DE3740547C2

DE3740547C2 - Verfahren zum Herstellen von Extruderschnecken und damit hergestellte Extruderschnecken

Info

Publication number: DE3740547C2
Application number: DE3740547A
Authority: DE
Inventors: Tsuneyuki Ide; Kazunori Nakao; Masaru Inoue; Yoshikazu Kondo
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2007-12-01
Also published as: JPH0359121B2; GB2201970B; US4729789A; DE3740547A1; FR2609049B1; GB2201970A; JPS63162801A; FR2609049A1; GB8717327D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraube oder Schnecke, wie einer Extruderschnecke, wie sie in Maschinen mit einem Schneckenfördermechanismus verwendet werden, beispielsweise in Spritzgußmaschinen oder Strangpreß- oder Extrudiermaschinen.

Es gibt derzeit einen großen Bedarf an Spritzgußmaschinen oder Strangpreß- oder Extrudiermaschinen, die einen Schneckenförder mechanismus aufweisen. In den letzten Jahren haben die Arten von zu bearbeitenden Kunstharzen in großer Zahl zugenommen, und einige dieser Kunstharze erzeugen beim Aufschmelzen des Kunstharzes während des Verarbeitens korrosive Gase, wie fluor haltige Gase. Es gibt auch eine wachsende Zahl von Kunstharzen, die abrasive oder schleifende Feststoffe oder Schleifmittel enthalten, beispielsweise Kunstharze oder Plastikmaterialien, die Glasfasern, Kohlenstoffasern oder Magnetpulver enthalten. Ferner werden diese Spritzguß-, Strangpreß- und Extrudierma schinen nun auch bei der Verarbeitung keramischer Materialien verwendet.

Aus den vorstehenden Gründen werden die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit für die als Teile der genannten Maschinen verwendeten Materialien zunehmend höher und strenger. Von diesen Teilen stellt die Extruderschnecke einen wichtigen Teil des Schneckenfördermechanismus dar, da sie nicht nur die rohen Kunstharze transportiert, sondern auch deren Aufschmelzen und Mischen durchführt. Das für die Extruder schnecke verwendete Material muß deshalb gleichzeitig ausrei chende mechanische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ab riebfestigkeit aufweisen. Als Materialien für derartige Extru derschnecken wurden beispielsweise Stähle verwendet, wie Mar tensit-aushärtender Stahl (Maraging-Stahl) oder kaltverformte Werkzeugstähle, beispielsweise vom Typ JIS SKD-11.

Die Maraging-Stähle weisen hohe Festigkeit auf, haben aber nicht notwendigerweise ausreichende Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit. Wenn die verarbeiteten Kunstharze bei spielsweise abrasive Feststoffe, wie Glasfasern aufweisen, wird der Gewindeteil der Schraube, der sogenannte Schrauben gang, rascher abgerieben und dadurch verkürzt sich die Lebens dauer des Schneckenförderers. Obwohl zu den kaltverformten oder kaltverarbeiteten Werkzeugstählen auch Werkzeugstähle ge hören, in denen feine Chromkarbide ausgeschieden und im Mate rial verteilt sind, weisen auch diese Stähle nicht immer aus reichende Abriefestigkeit gegen Kunstharz auf, die Glasfa sern oder Magnetpulver enthalten. Außerdem können keramische Materialien nicht verarbeitet werden, ohne daß sogar noch schnellere Abriebgeschwindigkeiten auftreten.

Es wurden verschiedene Vorschläge gemacht, um die Nachteile von aus Stahl hergestellten Extruderschnecken zu vermeiden, beispielsweise das Aufspritzen einer Auflage von Legierungen auf Kobalt- oder Nickelbasis, die Teilchen mit hoher Härte, beispielsweise Wolframkarbide aufweisen, beispielsweise im Spray-Coat-Verfahren, oder die Herstellung einer Extruder schnecke aus einem Verbundmaterial, an dem eine Sinterlegie rung dieser Arten von Beschichtungen befestigt ist, wie es beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift 1 83 430/86 offenbart ist. Legierungen, die Wolframkarbidteilchen enthal ten, haben jedoch den Nachteil, daß sie Teile, die mit diesen Legierungen in Berührung kommen, im vorliegenden Fall beispiels weise die Innenwand des Zylinders, rasch abreiben, selbst wenn diese Teile aus abriebfesten Legierungen hergestellt sind. Außerdem sind diese Materialien teurer und schwieriger zu er halten, da Wolfram nicht sehr häufig vorkommt und Wolfram- Bergwerke nicht gleichmäßig auf der Welt verteilt sind.

