DE3515164C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gießverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Gießverfahren ist aus der deutschen Patentan­ meldung W 28 37, 31 c 16/05, bekanntgemacht am 10. Juli 1952, bekannt. Bei dem vorbekannten Verfahren wird die Gießform an den das flüssige Metall aufnehmenden Oberflächen vor dem Gießen mit einem Überzug von Pulvern oder Körnern aus einem oder mehreren Hartkarbiden (von Metallen, wie Wolfram, Titan, Tantal, Zirkon, Chrom usw.) mit oder ohne Zusatz leichter schmelzender Metallpulver, z. B. von Metallen der Eisengruppe versehen. Als Bindemittel wird beispielsweise Wasserglas, Dextrin, oder Tragan verwendet. Vor dem Eingießen der Metallschmelze läßt man den Überzug austrocknen, ggf. unter Erwärmung der Gießform.

Das vorbekannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß die Dicke der von der Mischung aus einem Metallpulver und einem Binde­ mittel erzeugten harten Oberflächenschicht nicht exakt einge­ stellt werden kann. Es ist bei dem vorbekannten Verfahren auch eine Maske erforderlich, wenn man den Bereich der Oberfläche des fertigen Gußstückes, der mit einer harten Oberflächenschicht versehen werden soll, genau eingrenzen will.

Aus der DE-PS 9 63 642 ist ein Verfahren zur Beeinflussung der Oberfläche von Gußkörpern bekannt, bei dem dem Formwerkstoff Zusätze beigegeben werden, um die Oberfläche des Gußstückes zu verbessern.

Für die Erzeugung einer hochlegierten Schicht auf einem bestimm­ ten Teil einer Oberfläche eines Gußstückes zum Zweck der Ver­ besserung verschiedener Eigenschaften, beispielsweise der Abriebfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der Hitze­ festigkeit des Oberflächenteils, sind bereits verschiedene Vor­ schläge gemacht worden. Diese Vorschläge umfassen auch Verfahren zum Behandeln von Gußstücken aus Eisenwerkstoffen. Diese Verfahren können in zwei Gruppen unterteilt werden. Dabei wird der betreffende Oberflächenteil in den Verfahren der ersten Gruppe nach dem Gießen des Werkstückes und in den Verfahren der zweiten Gruppe während des Gießens des Werkstückes legiert. Die Verfahren der ersten Gruppe werden als unwirtschaftlich ange­ sehen, weil das Legieren zusätzliche Schritte und Einrichtungen erfordert. In den Verfahren der zweiten Gruppe werden Legie­ rungsmetalle oder Gemische aus einem Legierungsmetallpulver und einem geeigneten Bindemittel, beispielsweise Kunstharz, in den Gießformen an jenen Oberflächenteilen angebracht, die den zu legierenden Oberflächenteilen des Gußstückes entsprechen, so daß beim Gießen von schmelzflüssigem Metall in die Gießformen in den Gußstücken an den betreffenden Oberflächenteilen infolge der Temperatur des schmelzflüssigen Metalls eine Legierung gebildet wird. Beispielsweise wird in der JP-AS 52-730 vorgeschlagen, ein Gemisch aus einem Metallcarbidpulver und einem flüssigen Bindemittel, wie Triethylenglykol, auf einen gewünschten Teil der Formoberfläche aufzutragen und durch Trocknen des Gemisches einen Film zu erzeugen. Beim darauffolgenden Gießen wird infolge des Vorhandenseins der Metallcarbide dann auf einem gewünschten Teil des Gußstückes eine Legierung erzeugt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß bei der Temperatur des schmelzflüssigen Gießmetalls das Bindemittel sich unter Bildung von Gasen ver­ flüchtigt und daher in dem Gußstück Poren und Hohlräume vorhan­ den sind.

