DE3339118A1

DE3339118A1 - Verfahren zur herstellung von metallbloecken mit eingelagerten hartstoffkoernern

Info

Publication number: DE3339118A1
Application number: DE19833339118
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(grad.) 6719 Carlsberg Schatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-28
Filing date: 1983-10-28
Publication date: 1985-06-05
Also published as: CN85101589A; ZA848364B; DE3515382A1; DE3339118C2; JPS6114065A; DD239962A5

Description

Verfahren zur Herstellung von Metallblöcken
mit eingelagerten Hartstoffkörnern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallblöcken aus einer Metallschmelze, die in einer Kokille aus einer oberen Heizzone in eine untere Kühlzone, vorzugsweise in Kühlwasser, mit einer solchen Geschwindigkeit verbracht, vorzugsweise abgesenkt wird, wie die Erstarrung der Schmelze fortschreitet.
Es ist bekannt, Metallblöcke durch kontrollierte Abkühlung weitgehend seigerungsfrei aus einer Schmelze herzustellen. Um ein Metall bestimmter Eigenschaften zu erhalten, werden unterschiedliche Legierungsbestandteile der Schmelze zugeführt, die je nach Konzentration der Dotierungen und je nach dem Abkühlungsverlauf in verschiedener Weise auskristallisieren und damit bestimmte Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, Schweißbarkeit, Abriebfestigkeit und Bearbeitbarkeit bieten. Hierbei wird jeweils ein Kompromiß der Eigenschaften je nach dem gewünschten Anwendungszweck eingegangen.
So ergibt sich für Stahl, daß hohe Zähigkeit nur bei geringem Verschleißwiderstand z. B. bei Manganhartstahl und hoher Verschleißwiderstand nur mit geringer Zähigkeit z. B. bei karbidhaltigem Sonderguß und mittlere Zähigkeit und mittlerer Verschleißwiderstand bei legiertem Stahlguß erreicht wird.
Um diesem Dilemma zu entgehen, werden starkem Verschleiß und hoher Beanspruchung unterliegende Bauteile aus einem zähen Material erstellt und durch Hartauftragsschweißen mit einer Panzerschicht versehen, die einen erhöhten Karbidanteil enthält, der unter Umständen durch stetiges Einstreuen von Metallkarbiden in das Schweißbad erreicht wird. Dieses Verfahren ist außerordentlich aufwendig und bringt nur begrenzten Erfolg, da die Panzerschichten nur in begrenzter Lagendicke aufgetragen werden können und zum Abplatzen neigen. Beim Auftragen in mehreren Lagen treten unkontrollierte Härterisse auf, die noch eher zum Ausbröckeln führen können.
Eine gewisse Verbesserung dieser Verhältnisse ist durch Autogenschweißen zu erreichen, wobei mehrlagige Raupen gelegt werden können. Dieses Verfahren ist aber kaum zu automatisieren, so daß sehr hohe Lohnkosten auftreten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu offenbaren, nach dem Metallblöcke relativ einfach großtechnisch hergestellt werden können, die sowohl hohe Zähigkeit als auch hohen Verschleißwiderstand aufweisen.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß in Form von Pulver, Granulat oder Kristallkörnern aus Hartstoff, der in der Schmelze unlöslich ist und eine höhere Dichte als die Schmelze besitzt, vor und/oder während des Abkühlens derart dosiert und derart verteilt auf die Oberfläche der Schmelze gestreut wird, daß unter Berücksichtigung der Sinkgeschwindigkeit bzw. T ransitzeit der Hartstoffkörner beim Durchlauf durch die jeweilige Schmelzenhöhe ein vorgegebener Dotierungskonzentrationsverlauf in dem Block entsteht.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüche dargestellt.
Es ist ein Vorteil des Verfahrens, daß die Blöcke, sofern sie auf Stahl basis hergestellt sind, warmverformbar und schweißbar sind.
So können leicht Meißelprofile, Turbinenschaufeln, Pflugschare usw.
aus dem Material geschmiedet werden und Halterungen, Schäfte usw. an die auf Verschleiß beanspruchten Teile angeschweißt werden.
Es ist ein weiteres vorteilhaftes Verfahren, die Blöcke zonenweise, z. B. nur in den später einer Verschleißbeanspruchung ausgesetzten Außenflächen, mit Hartstoff zu dotieren, so daß undotierte Zonen vorteilhaft auch spanabhebend bearbeitet werden können. So können z. B. größere Blöcke oder Hohlblöcke in den nicht dotierten Zonen in Scheiben oder Ringe zersägt werden.