Die US-C1 4 236 923 bzw. die inhaltsgleiche DE-A1 28 51 141 beziehen sich auf ein Verfahren zur metallurgischen Verbindung eines Paßgliedes aus einem sinterbaren Pulver mit einer Welle, wobei das Paßglied auf der Welle angeordnet und danach bei einer Temperatur gesintert wird, die ein Schrumpfen des Paßgliedes bewirkt und über das Auftreten einer flüssigen Phase im Sintermantel des Paßgliedes eine metallurgische Verbindung zur Welle erzeugt. Die genannten Druckschriften geben keinerlei Hinweise auf einen Abstand zwischen dem Paßglied und der Welle vor dem Sintern und beziehen sich nicht auf die Herstellung einer Extruderschnecke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Extruder schnecke und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustel len, durch die die vorstehend erläuterten Nachteile der bekann ten Schnecken vermieden werden.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, ein Verfahren zum Herstellen einer Extruderschnecke unter Verwendung einer pulvermetallurgischen Technik zum Verbinden eines äußeren Ma terials mit einem Substrat durch Sintern bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird ein Verbundmaterial gebildet durch Her stellen einer Extruderschnecke, die eine Außenschicht aus einem Material mit hoher Abriebfestigkeit über einem relativ billi gen Metallkern mit ausreichender Festigkeit und Zähigkeit auf weist. Das Material mit hoher Abriebfestigkeit wird mit dem Metallkern durch Sintern eines Grünlings verbunden, der einen inneren Hohlraum hat, der einen größeren Querschnitt als der Metallkern aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrens schritte auf: Einbringen eines Sintermaterials als Grünling in eine zusammendrückbare Form mit einem Formkern, Abdichten der zusammendrückbaren Form mit dem Grünling und dem Formkern darin, isostatisches Pressen der zusammendrückbaren Form mit dem darin enthaltenen Grünling und dem Formkern, Entfernen des Formkerns aus einem Hohlraum in dem isostatisch gepreßten Grün ling nach dem Durchführen des isostatischen Pressens der abge dichteten, zusammendrückbaren Form, Einführen eines Metall kerns in den Hohlraum in dem isostatisch gepreßten Grünling, wobei der Metallkern einen kleineren Querschnitt aufweist als der aus dem isostatisch gepreßten Grünling entfernte Formkern, und Sintern oder Zusammenbacken des isostatisch gepreßten Grünlings mit dem darin enthaltenen Metallkern, wodurch der isostatisch gepreßte Grün ling auf den Metallkern aufschrumpft und mit diesem verbunden wird.

Das gesinterte Material weist eine harte Phase und eine Ma trix auf. Vorzugsweise weist das gesinterte Material 25 bis 96 Gew.-%, d. h. etwa 23 bis 96 Vol.-% Fe-B, Fe-X-B und/oder Fe-X-Y-B auf, wobei X und Y für Cr, Mo, W, Ti, V, Nb, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co, Mn und deren Mischungen stehen. Beson ders bevorzugt weist das gesinterte Material 2 bis 20 Gew.-% B, mindestens 10 Gew.-% Fe, 0,1 bis 50 Gew.-%, Cr, Mo und/oder W, 0,01 bis 15 Gew.-% Ti, V, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co und/oder Mn, höchstens 3 Gew.-% Al, höchstens 2,5 Gew.-% O und 0,01 bis 1 Gew.-% C auf.

Die zusammendrückbare Form besteht erfindungsgemäß vorzugsweise aus synthetischem Gummi, wie Siliconkautschuk.