In der JP-AS 52-731 wird vorgeschlagen, ein Gemisch aus einem Metall- oder Legierungspulver und einem duroplastischen Harz­ pulver bei erhöhter Temperatur zu einem Formkörper zu verformen und diesen an einem gewünschten Teil einer Gießform anzubringen, ehe das schmelzflüssige Gießmetall in die Form gegossen wird. Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, daß sich bei der Temperatur des schmelzflüssigen Metalls das duroplastische Harz unter Bildung von Gasen verflüchtigt. In der JP-AS 53-18 166 wird vorgeschlagen, ein Gemisch aus einem Pulver aus einer Te, Cu und S enthaltenden Legierung und einem Graphitpulver mit Alkohol zu versetzen und dann auf einen gewünschten Teil einer Gießform aufzutragen, in die dann eine C, Di, Mn, V, Ni und FE enthal­ tende Metallschmelze gegossen wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es nur zum Gießen von Metall einer bestimmten Zu­ sammensetzung angewendet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein wirtschaftliches und zu­ verlässiges Verfahren der eingangs genannten Art zum Erzeugen einer hochlegierten Schicht auf einem Gußstück zu schaffen, bei dem keine Poren und Hohlräume in der hochlegierten Schicht ent­ stehen und bei dem die Dicke und äußere Form der hochlegierten Schicht genau eingestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das Legierungsmetall oder die Vorlegierung kann in Form eines der Pulver verwendet werden, die üblicherweise dazu dienen, einem Grundwerkstoff eine bestimmte Eigen­ schaft zu verleihen, beispielsweise ihn korrosionsbe­ ständig, abriebfest oder hitzefest zu machen. Wenn das Guß­ stück aus einem Eisenwerkstoff besteht, kann man als Vor­ legierung verschiedene Vorlegierungen auf Eisenbasis ver­ wenden. Beispielsweise kann man ein kohlenstoffreiches Ferro­ chrom verwenden, das 60 bis 70 Gew.-% Cr, 6 bis 9 Gew.-% C, weniger als 8,0 Gew.-% Si, Rest Fe, enthält und eine Cr-Quelle bildet, oder ein kohlenstoffreiches Ferromolybdän, das 55 bis 65 Gew.-% Mo, 5 bis 6 Gew.-% C, weniger als 3 Gew.-% Si, Rest Re, enthält und eine Mo-Quelle bildet, oder kohlen­ stoffreiches Ferrobor, das 14 bis 23 Gew.-% B, 0,5 bis 2,0 Gew.-% C, weniger als 4 Gew.-% Si, Rest Fe, enthält und eine B-Quelle bildet, oder ein Cu-Pulver als Cu-Quelle, ein Ni- oder Ferronickelpulver als Ni-Quelle, ein Co-Pulver als Co-Quelle oder ein Si-Pulver als Si-Quelle. Die Pulver aus diesen Vorlegierungen und Legierungsmetallen können zum Er­ zielen des gewünschten Zweckes einzeln oder in Kombination verwendet werden.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung des Legierungsmetalls oder der Vorlegierung in Form eines feinen, vorzugsweise ultrafeinen Pulvers. Das im Rahmen der Erfindung verwendete Legierungs­ metall- oder Vorlegierungspulver hat eine durchschnittli­ che Korngröße unter 10 µm, vorzugsweise unter 1,0 µm Pul­ ver mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 1,0 µm werden allgemein als ultrafeine Pulver bezeichnet. Von den in den Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten feinen Pulvern ist es bekannt, daß sie bei einer viel niedrigeren Temperatur eine Legierung mit einem Grundwerkstoff bilden können als Pulver normaler Korngröße. Beispielsweise beginnt bei der Verwendung eines Nickelpulvers von normaler Korn­ größe die Bildung einer Legierung mit dem Grundwerkstoff bei einer Temperatur von etwa 1150°C. Dagegen beginnt bei einem feinen Nickelpulver mit einer durchschnittlichen Korn­ größe von 7 µm die Bildung einer Legierung mit dem Grund­ werkstoff schon bei etwa 600°C. Bei einem ultrafeinen Ni- Pulver genügt für die Bildung einer Legierung mit dem Grund­ werkstoff eine Temperatur von etwa 300°C. Im Rahmen der vor­ liegenden Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei feinen Pulvern aus einem Legierungsmetall oder einer Vor­ legierung die Bildung einer Legierung mit einem Grundwerk­ stoff schon bei einer viel niedrigeren Temperatur beginnt. Man kann daher auf einem bestimmten Teil eines Gußstückes während des Gießens desselben eine hochlegierte Schicht erzeugen, auch wenn bei einer niedrigen Temperatur gegossen wird, wie dies beispielsweise beim Gießen von Aluminium der Fall ist.

