartmetall-Fertigungsbetrieben als Abfallstoffe bzw. Schrott an und können somit einer wirtschaftlichen Weiterverarbeitung unterzogen werden.

* Vorzugsweise verwendet man ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, bei dem auf eine nach dem Erschmelzen in eine Form gegossene, flüssige Metallegierung Hartmetall- und/oder Hai tstoffkörner von vorzugsweise 0,5— 1 mm Größe unter gleichzeitiger Abkühlung der Schmelze gegeben werden. Die keramische Form wird vorteilhafterweise vorgeheizt, wobei eine Aufheizung von 800—1200°C bevorzugt wird. Äußerst günstig auf die Struktur des erfindungsgemäßen Verbundstoffes wirkt es sich aus, wenn die Hartmetall und/oder Hartstoffkörner in einer vibrierenden Form in die Schmelze gegeben werden.

Aufgrund ihres hohen spezifischen Gewichtes sinken die Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner zum Formboden, wobei sie von der Schmelze an ihrer Oberfläche angelöst werden. Das gleichzeitig einsetzende Vibrieren der Form sorgt dabei für eine gleichmäßige Verteilung des Hartmetall- und/oder Hartstoffzusatzes am Formboden. Mit dieser Verfahrensweise werden Verbundwerkstoffe hergestellt, die eine gleichmäßige Verteilung der Hartstoff- und/oder Hartmetallkörner in der Metallmatrix am Formboden aufweisen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Hartmetall- bzw. Hartstoffkörner in eine rückstandslos vergasbare Kunststoffvorlage eingebettet, die dann vor dem Abguß in die Form gegeben wird. Über der flüssigen Metallmenge verdampft der Kunststoff, wodurch die Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner freigesetzt werden und gleichzeitig in die Schmelze rieseln.

Um die Aufbringung des verschleißfähigen Verbundwerkstoffs als Verschleißschutzschicht auf besonderen Maschinenteilen zu erleichtern, wird die mit Hartmetall- und/oder Hartstoffeinlagerungen versehene Metallmatrix auf eine hartmetall- und/oder hartstofffreie Metallschicht aufgelötet oder damit verschweißt

Vorteilhafterweise werden die verschleißfesten Verbundwerkstoffe auf Werkzeuge aufgeschweißt bzw. aufgelötet, die einem starken abrasiven Verschleiß unterliegen, wie z. B. Baggerschaufeln und Gesteinsbohrkronen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und soll im folgenden näher erläutert werden. Es zeigen

F i g. 1 und F i g. 2 schematische Darstellungen von Gußformen im Querschnitt

Zur Herstellung von Formkörpern der Größe 35 χ 15 χ 100 mm³ aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff wird im Induktionsschmelzofen eine Legierung der Zusammensetzung 3,0 Gew.-% C, 0,5 Gew.-% Si, 1 Gew.-% Mn, 1 Gew.-% Cr, 8 Gew.-% W, 1,6 Gew.-% V, 0,01 Gew.-% Al, Rest Fe, geschmolzen. Die Schmelze wird bei einer Temperatur von 1520° C in eine ca. 1000° C heiße keramische Form 1 mit den Gußstückmaßen 35 χ 100 χ 80 mm¹ vergossen, wie in Fig. 1 dargestellt Nach Beendigung des Gießens wird ein Hartmetallzusatz mit einer Körnung von 0,5-1 mm in die sich in der Form befindliche Schmelze 2 gegeben. Die Hartmetallkörner sinken aufgrund ihres höheren spezifischen Gewichtes zum Formboden, wobei sie von der Schmelze an ihrer Oberfläche angelöst werden. Gleichzeitig wird die Form unter Vibration gesetzt, womit eine gleichmäßige Verteilung der Hartmetalikörner am Formboden erreicht wird. Das Gewichtsverhältnis der Metallschmelze zu den Hartstoff- bzw. Hartmetallkörnern beträgt 5 :1.

Die in Fig.2 schematisch dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer keramischen Form 1 und einem Gußtrichter 3.

