DE3633614A1 - Verbundstab und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stab gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Verfahren zu seiner Herstellung gemäß den Patentansprüchen 4 und 6.

Es ist bekannt, derartige Stäbe, die für den Einsatz unter abrasiven und/oder chemisch agressiven Bedingungen als Wellen, Kolben oder dgl. bestimmt sind, homogen, d.h. über den gesamten Querschnitt hinweg aus einer Sinterhart­ stofflegierung, bestehend aus gesintertem Titancarbidpul­ ver (größenordnungsmäßig 50 Volumenprozent) und Stahlbinderpul­ ver (Rest) herzustellen.

Derartige Stäbe sind insofern nachteilig, als sie auch in achsnähreren Bereichen, wo die Verschleißfestigkeit ei­ gentlich nicht erforderlich ist, nur schwierig spanend zu bearbeiten sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stab der ein­ gangs genannten Art bzw. Verfahren zur Herstellung eines Stabes der eingangs genannten Art, bei welchem die Verschleiß­ legierung auf den Bereich beschränkt ist, wo sie benötigt wird, anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stab, wie er in Anspruch 1 gekennzeichnet ist, und Verfahren, wie sie in den Ansprüchen 4 und 6 gekennzeichnet sind, gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. Auf dieser zeigt

Fig. 1 im Schnitt eine Anordnung in einem für das heißisosta­ tische Pressen bereiten Zustand,

Fig. 2 im Schnitt eine Anordnung für ein Vorverdichten des Hartstofflegierungspulvers auf dem Kern, und

Fig. 3 im Schnitt einen fertigen Verbundstab.

Zur Herstellung des gegenständlichen Verbundstabes wird ein stabförmiger Kern 1 aus niedriglegiertem Stahl, beispielsweise Ck15, St 37, St 52 koaxial mit einer eben­ falls zylindrischen Kapsel 2 umgeben, die einen den Kern 1 umgebenden ringzylindrischen Hohlraum definiert. Diese Kapsel weist zunächst noch eine Einfüllöffnung zur Füllung mit einem möglichst homogen gemischten Pulveransatz 3 aus Hartstoffpulver und Metallmatrixpulver auf. Nach dem Ein­ füllen des Pulvers unter Rütteln zur Erzielung einer Schütt­ dichte von möglichst mehr als 60% wird die Kapsel gasdicht verschlossen und in einem Autoklaven bei Parametern von beispielsweise 1250 bis 1350°C, 1000 bar über 2 bis 3 Stunden heißisostatisch gepreßt. Vorzugsweise wird als Me­ tallmatrix eine härtbare Stahlmatrix verwendet und der noch die Kapsel aufweisende Aufbau nach dem heißisostatischen Pressen so abgekühlt oder nach dem Abkühlen definiert noch­ mals so wärmebehandelt, daß die Stahlmatrix im weichge­ glühten Zustand vorliegt. In diesen Zustand wird nun die Kapsel abge­ dreht und der sich ergebende Verbundstab mit einen Kern 1 aus niedrig­ legiertem Stahl und einem Mantel 4 aus Hartstoff-Verschleißlegierung einer Wärmebehandlung zur Härtung der Stahlmatrix unterzogen.

Die Vorteile des so hergestellten Verbundstabes liegen in einer Einsparung an teurem Verschleißmaterial, da der Kern aus billigem niedriglegiertem Stahl besteht, wobei das Verfahren der Heißisostattechnik eine gute Bindefestigkeit zwischen Stahlkern und der den Mantel bildenden Hartstoff­ legierung gewährleistet. Durch den geringen Schwund des Außenmantels aus Hartstofflegierung und die Stabilisierung durch den Kern lassen sich relativ genaue Teile mit gerin­ gem Aufmaß fertigen, so daß die Nachbearbeitung der nur schwer und aufwendig zu bearbeitenden Verschleißlegierung reduziert werden kann. Erleichtert wird diese Nachbearbei­ tung, wenn die Stahlmatrix härtbar ist und die Bearbeitung im weichgeglühten Zustand der Stahlmatrix erfolgt, wo sich dann als Gemisch der Härten des Hartstoffes und der Stahlmatrix ungefähr eine Härte von 40 HRC ergibt.

Die hier dabei in Rede stehenden Hartstofflegierungen enthalten als Hartstoff vorzugsweise TiC, oder aber auch Al₂O₃, B₄C oder VC, auch im Gemisch, in einem Volumenanteil von 10 bis 40% und im übrigen eine Stahlmatrix, beispielsweise eine Kaltarbeitsstahlmatrix mit der Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) 1,5 bis 3,5 C, 0,3 bis 1,5 Si, 0,3 bis 1,5 Mn, 5 bis 20 Cr, 0 bis 12 V, 0 bis 5 Mo, 0 bis 5 W, 0 bis 0,5 B, Rest Eisen.

Ein weiterer Vorteil des Verbundstabes gegenüber einem Stab, der ausschließlich aus der Hartstofflegierung besteht, liegt darin, daß im Kern 1 ohne Schwierigkeiten Bohrungen, beispielsweise für Kühlzwecke, angebracht werden können und daß sich der Kern überhaupt ohne weiteres spanend bearbei­ ten läßt, so daß sich beispielsweise, wenn der Kern axial über den Verschleißmantel 3 herausragt, ohne Schwierigkei­ ten Gewinde an den Enden anbringen lassen, wie dies in ge­ wissen Einsatzfällen erforderlich sein kann.