Zu den Acrylharzklebstoffen, die vorteilhafter­ weise als Bindemittel verwendet werden können, gehören die Polymere und Copolymere der Acrylsäureester und Methacryl­ säureester sowie die Copolymere dieser Ester mit einem poly­ merisierbaren Monomer, das eine mit diesen Estern copoly­ merisierbare funktionelle Gruppe besitzt.

Das aus dem Legierungsmetall- oder Vorlegierungs­ pulver und dem Bindemittel hergestellte Gemisch enthält zweckmäßig 90 bis 99 Gew.-% des Legierungsmetall- oder Vor­ legierungspulvers und 10 bis 1 Gew.-% des Harzes. Bei einem Harzgehalt unter 1 Gew.-% wird keine genügende Klebfähigkeit erzielt, so daß das Pulver aus dem Legierungsmetall oder der Vorlegierung auf der Oberfläche der Gießform oder des Ab­ schreckkörpers nicht genügend fest haftet. Bei einem Binde­ mittelgehalt über 10 Gew.-% kann das überschüssige Harz dazu führen, daß die Haftfestigkeit zwischen der hochlegierten Schicht und der Oberfläche des Gußstückes vermindert wird.

Man kann das aus dem Legierungsmetall- oder Vorle­ gierungspulver und dem Bindemittel bestehende Gemisch zu einem Blatt verformen, das auf die Oberfläche der Gieß­ form geklebt wird. Ein derartiges Blatt kann auf veschie­ dene Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann das vorstehend erwähnte Gemisch in Form einer Aufschlämmung oder Paste in eine Form eingebracht und dann das Lösungs­ mittel verdampft und das derart verformte Gemisch zwischen zwei Walzen zu einem Blatt mit einer Stärke von 0,5 bis 5,0 mm ausgewalzt werden. Man kann auch das aus dem Le­ gierungsmetall- oder Vorlegierungspulver und dem Bindemittel bestehende Gemisch erforderlichenfalls unter Erhitzung kne­ ten und zu einem Blatt verformen. Ein auf diese Weise her­ gestelltes Blatt aus Pulvermaterial kann durch Aufpressen ohne weiteres an die Form oder den Abschreckkörper ange­ klebt werden. Erforderlichenfalls kann man jedoch vorher an der Form oder dem Abschreckkörper ein Acrylharz der auch als Bindemittel verwendeten Art auftragen, so daß eine vor­ übergehend wirksame Klebstoffschicht erzeugt wird. Als Klebstoff kann man auch ein Blatt aus dem in dem Gemisch als Klebstoff verwendeten Bindemittel verwenden.

Nach dem Anbringen des aus dem feinen Legierungs­ metall- oder Vorlegierungspulver und dem als Bindemittel verwendeten Acrylharzklebstoff bestehenden Gemisches in Form einer blattartigen Pulverschicht an der Form oder dem Abschreckkörper wird zum Erzeugen des Gußstückes in die Gießform eine Metallschmelze gegossen, deren Hitze dann bewirkt, daß die metallischen Bestandteile der Pulver­ schicht schmelzen und/oder in das Gußstück diffundieren, so daß an dessen Oberfläche eine hochlegierte Schicht ge­ bildet wird.

