DE2947393A1

DE2947393A1 - Verfahren zum herstellen eines hartmetall-stahlguss-verbundkoerpers

Info

Publication number: DE2947393A1
Application number: DE19792947393
Authority: DE
Inventors: Fritz 4150 Krefeld Frehn
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: Thyssen Stahl AG
Priority date: 1979-11-24
Filing date: 1979-11-24
Publication date: 1981-05-27
Also published as: DE2947393C2; FR2469969A1; JPS5686668A

Description

Verfahren zum Herstellen eines Hartmetall-Stahlguß-Verbundkörpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen nichtlösbarer Verbindungen von mehr als 50 Gew. -% Hartstoff enthaltenden Sinterlegierungen mit Gußlegierungen.

Es ist bekannt, Gußlegierungen unterschiedlicher Zusammensetzung gießtechnisch im Verbund herzustellen, z.B. durch Schleudergießen oder Angießen. Es ist ferner bekannt, verschiedenartige Metalle durch Schweißen, Kleben, Löten oder durch mechanische Mittel, wie Schrauben, Nieten oder dergleichen, miteinander zu verbinden. Weiterhin ist es bekannt, auf metallische Grundkörper andere Metallschichten aufzuspritzen, auf zu -sintern oder aufzudampfen.

Die Verbindung von Hartstofflegierungen, das sind auf pulvermetallurgischem Weg erzeugte Metallegierungen, die einen höheren Anteil an Hartstoff, wie Karbide, Nitride, Boride und Suizide enthalten, mit Gußlegierungen, wie Gußeisen, Stahl- oder anderer Metallguß war bisher nur durch Löten möglich. Zwischen die Verbindungsflächen der zuvor hergestellten Teile wurde eine niedrigschmelzende Lotschicht, etwa Kupfer, gelegt, die aufgeschmolzen wurde, wodurch die Teile miteinander verbunden wurden. Auf diese Weise hat man beispielsweise Hartmetallplättchen auf Drehmeißeln befestigt. Die Haltbarkeit solcher Lotverbindungen war nicht besonders hoch. Zum einen vertrug die Lotschicht keine höheren Temperaturen, weil sie bereits bei verhältnismäßig niedrigeren Temperaturen schmolz, wodurch sich der Verbund löste, zum anderen war auch die mechanische Festigkeit in der Lotzwischenschicht nicht besonders hoch.

Es bestand daher Bedarf für eine bessere Verbindung von Guß- mit Hartstofflegierungen. Da der Schmelzpunkt von Gußlegierungen unter

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der Sintertemperatur von Hartstoff legierungen liegt, scheidet das Ansintern von Hart stoff legierungen an Gußkörper aus. Beim direkten Anguß beider Legierungen ergibt sich keine Verbindung, weil bei der Gießtemperatur noch keine genügende Diffusion mit der Hartstofflegierung wegen deren höherliegender Sintertemperatur eintrat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens, das es auf einfache und wirksame Weise ermöglicht, Hartstoff- mit Gußlegierungen dauerhaft zu verbinden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein aus der gesinterten Hartstofflegierung hergestelltes Teil auf der Verbindungsfläche mit einer Paste aus einer niedrigschmelzenden B, Si, P, C einzeln oder zu mehreren enthaltenden Eisenlegierung bestrichen, die Schicht getrocknet oder in das Hartstofflegierungsteil eingeschmolzen wird, das Teil dann in eine Gußform eingelegt und das mit der Gußlegierung bestehende Teil dann an der Verbindungsstelle durch Angießen mit dem Hartstofflegierungsteil verbunden wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß ein ausgezeichneter Verbund zwischen Hartstoff- und Gußlegierung eintritt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es ermöglicht, die wegen der Legierungsanteile teuren Hartstoffe möglichst sparsam einsetzen zu können und nur dort auf einem Gußteil anzubringen, wo erhöhter Verschleiß auftritt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens soll eine gesinterte Hartstoff legie rung verwendet werden, die mehr als 50 Gew. -% Titankarbid, Rest eine Metallegierung auf Nickel-, Kobalt- und/oder Eisenbasis enthält. Gerade für solche hochhartstoffhaltigen Legierungen ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet, weil sie auf andere Weise nicht mit Gußlegierungen zu verbinden sind, da sie mechanisch nicht bearbeitbar sind, was Voraussetzung für eine der

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herkömmlichen Verbindungsarten ist, bei denen die Teile an den Verbindungsflächen zuvor spanend bearbeitet werden müssen. Dies ist bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entbehrlich. Die Teile können mit mechanisch nicht vorbehandelter Verbindungsfläche de's Hartstofflegierungsteils miteinander verbunden werden.

