DE2947393C2

DE2947393C2 - Verfahren zum Herstellen eines Hartmetall-Stahlguß-Verbundkörpers

Info

Publication number: DE2947393C2
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: 1982-10-14
Also published as: JPS5686668A; FR2469969A1; DE2947393A1

Description

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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. Bei direktem Anguß einer Schicht an eine feste Schicht ergibt sich vielfach keine genügende Verbindung. Daher wird (DE-AS 26 07 684) zur Verbesserung der Haftung von Schichten aus unterschiedlichen Stahlsorten eines durch Verbundgießen erzeugten Körpers empfohlen, auf die Verbindungsfläche der einen festen Schicht einen Überzug aus einer niedrigschmelzenden Nickel-Chrom-Bor-Silizium-Legierung aufzutragen.

Es ist ferner bekannt, verschiedenartige Metalle durch Schweißen, Kleben, Löten oder durch mechanische Mittel, wie Schrauben, Nieten oder dergleichen so miteinander zu verbinden, Weiterhin ist es bekannt, auf metallische Grundkörper andere Metallschichten aufzuspritzen, aufzusintern 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 anderem Metallguß erfolgt in den meisten Fällen mit Hilfe eines auf die Verbindungsfläche aufgebrachten Lotes, das bei verhältnismäßig niedriger Temperatur schmilzt und eine Verbindung der beiden Schichten bewirkt. Auf diese Weise hat man beispielsweise Hartmetallplättchen auf Drehmeißeln befestigt. Die Haltbarkeit solcher Lotverbindungen ist nicht besonders hoch. Zum einen verträgt die Lotschicht keine höheren Temperaturen, weil sie bereits bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen schmilzt, wodurch sich der Verbund löst. Zum anderen ist auch die mechanische Festigkeit in der Lotzwischenschicht nicht sehr hoch.

Aus der DE-AS 23 52 789 ist das Umgießen eines Hartmetallteils mit einer Gußlegierung bekannt Eine Zwischenschicht ist dabei nicht vorgesehen. Dafür erfolgt das Umgießen des Hartmetallteils mit dem Metall formschlüssig, so daß eine gute Umklammerung durch den Gußwerkstoff eintritt. Ein solches fornischlüssiges Umgießen des Hartmetallteils ist jedoch nicht in allen Fällen möglich. Außerdem tritt an der Berührungsfläche zwischen den Schichten keine Verbindung zwischen ihnen ein.

Daher wird gemäß der DE-PS 6 72 257 vorgeschlagen, Werkstücke mit Hartmetallauf- oder -einlagen zu versehen, indem Hartmetall in Pulverform, gepreßtem oder vorgesintertem Zustand in eine Gießform eingebracht, mit einem Schutzgitter aus Metall, z. B. Molybdän, bedeckt und die Gießform dann mit flüssigem Trägermetall gefüllt wird, wobei ein Teil des Trägermetalls in das Hartmetall einseigert Das Schutzgittermaterial soll beim Angießen nicht niederschmelzen, mit dem Trägermetall wie auch mit dem Hartmetall aber eine gute Verbindung (Feststoffdiffusion) eingehen. Bei diesem bekannten Verfahren ist die Hartmetallschicht nicht fertiggesintert, so daß ihre Festigkeit entsprechend niedrig ist. Auch beim Angießen findet eine Fertigsinterung nicht statt, weil die Gießtempratur in jedem Fall unterhalb der Sintertemperatur des Hartmetalls liegt

Da der Schmelzpunkt von Gußlegierungen unter der Sintertemperatur von Hartstofflegierungen liegt, scheidet auch das Ansintem von Hartstofflegierungen an Gußkörper aus.

Es bestand daher Bedarf für eine bessere Verbindung von Guß- und Hartstofflegierungen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das es auf einfache und wirksame Weise ermöglicht, Hartstoff- mit Gußlegierungen dauerhaft zu verb>..den.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein aus der gesinterten Hartstoff legierung hergestelltes Teil auf der Verbindungsfläche mit einer Paste aus einer niedrigschmelzenden B, Si, P, C einzeln oder zu mehreren enthaltenden Eisenlegierungen bestrichen, die Schicht getrocknet oder in das Hartstofflegierungsteil eingeschmolzen wird, das 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 Hartstofflegierung verwendet werden, die mehr als 50 Gew.-% Titankarbid, Rest einer Metallegierung auf Nickel-, Kobalt- und/oder Eisenbasis enthält. Gerade für solche hochhartstoffhaltigen Legierungen ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet, weil sie mechanisch nicht bearbeitbar sind, was Voraussetzung für eine der 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 1) Verbindungsfläche des Hartstofflegierungsteils miteinander verbunden werden.

Bevorzugt wird eine Paste aus einer Legierung auf Eisenbasis mit einigen Prozentgehalten an Bor, Silizium, Phosphor einzeln oder zu mehreren und weniger als 1 % 2) Kohlenstoff, weil diese verhältnismäßig preiswert ist Die Aufbringung der Zwischenschicht in Pastenform hat sich als einzig gangbare Lösung erwiesen, um einen 3) einwandfreien Verbund zwischen Hartstoff- und Gußteil zu erzeugen. Dies war für den Fachmann nicht 4) 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 d&rch 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:

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

Günstige Bearbeitungsmöglichkeiten, da die Hartst off schicht nur dünner zu sein braucht und Gußlegierungen gut bearbeitet werden können.
Konstruktionsänderungen der Gußteile sind nicht erforderlich.

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

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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

2) Gedüstes B/Si/Fe-Pulver wird mit 1,5% 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-Gasöfen.

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 behindert. Das aufgeführte Plexisol hat sich dafür bestens bewährt.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich folgende Vorteile:

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, Pumpengehädse, Wellenschutziager, Wellenschutzhülsen, Ventilkegel, Ventilsitze, Extruderschnecken, Extrudergehäuse, Messer aller Art vor allem zum Schneiden von Kunststoffen, Brikettpreßformen, Diskenscheiben, Schläger, Schlagleisten, Mischerschaufeln, Strahldüsen, Transportrollen, Walzen, Glasformen, Matrizen und Stempel aller Art.

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 840⁰C 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 Verbundschicht gewährleistet, daß auch bei hohen Schlagkräften die mit Guß im Verbund hergestellte spröde Hartstoffplatte schlimmstenfalls zerspringen, aber nicht abfließen kann. Dies ist ein besonders wichtiges Kriterium, da soast die Maschinen durch herumfliegende Teile zerstört würden, wie es zum Beispiel bei Schleuderschaufeln für Sandstrahlgebläse der Fall sein kann. _{Beispiel 2}

Eine andere Matrix einer hochmanganhaltigen Hartsf?fflegierung hat folgende Zusammensetzung:

0,75% Kohlenstoff

1,00% Silizium

12,50% Mangan

0,50% Molybdän

030% 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 Beispiels

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

0,75%	Kohlenstoff
14,00%	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^% 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 520° C eine Härte der Hartstoffplatte 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

530% Nickel

5,00% Molybdän

1,00% Aluminium

1,00% Titan

030% Kupfer

Rest Eisen

Der Titankarbidgehalt liegt ebenfalls bei 60 Gew.-%.

Es handelt sich um eine der sogenannten nickelmartensitische 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 Nickelmar-

tensite, nämlich 6 h bei 480° C ausgelagert, ergab sich für den Hartstoff teil eine Härte von 75-78 HRC, während die Zwischenschicht eine Härte von 30 HRC aufwies und das Gußeisen 150 HB 30 zeigte.

Claims

Patentansprüche:

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 einzein 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.