Dabei sei darauf hingewiesen, daß sich das in der Pulverschicht enthaltene Harz bei der Temperatur der Metall­ schmelze unter Bildung von Gasen verflüchtigen kann, die zur Ausbildung von Poren und Hohlräumen in dem Gußstück führen können. Ferner kann es während des Gießvorganges vorkommen, daß die Pulverschicht von der Oberfäche der Form entfernt oder auf ihr verschoben wird. Um derartige Erscheinungen zu unterbinden, führt man vor oder nach dem Anbringen der Pulverschicht an der Oberfläche der Gießform oder des Abschreckkörpers vorzugsweise eine Vorerhitzung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer Atmosphäre aus einem Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, aus einem reduzierend wirkenden Gas, wie Stickstoff, oder in einem Vakuum durch, wobei die Erhitzungsgeschwin­ digkeit vorzugsweise unter 40°C/min beträgt. Bei einer Er­ hitzungsgeschwindigkeit über 40°C/min verdampfen die nied­ rigsiedenden Bestandteile des Bindemittels so plötzlich, daß die Pulverschicht aufbrechen kann oder Gasblasen ge­ bildet werden können, so daß sich das Pulvermaterialblatt von der Oberfläche der Gießform oder des Abschreckkörpers ablöst.

Man kann diese hochlegierte Schicht während des Gieß­ vorganges auch dann erzeugen, wen sich die Metallschmelze auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet. Infolge­ dessen kann das Verfahren gemäß der Erfindung beispiels­ weise auf Schaltgabeln von Kraftwagengetrieben oder auf Kipphebel von Verbrennungsmotoren angewendet werden, und zwar zum Erzeugen von hochlegierten Schichten auf den Gleit­ flächen dieser Teile. Beim Anbringen einer Pulverschicht auf einer Oberfläche eines Abschreckkörpers kann eine hoch­ legierte Schicht auf einer Oberfläche des Gußstückes während des Abschreckens desselben erzeugt werden, so daß eine Oberfläche mit ausgezeichneter Abriebfestigkeit erhalten wird. Durch das Vorerhitzen kann die Bildung von Poren und Hohlräumen fast vollkommen unterbunden werden. Ferner kann man dadurch ein Ablösen und Verschieben der Pulverschicht während des Gießvorganges verhindern. Bei Verwendung eines Blattes aus Pulvermaterial kann man gewährleisten, daß eine hochlegierte Schicht von vorherbestimmter Dicke an einer vorherbestimmten Stelle des Gußstückes erzeugt wird.

Fig. 1 ist eine Mikrophotographie einer hoch­ legierten Cu-Ni-Legierungsschicht auf der Oberfläche eines Gußstückes aus einer AC4C-Legierung.

Fig. 2 ist eine Mikrophotographie einer Ni-Le­ gierungsschicht, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt worden ist.

Beispiel 1

50 Gew.-% einer Cu-Ni-Legierung mit 10 Gew.-% Ni, Rest Cu, in Form eines ultrafeinen Pulvers werden mit 50 Gew.-% eines als Bindemittel verwendeten vorher mit Aceton verdünnten Acrylharzklebstoffes vermischt. Das Ge­ misch wird zu einer Trübe geknetet, die dann auf ein Anti­ haftpapier gegossen und auf diesem getrocknet wird. Das so erhaltene, 1,5 mm starke Blatt aus einem Cu-Ni-Pulver wird auf ein Stahlblech angeklebt, das 15 mm breit, 20 mm lang und 0,7 mm stark ist. Das Probestück wird dann in einer Wasserstoffatmosphäre auf 300°C erhitzt und 60 min auf die­ ser Temperatur gehalten. Nach dem Vorerhitzen wird das Blatt aus Pulvermaterial von dem Stahlblech entfernt und an einer Druckgießform einer Druckgießmaschine angebracht. In dieser Form wird dann ein Druckgießvorgang mit einer Schmelze aus der Legierung AC4C entsprechend den Bestimmungen der Japanischen Industrienorm JIS-H-5202 durchgeführt, die eine Temperatur von 760°C vorschreibt. Dabeiwird auf dem Gußstück aus der Legierung AC4C eine Schicht aus einer Cu- Ni-Legierung erzeugt.