Es ist ein weiterer Vorteil des Verfahrens, daß es auch für NE-Metalle, z. B. Leichtmetallegierungen verwendbar ist. Dadurch entstehen ganz neuartige Möglichkeiten der Konstruktion von verschleißfesten Panzerungen, Flugzeug- oder Raketenteilen.
Diese ganz neuartige Familie von Werkstoffen dient somit nicht nur der Verbesserung der Standfestigkeit bestehender verschleißbeanspruchter Maschinenteile und Werkzeuge oder der Verbilligung ihrer Herstellung; sondern es ergeben sich völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten für Baugruppen, bei denen die geforderten unterschiedlichen Eigenschaften durch zusammengesetzte Bauteile, z. B. Hartmetalleinsatz im Bohrer oder Schneidstahl verwirklicht wurden.
Besonders vorteilhaft ist auch der Einsatz des neuen Materials in Bauteilen, die dem Verschleiß unterliegen und eine möglichst hohe Haftreibung bieten sollen, z. B. in Radkränzen von Schienenfahrzeugen, da die Hartstoffkömel, die geringfügig aus der Oberfläche heraustreten, zu einer Erhöhung der Rauhigkeit und damit der Haftreibung führen. Dieser Effekt kann durch geeignete Auswahl der Korngröße und Korngestalt des Hartstoffes den jeweiligen Anwendungsbedingungen angepaßt werden.
Die vorteilhafte Eigenschaftenkombination eines mit Wolframkarbid dotierten Stahls seien hier nochmals zusammengestellt: - hochverschleiß-, abrieb- und schlagfest, - biege- und verformungsfähig, - riß- und bruchfest, - elektrisch schweißbar ohne Rißgefahr und ohne Vorwärmung, - härtbar und vergütbar.
Das Verfahren wird an Hand von Figuren beispielhaft beschreiben.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 2 zeigen dotierte Blöcke und dazu bis 4 die Zeitdiagramme der Abkühlung und Einstreuung.
Für die Durchführung des Verfahrens ist jeweils ein solcher Hartstoff auszuwählen, der sich in der Schmelze nicht löst. Weiterhin ist es erforderlich, daß er eine höhere Dichte als die Schmelze hat, damit er nach unten sinkt.
Die Körner können aus Naturstoffen oder durch Schmelzen oder Sintern und eventuell erforderliches Zerkleinern gewonnen werden.
Um eine möglichst homogene Materialverteilung der Körner zu erreichen, ist es zweckmäßig, sie nach Korngröße oder besser nach Sinkgeschwindigkeit zu sichten. Dies kann durch- Siebung in engen Stufen oder besser durch Wind- oder Flüssigkeitssichtung geschehen, da hierbei der Abstand vom Einbringungsort in den Luft- oder Ftpssigkeitsstrom abhängig bzw. proportional zur Sinkzeit ist.
Für die Durchführung des Verfahrens eignet sich eine modifizierte Tüten- oder Tauchgießvorricht ung.
In Fig. 1 ist eine Tütengießvorrichtung dargestellt. Zu Beginn des Prozesses befinder sich die Kokille 20 in der Heizzone 22 der Heizhaube 21. Sie wird mit der Schmelze 10a,b gefüllt. Dann wird der steuerbare Streuer oberhalb der Oberfläche 12 der Schmelze 10 plaziert. Zur Abkühlung der Schmelze wird diese mit der Kokille 20 aus der Heizzone 22 in die Kühlzone 23, d.h. das Kühlwasser mit vorgegebener Geschwindigkeit abgesenkt, so daß die Grenzschicht 13 zwischen dem Erstarrten 10b und der Schmelze 10a relativ eben ist und somit die Sinkgeschwindigkeit der Erstarrungsgeschwindigkeit entspricht. Auf diese Weise werden Seigerungen weitgehend in bekannter Weise vermieden. Selbstverständlich kann auch statt einer Absenkung der Kokille in das Kühlwasser das Letztere und die Heizhaube angehoben werden.
Um eine homogene Verteilung von Hartstoffkörnern 11 in dem fertigen Block zu erreichen, ist es vorgesehen, die Einstreuung der Gesamt enge Hartstoff über einen Gesamtzeitraum tt + tk gleichmäßig zu verteilen, der aus der Sink- oder Transitzeit tt der Körner über die Gesamthöhe h der Schmelze 10 und aus der anschließenden Kühlzeit tk besteht. Das Absenken der Kokille 20 setzt dann ein, wenn die ersten Körner am Boden eintreffen.
Hierfür ist in Fig. 2 ein Zeitdiagramm dargestellt. Die Linie g zeigt die Lage der Grenzschicht 13 vom Kolillenboden 14 an und die Linie d zeigt die relativ zur Gesamtdotierungsmenge jeweils eingestreute Menge an.