Der Metallkern besteht vorzugsweise aus einem billigen Stahl, und seine Breite, wie sein Durchmesser, ist vorzugsweise 5 bis 20% kleiner als die Breite des Hohlraumes in dem isostatisch gepreßten Grünling. Das Sintern wird vorzugsweise durchgeführt, während der isostatisch gepreßte Grünling vertikal orientiert ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt, der den Verfahrens schritt darstellt, bei dem das Rohpulver während des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in die zusam mendrückbare, wie kompressible Form eingefüllt wird,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des durch isostatisches Pressen der in Fig. 1 dargestellten, mit Rohpulver be ladenen zusammendrückbaren Form gebildeten schrauben- oder schneckenförmigen Grünlings,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt, der den Größenunter schied zwischen dem Metallkern und dem inneren Hohl raum des in Fig. 2 dargestellten Grünlings zeigt, und

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt der mit dem erfindungs gemäßen Verfahren hergestellten Extruderschnecke.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich ein Verbund aus einem Metallsubstrat mit einem darauf aufgebrachten Sinterma terial herstellen, wobei das Sintermaterial mit dem Substrat während eines Sintervorgangs verbunden wird, bei dem das Sin termaterial schrumpft und mit dem Substrat fest und unlösbar verbunden wird oder eine Verbindung eingeht. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Extruderschnecke für Extrudiermaschinen durch Anwendung einer pulvermetallurgischen Technik zum Verbinden einer Außenschicht mit einem Kern wäh rend eines Sintervorgangs hergestellt werden. Das Verbundma terial weist als Außenschicht der Extruderschnecke ein Material mit hoher Abriebfestigkeit auf, und der Kern der Extruder schnecke besteht aus einem relativ billigen Stahl mit ausrei chender Festigkeit und Zähigkeit. Nachstehend wird das Verfah ren zum Herstellen der aus einem Verbund bestehenden Extruder schnecke näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Verfahrensschritt, bei dem ein Sintermaterial 3 zur Herstellung eines Grünlings in den zwischen der Innenflä che einer zusammendrückbaren Form 1 und der Außenfläche eines Formkerns 2 ausgebildeten Hohlraum eingebracht wird. Die zusam mendrückbare Form 1 besteht aus einem elastisch verformbaren Material, beispielsweise synthetischem Gummi oder Kautschuk, und die innere Oberfläche der Form weist mindestens eine schraubenförmige, wie helikale Ausnehmung auf, die sich über die Länge der zusammendrückbaren Form 1 erstreckt. Die schrau benförmige Ausnehmung bildet auf der Außenfläche der Extruder schnecke einen Schrauben- oder Gewindegang. Nach dem Einbrin gen des Grünling-Sintermaterials in die zusammendrückbare Form, die, wie in Fig. 1 dargestellt, an ihrem unteren Ende geschlos sen sein kann, wird die zusammendrückbare Form mit dem darin befindlichen Grünling-Material 3 und dem Formkern 2 geschlos sen bzw. abgedichtet. Danach wird die zusammendrückbare Form bzw. das kompressible Werkzeug durch ein isostatisches Preßver fahren zusammengedrückt. Für das Pressen können verschiedene Verfahren verwendet werden, aber das isostatische Pressen ist aufgrund der isostatischen Preßeigenschaften und der Herstel lungskosten bevorzugt. Ein Beispiel für eine geeignete isosta tische Preßtechnik ist das isostatische Kaltpressen (CIP-Ver fahren). Das Material der Form sollte ausreichende Elastizität aufweisen, da der aus dem pulverförmigen Sintermaterial gebil dete Grünling während des Formens beim CIP-Verfahren zusammen gedrückt wird oder schrumpft. Deshalb ist als Material für die Form Gummi oder Kautschuk bevorzugt. Besonders bevorzugt kann ein Gummi oder Kautschuk verwendet werden, der das Formen der Extruderschnecke in eine Matrize zuläßt. Insbesondere kann ein Siliconkautschuk verwendet werden, der durch Mischen von Roh gummi in flüssigem Zustand mit härtenden Zusätzen hergestellt wird. Ein derartiges Material ist für die Form im erfindungs gemäßen Verfahren aufgrund seiner Eigenschaft besonders geeig net, daß es sich mit Hilfe von Härten in einen elastischen Gummi verwandelt, nachdem es in die Form einer Extruderschnecke gebracht wurde. Andererseits sollte der Formkern 2 ausreichend starr sein, um eine Verformung während des CIP-Verfahrens zu verhindern, und es können deshalb für diesen Zweck relativ billige Stähle verwendet werden. Der Formkern hat auch die Funktion, einen Bruch des langen, schraubenförmigen Grünlings während des isostatischen Pressens zu verhindern. Die Pulver größe des Rohmaterials sollte vorzugsweise fein sein, da die Teilchengröße eine Auswirkung auf die Oberflächeneigenschaften des gesinterten Grünlings als auch auf die Sintereigenschaften der flüssien Phase hat. Vorzugsweise sollte die Teilchengröße höchstens 50 µm, bevorzugt höchstens 30 µm und beson ders bevorzugt höchstens 20 µm betragen.