Beispiel 2

96,4 Gew.-% einer Cu-Ni-Legierung mit 10 Gew.-% Ni und 90 Gew.-% Cu in Form eines feinen Pulvers mit einer Korngröße von 7 µm werden mit 3,6 Gew.-% eines als Binde­ mittel verwendeten Acrylharzklebstoffes vermischt, der vorher mit Toluol verdünnt worden war. Das Gemisch wird geknetet und zu einem 1,5 mm starken Blatt aus Pulvermate­ rial ausgewalzt, das dann auf ein 15 mm breites, 20 mm langes und 0,7 mm starkes Stahlblech geklebt und in einer Wasserstoffatmosphäre auf 300°C erhitzt und 60 min lang auf dieser Temperatur gehalten wird. Das Blatt aus Pulver­ material wird dann von dem Stahlblech abgenommen und an einer Gießform angebracht, in der dann ein Vorgang durch­ geführt wird. Zu diesem Zweck wird eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung AC4C bei einer Temperatur von 760°C in die Gießform gegossen. Dabei wird auf einer Oberfläche des Gußstückes aus der Legierung AC4C eine Legierungsschicht erzeugt, die im oberen Teil der Fig. 1 erkennbar ist. In der Fig. 1 erkennt man ferner, daß außer den Körnern aus der Cu-Ni-Legierung eine neue Legierungsphase vorhanden ist, die aus der Cu-Ni-Legierung und der Legierung AC4C gebildet worden ist und die Haftfestigkeit zwischen der Legierungsschicht und dem Grundwerkstoff des Gußstückes erhöht.

Beispiel 3

50 Gew.-% Nickel in Form eines ultrafeinen Pulvers mit einer Korngröße unter 0,1 µm und 50 Gew.-% eines aus einem Acrylharzklebstoff bestehenden Bindemittels, das vorher mit Aceton verdünnt worden war, werden miteinander gemischt. Das Gemisch wird zu einer Trübe geknetet, die auf ein Antihaftpapier gegossen und auf diesem getrocknet wird. Dabei wird ein 2,0 mm starkes Blatt aus Pulvermaterial gebildet. Dieses Blatt wird auf ein 15 mm breites, 20 mm langes und 0,7 mm starkes Stahlblech geklebt und dann in einer Wasserstoffatmosphäre auf 300°C erhitzt und 60 min auf dieser Temperatur gehalten. Das Blatt aus Pulvermaterial wird dann von dem Stahlblech abgenommen und an der Druck­ gießform einer Druckgießmaschine angebracht, in der da­ nach ein Druckgießvorgang mit einer auf einer Temperatur von 760°C befindlichen Schmelze aus der Aluminiumlegierung AC4C durchgeführt wird. Es zeigt sich, daß auf der Ober­ fläche des Gußstückes aus AC4C eine Legierungsschicht er­ zeugt wird, deren unterer Teil in der Fig. 2 erkennbar ist.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand von in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben, auf deren Einzelheiten die Erfindung jedoch nicht einge­ schränkt ist.

Claims (6)

1. Gießverfahren, bei dem die Oberfläche einer Gießform und/ oder eines Abschreckkörpers mit einer Mischung aus einem Metallpulver und einem Bindemittel versehen wird, um ein Werkstück mit einer durch das Metallpulver erzeugten, har­ ten Oberflächenschicht zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver aus einem Le­ gierungsmetall oder aus einer Vorlegierung mit einer durch­ schnittlichen Korngröße von weniger als 10 Mikrometer be­ steht, daß das Bindemittel aus einem Acrylharz besteht, daß das Mischungsverhältnis des Metallpulvers und des Bindemit­ tels zwischen 90 : 10 und 99 : 1 Gewichtsanteilen liegt und die Mischung in Form eines vorgefertigten Blattes angebracht wird, welches vor dem Vergießen der Metallschmelze in die Form bei einer Temperatur von 150°C bis 380°C für mehr als fünf Minuten wärmebehandelt wurde.

2. Gießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 200°C bis 350°C stattfindet.

3. Gießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durchschnittliche Korngröße weniger als 1,0 Mikrometer beträgt.

4. Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung besteht.

5. Gießverfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem Acrylharzklebstoff bestehende Bindemittel ein Polymer oder ein Copolymer eines Acrylsäureesters oder Methacrylsäureesters oder ein Copolymer eines dieser Ester und eines damit copolymerisierbaren Monomers mit einer mit diesen Estern copolymerisierbaren funktionellen Gruppe ist.

6. Gießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung vor dem Anbringen des Blattes an der genannten Fläche durchgeführt wird.