Es kann für bestimmte Maschinenteile zweckmäßig sein, daß nur eine Zone, z. B. ein Ende eines Bohrers, verschleißfest ist. Dann wird entsprechend der Lage der zu dotierenden Zone hd', hd" in Bezug auf die Gesamthöhe in dem jeweils entsprechenden Zeitabschnitt t', t" bezogen auf die Gesamtzeit tt + tk der Hartstoff eingestreut (Fig. 2,3).
Dadurch ergibt sich jeweils die Berücksichtigung der gegenläufigen Bewegung des Absinkens der Körner und des Hochwachsens des Erstarrten 10b. Mit der Vorlaufzeit tt' bzw. tt" wird die Dotierung vor dem Eintreffen der jeweilig eingestreuten Körner in der Grenzschicht 13 begonnen bzw. beendet.
Die in Fig. 3 gezeigte Lösung wird dabei der in Fig. 4 dargestellten vorgezogen, da bei ihr geringere Toleranzen durch die kürzere Sinkzeit auftreten. Selbstverständlich ist auch eine Überlagerung der Vorgänge nach Fig. 3 und Fig. 4 möglich, so daß beide Enden des Blocks dotiert sind.
Bis zu einem gewissen Grad kann auch eine inhomogene Zuführung der Körner bezogen auf die Oberfläche 12, z. B. verstärkt in den Randzonen, erfolgen. Da das Absinken nicht völlig vertikal sondern durch Turbulenzen mit einer seitlichen Streuung erfolgt, ist diesbezüglich keine vergleichsweise exakte seitliche Begrenzung der Zonen möglich.
Es ist auch möglich, eine noch größere Anzahl dotierter Zonen zu erzeugen. Diese können leicht getrennt werden.
Die Kokille kann in bekannter Weise einen der weiteren Verarbeitung oder Verwendung angepaßten Querschnitt besitzen. Auch kann durch Einfügung eines Kerns ein Hohlkörper erzeugt werden, der vorzugsweise ebenfalls in gleicher Weise steigend mit Kühlwasser durchflossen wird.
Um w verhindern, daß das Absinken der Körner durch Schaumbildung auf der Oberfläche 12 der Schmelze behindert wird und daß keine Luft in die Schmelze mit den Körnern eingetragen wird, die einen störungsfreien vollständigen Einbau der Körner in das Gefüge beeinträchtigen kann, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zwischen der Einstreuvorrichtung 30 und der Oberfläche 12 Schutzgas z. Bb Argon, Stickstoff oder Kohlenoxid je nach Art des Metalles eingeführt oder ein Vakuum von z. B. 1 Torr erzeugt, was den zusätzlichen Vorteil der guten Entgasung der Schmelze hat. Hierzu ist zwischen der Kokille 20 und der Einstreuvorrichtung 30 ein vakuumdichter Mantel 25.
Eine Steuerung der Mengendosierung, der Verteilung über die Oberfläche und zeitlichen Phase im Verhältnis zur Transitzeit und Abkühlzeit ist mit dem Fachmann geläufigen Mitteln, wie Schneckenförderern, Rüttelsieben, Zeitschaltern usw. in verschiedener Weise möglich. Diese Steuerung wird vorteilhaft zu einer Regelung ergänzt, indem fortlaufend die Lage der Erstarrungszone 13 und/oder das Eintreffen der Körner in dieser Zone 13 meßtechnisch, z. B. durch Schallortung bzw. Schallsignalauswertung ermittelt wird und davon abhängig der Vorschub der Kühlzone und die Intensität der Kühlung und die Dosierungszeit und die Dosierung geregelt wird.
Statt abschnittsweiser homogener Verteilungen von Hartstoffen können bei variabler Dosierung auch bestimmte Dotierungsprofile erzeugt werden, wodurch sich z. B. ein graduierter stetiger Obergang der Zonen ergibt.
Mit dem gleichen Verfahren ist es auch vorteilhaft möglich, andere Füllstoffe als Hartstoffe der Metallschmelze zuzufügen, um, außer der Zähigkeit, andere Eigenschaften z. B. schlechte Schweiß-und Schneidbarkeit z. B. für Panzer- und Schutzplatten dem Material zu verleihen. Als Beispiel sei die Dotierung von Leichtmetallegierungen mit Siliziumoxid genannt.
Mehrere Füllstoffe zur Erzeugung verschiedener Eigenschaften z. B.
Wolframkarbid für die Verschleißfestigkeit und Siliziumoxid für die Feuerfestigkeit werden vorteilhaft einet Schmelze mit entsprechend zeitlich abgestimmter Dosierung zugefügt. Damit sind noch weitergehende völlig neuartige und erfinderische Eigenschaftskombinat ionen erreichbar.