Nach dem isostatischen Pressen wird der Formkern 2 aus dem Hohlraum in dem isostatisch gepreßten Grünling 4 entfernt, wie in Fig. 2 dargestellt. Da die Größe des Grünlings während des isostatischen Pressens verringert wird, ist es wichtig, diesen Effekt bei der Formgebung der zusammendrückbaren Form zu be rücksichtigen, so daß das Schrumpfen des Grünlings während des isostatischen Pressens und anschließend während des Sinterns zu den gewünschten Abmessungen der abschließend hergestellten Extruderschraube führt.

Als nächster Verfahrensschritt wird ein Metallkern 5 in den Hohlraum des isostatisch gepreßten Grünlings 4 eingeführt, wie in Fig. 3 dargestellt. Erfindungsgemäß sollte der Metallkern 5 einen kleineren transversalen Querschnitt aufweisen als der Form kern 2, und es sollte deshalb einen Zwischenraum zwischen der Außenfläche des Metallkerns 5 und der von dem Hohlraum in dem isostatisch gepreßten Grünling 4 gebildeten Innenfläche ausge bildet sein. Das aus dem Grünling 4 und dem Metallkern 5 zu sammengesetzte Teil wird in einen Sinterofen eingebracht, wo bei sich die Längsachse des Grünlings in vertikaler oder nahe zu vertikaler Richtung erstreckt. Danach wird im Vakuum oder in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre gesintert, wobei der Grünling 4 aufgrund der Bildung einer flüssigen Phase schrumpft und gleichzeitig fest mit der Außenfläche des Metallkerns 5 verbunden wird.