Bevorzugt wird eine Paste aus einer Legierung auf Eisenbasis mit einigen

Phosphor einzeln oder zu mehreren Prozentgehalten an Bor, Silizium^ühd weniger als 1 % Kohlenstoff, weil diese verhältnismäßig preiswert ist. Die Aufbringung der Zwischenschicht in Pastenform hat sich als einzig gangbare Lösung erwiesen, um einen einwandfreien Verbund zwischen Hartstoff- und Gußteil zu erzeugen. Dies war für den Fachmann nicht vorhersehbar.

Die erfindungsgemäße Lösung, die ein einwandfreies Belegen aller Hartstoffe bis zu 70 % Karbid, insbesondere Titankarbid, ermöglicht, ist wie folgt:

Die mit Gußeisen, Stahlguß, Messing, Bronce oder ähnlichen Gußlegierungen zu hintergießenden Hartstoffe werden von der Sinterhaut oder etwaigem Zunder befreit durch Schleifen, Bürsten, Beizen oder ähnliche Verfahren. Ein Aufrauhen ist nicht erforderlich. Dann werden diese Flächen mit einer Paste aus einer niedrigschmelzenden Legierung auf Eisenbasis mit Bor und Silizium bestrichen. Bewährte Pasten nach eigenen Rezepten sind:

1) Eine niedrigschmelzende pulverisierte Bor-Silizium-Kohlenstoff-Eisenlegierung wird mit 0, 5 % eines Polymerisat-Harzes der Acrylsäure (Plexisol 550), gelöst in Benzin oder Hydronaphthalin, zu einem Brei angerührt.

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2) Gedüstes B/Si/Fe-Pulver wird mit I₁ 5 % Feststoffanteil der Acrylsäure, gelöst in Decahydronaphthalin und Aceton, zu einer Paste verrührt.

Die Pasten werden mittels Spachtel aufgetragen und an Luft getrocknet bis zum Festhaften und Erhärten. Anschließend kann im Ofen eingeschmolzen werden, je nach Legierung bei 1050 bis 1180 C. Normale Gas- bzw. Elektroöfen genügen dafür, wenn die niedrigschmelzenden Legierungen genügend Silizium enthalten, daß sich eine Bor-Silikat-Schlacke bilden kann, die vor Oxydation schützt. Vorteilhafter sind Schutzgasöfen oder Vakuum-Gasofen.

Wenn zur Schmelzpunkterniedrigung vornehmlich Bor oder Phosphor benutzt werden, also keine schützende Silikatschlacke entstehen kann, wird zum Einschmelzen bzw. Einsintern zweckmäßig ein Vakuumofen mit Gaskühlung benutzt.

Je sauberer die eingeschmolzenen Schichten bzw. Flächen sind, je einwandfreier wird der Verbund. Es stören dann keine Oxideinschüsse oder sonstige Verunreinigungen den Verbund.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Verwendung einer Paste gemäß der Erfindung oftmals das Einschmelzen erübrigt. Das nach dem Aufbringen der Paste gut getrocknete Hartstoffteil kann dann sofort hintergossen werden. Der Verbund hängt davon ab, welche Legierung verwendet wird, das heißt, die Diffusionsmöglichkeit der Schicht mit dem Hartstoff und dem Guß muß durch Angleichen der Legierungskomponenten weitgehend erleichtert werden, zumal die Karbide fast immer schlecht benetzbar sind.