In den Gußtrichter 3 wird die Schmelze eingegeben und fließt steigend in die Form 4, während sich oberhalb der Schmelze ein rückstandslos verdampfbarer Kunststoff 5 mit einer eingelagerten Mischung aus Hartmetall- und/oder Hartstoffkörnern befindet.

Diese Kunststoffvorlage wird so in die bis zu 200° C aufgeheizte Form eingebaut, daß beim Gießen während des Verdampfens des Kunststoffs 5 die Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner in die Schmelze rieseln, wo sie sich gleichmäßig am Boden der Metallmatrix verteilen. Für ein gleichmäßiges Einbringen von Hartmetall- und/oder Hartstoffkörnern in die Schmelze sind bekanntlich eine gute Benetzbarkeit der einzelnen Körner durch die Schmelze und ein genau ausgewogenes Verhältnis von Temperatur und freier Schmelzoberfläche zum Gewicht und der Oberfläche des Zugabematerials von wesentlicher Bedeutung. Einerseits darf, da die Schmelze ständig an Temperatur verliert, das Zugeben nicht zu lange dauern, andererseits führt ein zu schnelles Zugeben zu einer Oberflächenerstarrung der Schmelze, wodurch ein gleichmäßiges Absinken der Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner verhindert wird. Durch die rückstandslos vergasbare Kunststoffvorlage, in die die Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner eingelagert sind, wird das Zugeben des körnigen Materials in die Schmelze optimiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patenansprüche:

1. Verschleißfester Verbundstoff, der aus einer Metallmatrix besteht, in die Hartstoffe und/oder Hartmetalle in körniger, stückiger Form eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte oder gegossene Metallmatrix aus 1 bis 4 Gew.-% C 03 bis 0,6 Gew.-% Si, 03 bis 1.5 Gew.-% Mn, 0,8 bis 23 Gew.-% V, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Cr, 2 bis 10 Gew.-% W, 0,01 Gew.-% Al, Rest Fe besteht, daß die Ausgangseinwaage an Hartstoff bzw. Hartmetalt zu der Metallmatrix ein Verhältnis von 1:5 aufweist und daß die Körnung der Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen 0,5 bis 5 mm beträgt

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, gekenn- '5 zeichnet durch Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen einer Körnung von 0,1 — 1 nun.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Metallmatrix, die 23—3,5 Gew.-% C, 0,4-0,5 Gew.-% Si, 0,8-1,2 Gew.-% Mn, 13- 23 Gew.-% V, 03- 1,2 Gew.-% Cr, 5-8 Gew.-% W, Rest Fe enthält

4. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hanstoff- und/oder Hartmetalleinlagerungen versehene Metallmatrix mit einer hartstoff- bzw. hartmetallfreien Metallschicht fest verbunden ist

5. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch Wolframcarbide vom WC-Typ, W₂C-TyP und/oder Titancarbide, Tantalcarbide als Hartstoffe.

6. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch titanfreie Hartmetalleinlagerungen.

7. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerk-Stoffs nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine nach dem Erschmelzen in eine Form gegossene, flüssige Metallegierung Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner von 0,5 bis 5 mm Größe, unter gleichzeitiger Abkühlung der Schmel- « ze, gegeben werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorgeheizte keramische Form verwendet wird.

9. Verfahren nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch « gekennzeichnet, daß die Gußform auf ca. 800 -1200° C vorgeheizt wird

10. Verfahren nach Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner in die Schmelze in einer vibrierenden Form gegeben werden.

11. Verfahren nach Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetall- und/oder Hartstoffkörner in eine rückstandslos vergasbare Kunststoffvorlage eingebettet werden und diese Kunststoffvorlage auf die Schmelze gegeben wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hartmetall- und/oder Hartstoffeinlagerungen versehene Metallmatrix auf eine hartmetall- bzw. hartstofffreie Metallschicht aufgelötet oder verschweißt wird.

13. Verwendung des Verbundwerkstoffs nach Ansprüchen 1 bis 6, auf abrasiv-verschleißbeanspmchten Werkzeugen wie Baggerschaufeln und Gesteinsbohrkronen.