Das Ausmaß des Schrumpfens des Grünlings 4 während des Sin terns hängt von der Art des Rohmaterials, dem Preßdruck und/ oder der Form der Schraube oder Schnecke ab. Beim Herstellen einer Extruderschnecke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch hohe Dimensionsgenauigkeit nach dem durch Sintern erfolgten Verbinden erforderlich, und es müssen auch die Eigen schaften des in dem Verbund verwendeten Materials richtig auf rechterhalten bzw. eingestellt werden. Es ist deshalb erforder lich, das Ausmaß des Schrumpfens des Grünlings 4 zu kennen, das während des Sinterns auftritt. Der Außendurchmesser des Metallkerns 5 sollte zwischen 80 und 95% des In nendurchmessers des Hohlraums bzw. der zentralen Öffnung in dem Grünling 4 betragen. Anders ausgedrückt sollte die Breite des Metallkerns 5 etwa 5 bis 20% kleiner sein als die Breite des Formkerns 2. Wenn die Dimensionen des Metallkerns 5 und des Hohlraums in dem Grünling 4 nicht innerhalb dieses Bereichs gehalten werden, läßt sich beim Sintern kein präzises Verbin den erzielen und auch die Eigenschaften des gesinterten Mate rials und die Festigkeit der beim Verbinden gebildeten Grenz flächen verschlechtert sich. Wenn der Außendurchmesser des Me tallkerns 5 weniger als 80% des Innendurchmessers des Grünlings 4 beträgt, schrumpft der Grünling 4 zu stark, was zu einem über sinterten Zustand des gesinterten Grünlings und einer erhebli chen Verschlechterung von dessen Eigenschaften führt. Wenn da gegen der Außendurchmesser des Metallkerns 5 95% des Innen durchmessers des Grünlings übersteigt, schrumpft der Grünling nicht genügend, was zu einem ungesinterten Zustand des Grün lings führt, wodurch sich die gewünschten Eigenschaften des gesinterten Grünlings nur schwer erzielen lassen. Nach dem Sin tern bildet der Grünling 4 eine Schicht aus gesintertem Mate rial 6, die aufgrund des Schrumpfens und der auftretenden Dif fusion in Form eines Diffusionskontakts fest mit der Außenflä che des Metallkerns 5 verbunden ist, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Grenzflächen (Interfaces) zwischen dem gesinterten Preß ling 6 und dem Metallkern 5 sind als metallurgisch verbundene Grenzfläche oder Verbindung mit hoher Festigkeit ausgebildet. Falls gewünscht, kann die Extruderschnecke durch Schleifen auf bestimmte Abmessungen gebracht werden. Der mit dem erfindungs gemäßen Verfahren hergestellte gesinterte Preßling 6 weist je doch nach dem Sintern eine Außenfläche auf, deren Abmessungen innerhalb zulässiger Toleranzen liegen. Ein Vorteil des erfin dungsgemäßen Verfahrens besteht deshalb darin, daß keine Nach bearbeitung erforderlich ist, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß im industriellen Maßstab ein Grünling bzw. Preß ling mit einem großen Verhältnis von Länge (L) zu Durchmesser (D) hergestellt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß das Material der Hartlegierung während des Pressens und des Verbindens durch Sintern bricht. Mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren kann eine Extruderschnecke hergestellt werden, deren Verhältnis zur Länge zu Durchmesser (L/D) größer als 20 ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können deshalb Preßlinge hergestellt werden, deren L/D-Verhätnisse größer als 5 oder sogar größer als 10 sind.

Als Material für den Metallkern 5, mit dem der Grünling ver bunden wird, können billige Stähle verwendet werden, die ein fach erhältlich sind und dennoch für die Zwecke der Erfindung überlegene mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Art der zu verwendenden Stähle ist nicht notwendigerweise beschränkt, aber sie sollten beim Sintern eine Verbindung mit dem für die Außenfläche der erfindungsgemäßen Extruderschnecke verwendeten abriebfesten gesinterten Material eingehen. Die Stähle sollten auch die für eine Extruderschnecke erforderlichen ausreichen den mechanischen Eigenschaften aufweisen, beispielsweise geeig nete Zugfestigkeit, Streckspannung, geeignete Spannung bei 0,2% Deformation (0,2% strain proof stress), Härte und dergleichen. Aus den JIS-Standards für Eisen und Stähle läßt sich beispiels weise entnehmen, daß als Stähle für das erfindungsgemäße Ver fahren Kohlenstoffstähle verwendbar sind, die als SS, SC, SNC, SCr, SCM, SNCM und SUJ bezeichnet werden, niedriglegierte Stäh le, die C, Ni, Cr und Mo enthalten, Werkzeugstähle, die als SK, SKH, SKS, SKD und SKT bezeichnet werden, und nichtrostende Stähle, wie SUS und SUH. Je nach Betriebsbedingungen kann so gar Stahlguß oder Gußeisen verwendet werden. Da durch das Erwärmen auf erhöhte Temperaturen zum Verbinden beim Sintern, beispielsweise durch Diffusion, die Mikrostruktur des Kern materials 5 zum Vergröbern neigt, was dazu führen kann, daß die mechanischen Eigenschaften, wie die Zugfestigkeit, verschlech tert werden, ist außerdem die Verwendung von Stählen auf Fer rit- oder Martensitbasis wünschenswert, die sich bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und der Temperatur beim Ver binden umwandeln.