Erste Voraussetzung ist aber eine Paste, deren Bindekomponente frühzeitig entweicht und die Diffusionen nicht durch Rückstandsprodukte

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behindert. Das aufgeführte Plexisol hat sich dafür bestens bewährt.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich folgende Vorteile:

1) Bisher bekannte Teile aus Guß, Stahlguß, Hartguß, Buntmetallen und ähnlichen, deren Verschleißwiderstand nicht ausreicht, können auf einfache wirtschaftliche Weise mit höchstverschleißfestem Hartstoff belegt werden.

2) Günstige Bearbeitungsmöglichkeiten, da die Hartstoffschicht nur dünner zu sein braucht und Gußlegierungen gut bearbeitet werden können.

3) Konstruktionsänderungen der Gußteile sind nicht erforderlich.

4) Hohe Stabilität der Verschleißteile durch den Verbund, auch bei höchstkarbidhaltigen Hartstoffen mit bis 70 % Karbid und Härten bis 85 HRC.

Ein großes Anwendungsgebiet tut sich auf durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung, vor allem auf dem Sektor Verschleiß, wo Hartstoffe mit höchstem Karbidgehalt, also bis zu 70 % und Härten bis 85 HRC erforderlich werden. Anwendungsbeispiele sind:

Sandstrahlschaufeln, Schleuderräder, Prallplatten, Rutschen, Baggerzähne, Raupenketten, Pumpenräder, Pumpengehäuse, Wellenschutzlager, Wellenschutzhülsen, Ventilkegel, Ventilsitze, Extruderschnecken, Extrudergehäuse, Messer aller Art, vor allem zum Schneiden von Kunststoffen, Brikettpreßformen, Diskenscheiben, Schläger, Schlagleisten, Mi s eher schau fein, Strahldüsen, Transportrollen, Walzen, Glasformen, Matrizen und Stempel aller Art.

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Anhand der folgenden Beispiele soll die Erfindung näher erläutert werden:

Beispiel 1

0, 75 % Kohlenstoff

1, 00 % Silizium
1, 50 % Mangan
0, 50 % Molybdän
0, 80 % Kupfer

0, 18 % Vanadium
0, 02 % Bor
Rest Eisen

40 Gew. -% dieser Legierung in Pulverform wurde mit 60 Gew. -% Titankarbid in Pulverform gemischt, gemahlen und gesintert.

Dieser Sinterung wurde an der mit Gußeisen zu verbindenden Stelle überschliffen und mit einer Paste bestrichen, die folgende Zusammensetzung hatte:

2,0 % Bor
3,0% Silizium
0, 02 % Kohlenstoff
4, 5 % Nickel
Rest Eisen

Anschließend wurde der Sinterung in eine Form eingelegt und mit Gußeisen hintergossen.

Nach einer Wärmebehandlung durch Austenitisieren bei 840 C im Vakuum und Abschrecken unter Stickstoff mit einem Überdruck von 1,5 Atü, erreicht die Legierung eine Härte von 80 HRC.

Das Gußeisen zeigt eine Härte von 210 Brinell (HB 30), während die Verbundschicht eine Härte von 22 HRC aufweist.

Eine Bearbeitung auf bestimmte Maße ist von der Gußseite aufgrund der vorstehend genannten Härtewerte trotz einer entsprechenden Wärmebehandlung gut möglich. Dieser Verbund zwischen dem hochharten Hartstoff und einem verhältnismäßig weichen Gußeisen über eine mittelharte

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Verbundschicht gewährleistet, daß auch bei hohen Schlagkräften die mit Guß im Verbund hergestellte spröde Hartstoffplatte schlimmstenfalls zerspringen, aber nicht abfliegen kann. Dies ist ein besonders wichtiges Kriterium, da sonst die Maschinen durch herumfliegende Teile zerstört würden, wie es zum Beispiel bei Schleuder schaufeln für Sandstrahlgebläse der Fall sein kann.

Beispiel 2

Eine andere Matrix einer hochmanganhaltigen Hartstofflegierung hat folgende Zusammensetzung:

0, 75 % Kohlenstoff

1, 00 % Silizium
12, 50 % Mangan

0, 50 % Molybdän
0, 80 % Kupfer
0, 18 % Vanadium
0, 02 % Bor
Rest Eisen

Die Herstellung des Verbundkörpers erfolgte wie im Beispiel 1.