Die Auswahl der Legierung und der jeweils geeigneten Füllstoffe und Füllstoffkonzentrationen ist vom Fachmann ohne Schwierigkeiten, eventuell unter Durchführung kleiner Versuchsreihen, auszuführen.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Metallblöcken (mob) aus einer Metallschmelze (10a), die in einer Kokille (20) aus einer oberen Heizzone (22) in eine untere Kühlzone (23), vorzugsweise in Kühlwasser, mit einer solchen Geschwindigkeit verbracht, vorzugsweise abgesenkt wird, wie die Erstarrung der Schmelze fortschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß in Form von Pulver, Granulat oder Kristallkörnern aus Hartstoff (11), der in der Schmelze (10a) unlöslich ist und eine höhere Dichte als die Schmelze besitzt, vor und/oder während des Abkühlens derart dosiert und derart verteilt auf die Oberfläche (12) der Schmelze (10a) gestreut wird, daß unter Berücksichtigung der Sinkgeschwindigkeit bzw. Transitzeit (tt, tt', tt") der Hartstoffkörner beim Durchlauf durch die jeweilige Schmelzenhöhe (h,hd',h") ein vorgegebener Dotierungskonzent rationsverlauf in dem Block entsteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstreuen der Hartstoffkörner (11) homogen über den Querschnitt der Oberfläche (12) erfolgt und über eine Gesamtzeit, die aus einer Vorlaufzeit, die der Transitzeit (tt) zum Durchlauf der gesamten Höhe (h) der ungekühlten Schmelze entspricht, und der Abkühlzeit (tk) besteht, jeweils abschnittsweise mit vorzugsweise konstanter Menge pro Zeiteinheit so erfolgt, wie der jeweils w dotierende Abschnitt in seiner Höhe (hd,hd', hd") und relativen Lage zur Gesamthöhe (h) von unten nach oben vorgibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hartstoff in Form von Pulver, Granulat oder Kristallkörnem durch Siebsicherung oder vorzugsweise durch Wind- oder Flüsigkeitssichtung in Partien gleicher Körnung bzw. vorzugsweise gleicher Sinkgeschwindigkeit getrennt wird und jeweils einzelne Partien in einzelne Schmelzen unter Berücksichtigung der jeweiligen Sinkgeschwindigkeit eingestreut werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstreuen unter Schutzgas und/oder Vakuum erfolgt.
5. Metallblock, vorzugsweise hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus einem zähen Metall besteht, in den in vorgegebener Verteilung Hartstoffkörner (11) eingelagert sind.
6. Metallblock nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung homogen oder in einer Richtung in Abschnitten (hd', hd') homogen ist.
7. Metallblock nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zähe Metall ferritischer, martensitischer oder austeni -tischer Stahl ist und die Hartstoffkörner vorzugsweise aus Wolframkarbid oder Chrom-, Niob-, Vanadium- oder Titankarbid bestehen.
8. Metallblock nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zähe Metall ein Nichteisen-Metall oder NE-Metalllegierung, vorzugsweise AlMg3, AlMgS, AlSiS, AlMgZnl ist und die Hartstoffkörner aus Metallkarbid oder Metalloxid, z. B. Korund, bestehen.
9. Metallblock nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hartstoffe, z. B. Wolframkarbid und Siliziumoxid in eine Schmelze gemäß ihrer Sinkgeschwindigkeit und vorgegebenen Verteilung jeweils gesteuert eingestreut sind.
10. Metallblock nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock als Hohlblock gegossen ist.
11. Werkzeuge, Werkzeugteile, Maschinenteile, die durch Warmverformung aus Metall nach einem der Ansprüche 5 bis 10 hergestellt sind, insbesondere Bohrköpfe, Turbinenschaufeln, P flugschare, Panzerplatten, Radkränze.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Tüten-oder Tauchgießvorrichtung (20,21,23) besteht, mit einer Kokille (20) über der eine Einstreuvorrichtung (30) angeordnet ist, mit der mengen- und zeit mäßig steuerbar die Hartstoffkörner (11) der Oberfläche (12) der Schmelze (10a) in der Kokille (20) zuführbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuvorrichtung (30) und die Kokille (20) durch einen Mantel (25) vakuumdicht verbindbar ist und der dadurch gebildete Innenraum mit einer Schutzgas- und/oder Vakuumanlage verbunden ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille (20) mit einem Schallaufnehmer und/oder Schallortungsgerät verbunden ist, mit dem ein Auftreffen der Körner (11) auf der Erstarrungszone (13) bzw. die Höhenlage der Erstarrungszone (13) signalmäßig bestimmbar sind, und daß diese Signale zur Steuerung der Einstreuung und Abkühlung verwendet werden.