Für das abriebfeste gesinterte Material 6 kann eine Vielzahl von Legierungen verwendet werden, beispielsweise Legierungen auf Ni-Basis, die B, Si und Cr enthalten und während des Sinterns eine flüssige Phase bilden, oder Stellit- Legierungen auf Co-Basis, und erfindungsgemäß sind Eisenborid-, insbesondere Eisen(II)-Borid-Hartlegierungen besonders bevorzugt. Außerdem kann das gesinterte Material eine Vielzahl von durch pulvermetallurgi sche Techniken hergestellte Materialien aufweisen, wenn diese Materialien geeignete Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständig keit und mechanische Eigenschaften zeigen. Sinterkarbide sind jedoch deshalb nicht bevorzugt, weil sie einen unerwünschten Abrieb derjenigen Teile verursachen, die mit den Sinterkarbi den in Berührung kommen, und auch weil eine hohe Sintertempe ratur erforderlich ist, die eine Vergröberung der Mikrostruk tur, wie des Feingefüges des Materials des Metallkerns verur sacht, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigen schaften, wie der Zugfestigkeit führt.

Nachstehend sind detailliert einige Anwendungen von Eisen(II)- Borid-Hartlegierungen für die äußere Oberfläche der Extruder schnecke beschrieben, wie sie erfindungsgemäß besonders bevor zugt sind. Diese werden beispielsweise in den japa nischen Patenten 27 818/1979, 8 904/1981, 15 773/1981 und 57 499/1985 beschrieben. Diese werden nachstehend als "Hart legierung" bezeichnet. Sie weisen bezüglich Härte, Festig keit und Abriebbeständigkeit Eigenschaften auf, die mit den jenigen von Sinterkarbiden vergleichbar sind, und zusätzlich zu ihrer Abriebbeständigkeit weisen die Hartlegierungen auch Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auf. Experimente haben gezeigt, daß die Hartlegie rungen insbesondere bezüglich der Abriebfestigkeit gegen Kunst harze oder Keramik überlegen sind, die abrasive Feststoffe, wie Glasfasern oder Magnetpulver, enthalten. Die Hartlegierungen weisen eine harte Phase aus Eisen(II)-Borid und einen Binder oder eine Matrix aus Fe, Cr, Mo, W, Ti, V, Nb, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co, Mn und/oder deren Legierungen auf. Die harte Phase nimmt 25 bis 96 Gew.-% oder etwa 23 bis 96 Vol.-% der Legierung ein, besonders bevorzugt zwischen 35 und 96 Gew.-% oder 33 bis 96 Vol.-%. Der entsprechende B-Gehalt der harten Phase beträgt zwischen 2 und 20 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 3 und 15 Gew.-%. Der Fe-Gehalt beträgt mindestens 10 Gew.-%, der Ge halt an Cr, Mo und/oder W ist jeweils im Bereich von 0,1 bis 50 Gew.-%, und der Gehalt an Ti, V, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co und/ oder Mn beträgt zwischen 0,01 und 15 Gew.-% für jedes Element. Andere unvermeidbare Elemente, die in der Hartlegierung ent halten sein können, sind höchstens 3 Gew.-% Al, höchstens 2,5 Gew.-% O und zwischen 0,01 und 1 Gew.-% C, wobei Al und O vor zugsweise nicht anwesend sind, aber innerhalb der angegebenen Bereiche enthalten sein können, solange sie keine negativen Auswirkungen auf die Stärke und die Zähigkeit haben. Die Hart legierung ist eine Sinterlegierung mit voller Dichte (full density alloy), da Flüssigphasensintern durchgeführt wird, und ihre Härte kann in Abhängigkeit von den Mengen der harten Pha se und der Binderphase von H_v 650 bis 1870 betragen. Die harte Phase ist aus Boriden von B-Fe, B-X-Fe und B-X-Y-Fe zusammen gesetzt, wobei X und Y für Cr, Mo, W, Ti, V, Nb, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co und Mn stehen. Diese Boride können intermetallische Verbindungen umfassen, wie Fe₂B (Fe, Cr)₂B, Mo₂FeB₂, Mo₂(Fe,Cr,)B₂ und (Mo,W)₂(Fe,Cr)B₂. Die Binderphase kann eine Legierung auf Eisenbasis sein und die vorstehend erwähnten Metalle oder de ren Legierungen aufweisen, so daß die Legierung durch Steuerung der Art und Menge der zugesetzten Metalle, wie Cr und Ni, nach Transformation von Austenit in Martensit oder Ferrit umgewandelt werden kann, oder die Legierung kann eine Verbundstruktur aus Martensit, Ferrit und Austenit aufweisen. Infolgedessen kann die Binderphase in einen weiten Bereich von Gefügen umgewan delt werden, einschließlich eines Gefüges auf Martensit-Basis, wie Werkzeugstähle, ferritische und austenitische nichtrosten de Stähle oder wärmebeständige Stähle, wodurch die Hartlegie rung ein abriebfestes Material ist, das große Härte und Festig keit als auch Korrosion- und Wärmebeständigkeit aufweist und dennoch verglichen mit den Sinterkarbiden leicht im Gewicht ist, da ihre spezifische Dichte zwischen 8 und 8,3 beträgt, was höchstens 60% der spezifischen Dichte von Sinterkarbiden ist.

Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren für die Hartlegie rung beschrieben. Die Hartlegierung kann aus einem Legierungs pulver eines Borids, wie FeB oder Fe₂B als B-Quelle gebildet werden und durch Wasser- oder Gaszerstäubung hergestellt wer den. Alternativ dazu kann die Hartlegierung hergestellt werden durch Vermischen eines Ferrobor-Pulvers oder von Boridpulvern, die Ni, Cr, W, Ti und/oder Mo aufweisen, oder reinem B-Pulver zusammen mit Metallpulvern aus Fe, Cr, Mo, W, Ti, V, Nb, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co und/oder Mn oder mit Legierungspulvern, die hauptsächlich aus diesen Elementen bestehen, in der erforder lichen Zusammensetzung, anschließendes Naßpulverisieren eines derartig zusamengesetzten Pulvers mittels einer oszillieren den Kugelmühle in einem organischen Lösungsmittel, trockenes Granulieren des Pulvers und Pressen des Pulvers in Formen so wie anschließendes Sintern des geformten Grünlings in Vakuum oder in nicht-oxidierender Atmosphäre. Das Flüssigphasensin tern der Hartlegierung wird üblicherweise bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1400°C für eine Zeitdauer zwischen 5 und 90 min durchgeführt. Wenn die Sintertemperatur niedriger als 1100°C ist, entwickelt sich das Sintern aufgrund der ungenü genden Bildung einer flüssigen Phase nicht ausreichend, was zu einem ungesinterten Zustand führt. Wenn dagegen die Sintertem peraturen über 1400°C betragen, verursacht dies Übersintern, was zu einer Vergröberung der harten Phase und übermäßigen Dimensionsänderungen führt. Wenn die Sinterdauer weniger als 5 min beträgt, schreitet die Verdichtung nicht genügend voran, und wenn die Sinterdauer mehr als 90 min beträgt, führt dies trotz der längeren Sinterdauer nicht zu einer Verbesserung der Festigkeit. In einigen Fällen kann jedoch aufgrund der Vergrö berung der harten Phase eine Verringerung der Festigkeit auf treten. Während des Sinterns bildet sich eine eutektische Schmelze, die gute Netzbarkeit mit dem Stahlkern und mit dem Eisenborid, vorzugsweise Eisen(II)-Borid, sowie Fe, Ni und/oder Cr aufweist, was die feste Verbindung der Hartlegierung und des Stahlkerns erleichtert.