Nach einer Wärmebehandlung von 840 C Austenitisierungstemperatur und Abschrecken unter Stickstoff von 1, 5 Atü Überdruck und Anlassen bei 150°C ergab die Hartstofffläche eine Härte von 77/78 HRC. Der etwas niedrigere Härtewert gegenüber der Legierung 1 liegt darin, daß bewußt Restaustenit erzeugt werden soll, der bei bestimmten Verschleißproblemen besonders gute Eigenschaften besitzt als sogenannter Reibmartensit, der sich bei Belastung aus dem Austenit bildet.

Beispiel 3

Die Matrix einer weiteren gangbaren Hartstofflegierung mit hohem Karbidgehalt ist wie folgt zusammengesetzt:

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O, 75 % Kohlenstoff 14, OG % Chrom 3, 00 % Molybdän 0, 40 % Nickel 0, 80 % Kupfer 1,00 % Aluminium 0, 50 % Vanadium 0, 02 % Bor Rest Eisen

Der Karbidgehalt dieser Hartstofflegierung liegt ebenfalls bei 60 Gew. -%.

Nach dem Hintergießen mit Gußeisen über eine anders geartete Zwischenschicht mit einem niedrigen Schmelzpunkt von 1080 C in folgender Zusammensetzung:

1,5 % Bor 2,5% Silizium 0, 02 % Kohlenstoff Rest Eisen

ergibt sich nach einer Wärmebehandlung von 1090 C Austenitisierung im Vakuumofen und Abkühlung unter Stickstoff bis Normaldruck mit anschließendem Anlassen 2 h bei 52 0°C eine Härte der Hart stoff platte von 78 - 79 HRC.

Die Verbundzone weist eine Härte von 25 HRC auf und das Gußeisen liegt bei einer Härte von 200 Brinell (HB 30).

Beispiel 4

Eine weitere wichtige Legierung hat die Matrixzusammensetzung wie folgt:

14, 00 % Chrom 9, 00 % Kobalt 5, 50 % Nickel 5, 00 % Molybdän 1, 00 % Aluminium 1,00% Titan 0, 80 % Kupfer Rest Eisen

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Der Titankarbidgehalt liegt ebenfalls bei 60 Gew. -%.

Es handelt sich um eine der sogenannten nickelmartensitischen Legierungen, die nur durch Auslagerung gehärtet werden.

Hier wurde ein Verbund mit einem Gußeisen mit Kugelgraphit und einer Härte von 160 Brinell (HB 30) vorgenommen.

Nach der üblichen Wärmebehandlung für Nickelmartensite, nämlich 6 h bei 480 C ausgelagert, ergab sich für den Hartstoffteil eine Härte von 75 - 78 HRC, während die Zwischenschicht eine Härte von 30 HRC aufwies und das Gußeisen 150 HB 30 zeigte.

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Claims

Thyssen Edelstahlwerke 2947393 Aktiengesellschaft Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen nicht lösbarer Verbindungen von mehr als

50 Gew.-% Hartstoff enthaltenden Sinterlegierungen mit Gußlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus der gesinterten Hartstofflegierung hergestelltes Teil auf der Verbindungsfläche mit einer Paste aus einer niedrigschmelzenden Bor, Silizium, Phosphor einzeln oder zu mehreren enthaltenden Eisenlegierung bestrichen, die Schicht getrocknet oder in das Hartstofflegierungsteil eingeschmolzen wird, das Teil dann in eine Gußform eingelegt und das aus der Gußlegierung bestehende Teil dann an der Verbindungsstelle an das Hartstofflegierungsteil angegossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesinterte Hartstofflegierung verwendet wird, die mehr als 50 Gew. -% TiC, Rest eine Metallegierung auf Ni-, Co- oder Eisenbasis enthält.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste aus einer Legierung auf Eisenbasis mit einigen Prozentgehalten an Bor, Silizium, Phosphor einzeln oder zu mehreren und weniger als 1 % Kohlenstoff hergestellt wird.

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ORIGINAL INSPECTED