Bei Pulvern mit für das direkte heißisostatische Pressen zu niedriger Schüttdichte, wie sie vornehmlich auftritt, wenn die Einzelkomponenten der Metallmatrix mechanisch legiert sind (das Metall­ matrixpulver also als Gemisch der Einzelkomponentenpulver vorliegt), wird der Hartstofflegierungsansatz zunächst kaltisostatisch auf den Kern auf­ gepreßt. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Der Kern 1 wird an einen Ende mit einen radial über ihn überstehenden Boden 5 ver­ sehen und um diesen eine zylindrische Haut aus Latex, Gummi oder derglei­ chen zur Bildung eines zylindrischen Topfes 6 zur Aufnahme des Hartstoff­ legierungs-Pulveransatzes gelegt. Dieser Topf wird dann den Kern 1 umge­ bend mit dem Hartstofflegierungs-Pulveransatz soweit wie nötig gefüllt und der Aufbau dann mit einem dem Boden entsprechenden Dek­ kel verschlossen und sodann in Flüssigkeit, etwa Wasser, kaltisostatisch gepreßt (Preßparameter beispielsweise 2000 bis 3000 bar, Raumtemperatur, 10 bis 30 Sekunden). Anschlie­ ßend wird der Latextopf entfernt, das verbleibende Teil ggf. außen überdreht und mit einer gasicht verschweißten Kapsel 2, etwa wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, versehen. Das heißisostatische Pressen und die Nachbehandlung er­ folgt dann in der oben beschriebenen Weise.

Claims (7)

1. Stab, der mindestens im Mantelbereich durch eine Verschleißlegierung aufgebaut ist, welche durch eine Me­ tallmatrix und einen in dieser gebundenen Hartstoff gebil­ det ist, wobei die Verschleißlegierung ausgehend von einem Pulveransatz aus Hartstoff und Metallmatrix hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab ei­ nen Kern (1) aus niedriglegiertem Stahl und einen Mantel (4) aus heißisostatisch auf dem Kern gepreßtem Pulveransatz aus dem Hartstoff und der Metallmatrix aufweist.

2. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern (4) an mindestens einem Ende sich axial über den Mantel (4) herauserstreckt.

3. Stab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallmatrix durch einen härtbaren Stahl gebildet ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Stabes, der minde­ stens im Mantelbereich durch eine Verschleißlegierung auf­ gebaut ist, welche durch eine Metallmatrix und einen in dieser gebundenen Hartstoff gebildet ist, wobei die Ver­ schleißlegierung ausgehend von einem Pulveransatz aus Hartstoff und Metallmatrix hergestellt wird und die Pul­ verteilchen zu einem Körper gewünschter Form miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stab aus niedriglegiertem Stahl vorgesehen wird, eine Kapsel (2) hergestellt wird, welche ringkörperförmigen Aufbau mit durch die Oberfläche des Stahlstabes gebilde­ ter Innenwand hat, die noch eine Öffnung aufweisende Kapsel mit dem Pulveransatz aus Hartstoff und Metallmatrix gefüllt und die gefüllte Kammer gasdicht verschlossen wird, die Gesamtheit aus Stahlstab und dieser umgebender gefüllter Kapsel heißisostatisch gepreßt wird, und die Außenzylinderwand und die Stirnwände der Kapsel nachfol­ gend abgedreht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für das Metallmatrixpulver ein härt­ barer Stahl verwendet wird, der nach den heißisostatischen Pressen noch in der Kapsel (2) befindliche Körper einer Wärmebehandlung zum Weichglühen der härtbaren Stahlmatrix unterworfen wird, die Kapsel im weichen Zustand der Stahlmatrix abgedreht wird und nach­ folgend der Verbundstab einer Wärmebehandlung zum Härten der Stahlmatrix unterworfen wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Stabes, der min­ destens im Mantelbereich durch eine Verschleißlegierung aufgebaut ist, welche durch eine Metallmatrix und einen in dieser gebundenen Hartstoff gebildet ist, wobei die Verschleißlegierung ausgehend von einem Pulveransatz aus Hartstoff und Metallmatrix hergestellt wird und die Pul­ verteilchen zu einem Formkörper gewünschter Form mitein­ ander verbunden werden, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Stab aus niedriglegiertem Stahl vorge­ sehen wird, eine Topfform (6) mit elastomeren Außenwänden hergestellt wird, in deren Achse der Stahlstab gestellt wird, der den Stahlstab umgebende Raum mit dem Pulveran­ satz gefüllt wird, die Topfform verschlossen wird, das Pulvergemisch in der Topfform kaltisostatisch vorgepreßt wird, die Topfform entfernt wird, das entstandene Verbund­ teil ggf. außen überdreht wird, eine Kapsel (2) hergestellt wird, welche zusammen mit dem Stahlstab den auf diesem vorgepreßten Pulveransatz gasdicht umgibt, die Gesamtheit aus diesem Verbundteil und der dieses umgebenden Kapsel heißisostatisch gepreßt wird, und die Kapsel nachfolgend abgedreht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für das Metallmatrixpulver ein härtbarer Stahl verwendet wird, der nach dem heißisostatischen Pressen noch in der Kapsel (2) befindliche Körper einer Wärmebehandlung zum Weichglühen der härtbaren Stahlmatrix unterworfen wird, die Kapsel im weichen Zustand der Stahlmatrix abgedreht wird und nach­ folgend der Verbundstab einer Wärmebehandlung zum Härten der Stahlmatrix unterworfen wird.