Die Erfindung betrifft einen verschleißfesten Verbundwerkstoff, der aus einer Metallmatrix besteht, in die Hartstoff und/oder Hartmetalle eingelagert sind. Unter Hartstoffen versteht man Carbide, Nitride, Boride, Suizide und Oxide mit einer großen Härte. Zu den Hartmetallen zählen die Stellite, Gußlegierungen auf Co—Cr-W—C-B-Basis und die mit Co gesinterten Hartmetalle auf der Basis Wolframcarbid und/oder Titancarbid bzw. Tantalcarbid.

Nach dem Stand der Technik ist es üblich. Maschinenteile, die einen starken Verschleiß unterliegen, u.a. mit Aufschweißlegierungen zu panzern, bei denen in die von dem Schweißelektrodenmantel gebildete Metallmatrix Hartstoffe und/oder Hartmetalle eingelagert sind. Solche Aufschweißlegierungen werden in dünnen Schichten auf die stark beanspruchten Maschinenteile gebracht Sie besitzen jedoch den Nachteil, einerseits nur gering thermisch und mechanisch belastbar zu sein, und andererseits nur relativ kurze Standzeiten aufweisen zu können. Um die Standzeiten zu erhöhen, müßten die Aufschweißlagen verdickt werden, was nicht möglich ist, weil thermisch bedingte, mechanische Spannungen dann noch leichter zum Ablösen der Schutzschichten führen.

Erstmals in der DE-OS 26 30 932 wird ein Verbundwerkstoff beschrieben, der aus einer Metallmatrix mit eingelagerten Hartmetallkugeln bzw. Hartstoffkugeln besteht Ec ist aus Hartmetallen der Zusammensetzung 94 Gev/.-% WC und 6 Gew.-% Co bzw. WzC-Hartstoffen und einer Metallmatrix aus Sintereisen, Sinterstahl, Gußeisen oder Gußstahl zusammengesetzt, wobei das Gewichtsverhältnis vom Hartmetall bzw. Hartstoff zu der Metallmatrix 1 :1 bis 1 :0,1 beträgt

Es hat sich jedoch gezeigt, daß derart zusammengesetzte Verbundwerkstoffe die an sie gestellten Anforderungen nicht erfüllen können. Die Hartmetall- bzw. Hartstoffkugeln von 2 bis 10 mm Größe brechen leicht aus der Metallmatrix, so daß keine wesentlich besseren Standzeiten als bei den bisherigen Aufschweißlegierungen zu erreichen sind. Im übrigen bereitet die Herstellung des in der DE-OS 26 30 932 beschriebenen Verbundwerkstoffs große Schwierigkeiten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verschleißfesten Verbundwerkstoff zu schaffen, der aus einer Metallmatrix besteht, in die Hartstoffe und/oder Hartmetalle in körniger Form eingelagert sind, der im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik bekannten Verbundwerkstoffen insbesondere eine hohe Härte und Zähigkeit sowie eine vornehmlich gegen den abrasiven Verschleiß wirkende Festigkeit besitzt

Die Aufgabe wird durch einen Verbundwerkstoff gelöst, der aus einer gesinterten oder gegossenen Metallmatrix der Zusammensetzung 1-4 Gew.-% C, 03-0,6 Gew.-% Si, 0^-14 Gew.-% Mn, 0,8-2,8 Gew.-% V, 03 -13 Gew.-% Cr, 2 -10 Gew.-% W, 0,01 Gew.-% Al, Rest Fe, besteht und in den Hartstoffe und/oder Hartmetalle einer Körnung von 0,5—5 mm eingelagert sind. Das auf die Ausgangseinwaage bezogene Gewichtsverhältnis von Hartstoff bzw. Hartmetall zu der Metallmatrix beträgt 1 :5.

Dieser Verbundwerkstoff besitzt eine hohe Härte und überraschenderweise eine große Zähigkeit

In einer Weiterführung der Erfindung besteht die Metaltmatrix vorzugsweise aus 23 — 3,5 Gew.-% C, 0,4-03 Gew.-% Si, 0,8-U Gew.-% Mn, 1,5-23 Gew.-% V, 03- U Gew.-% Cr, 5-8 Gew.-% W, Rest Fe, und enthält Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen einer Körnung von 0,1-1 mm. Vorteilhaft ist es