Zum Vergleich der Korrosions- und Abriebbeständigkeit des er findungsgemäß als Außenschicht der Extruderschnecke verwendeten Hartmetalls mit derjenigen eines SKD-11-Stahls wurde ein Expe riment durchgeführt. SKD-11-Stahl ist eine derjenigen Stahl sorten, die derzeit am häufigsten unter den strengsten Bedin dungen des Spritzgießens von Kunstharzen verwendet werden, die abrasive Feststoffe, wie Glasfasern oder Magnetpulver aufweisen. In vielen Fällen sind die von den Herstellern verwendeten Ma terialien mehr oder weniger Variationen des SKD-11-Stahls, um die Zähigkeit, Härte oder andere Eigenschaften zu verbessern. Aus diesem Grund wird SKD-11-Stahl zu diesem Vergleich ausge wählt.

Zunächst wurde in nachstehender Weise eine Korrosionsprüfung durchgeführt. Testproben mit Abmessungen von 10 × 20 × 5 mm wurden in ein Polyamidharz bei Harz-Temperaturen zwischen 276 und 278°C für eine Eintauchdauer von 20 Stunden eingetaucht. Danach wurde der Gewichtsverlust aufgrund der Korrosion als mdd(mg/dm²/Tag) bestimmt. Die Testergebnisse der erfindungs gemäß verwendeten Hartlegierung zeigten einen Gewichtsverlust von 50 mdd, während der Gewichtsverlust des SKD-11-Stahls 1500 mdd betrug. Danach wurde die Abriebfestigkeit ermittelt unter Verwendung eines Abrieb-Testgeräts vom Ohgoshi-Typ und unter den nachstehenden Prüfbedingungen bestimmt: Gleitgeschwin digkeit 0,51 m/s, Gleitstrecke 200 m, abschließende Last 18,9 kg, Abriebblock aus JIS SUS 44CC-Stahl. Als Ergebnis dieser Prüfung ergab sich für das Abriebvolumen der erfindungsgemäß verwende ten Hartlegierung 0,11 mm³ und als Abriebvolumen des SUS 440- Stahls 0,54 mm³, wobei die Summe der Abriebsvolumina 0,65 mm³ betrug. Wenn dagegen SKD-11-Stahl und SUS 440-Stahl miteinan der kombiniert wurden, betrugen die jeweiligen Abriebsvolumina 4,56 mm³ und 5,33 mm³ und die Summe der Abriebsvolumina 9,89 mm³. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäß verwendete Hartlegierung gegenüber Kunstharz eine Korrosions beständigkeit zeigt, die 30mal größer ist als die der her kömmlichen SKD-11-Legierung. Auch hinsichtlich der Ohgoshi- Abriebsprüfung zeigt die Hartlegierung eine Abriebbeständigkeit, die etwa 40mal größer ist als diejenige der herkömmlichen SKD-11-Legierung, und die kombinierte Abriebfestigkeit ist et wa 15mal besser als die kombinierte Abriebfestigkeit der her kömmlichen SKD-11-Legierung mit dem Abriebblock aus SUS 440- Stahl. Die erfindungsgemäß verwendete Legierung ist deshalb nicht nur in ihrer Abriebfestigkeit überlegen, sondern ver ringert auch den Abrieb der mit ihr in Berührung stehenden Teile.

Nachstehend wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Extruderschnecke erläutert.

Ein Mischpulver mit 46 Gew.-% eines gaszerstäubten Legierungs pulvers, das aus 9,0 Gew.-% B, 12,5 Gew.-% Cr, 0,03 Gew.-% Al, 0,33 Gew.-% Si, 0,21 Gew.-% C, Rest Fe, 37 Gew.-% Mo-Pulver, 5 Gew.-% W-Pulver, 3 Gew.-% Cr-Pulver, 3 Gew.-% Ni-Pulver, Rest Fe-Pulver bestand, wurde 28 Stunden lang durch Naßkugel mahlen in einer Kugelmühle aus Eisen zerkleinert, und die ge mahlene Mischung wurde durch trockenes Granulieren zu Pulver verarbeitet. Danach wurde, wie in Fig. 1 dargestellt, der Form kern 2 in eine zusammendrückbare Form 1 aus Siliconkautschuk eingeführt, deren innere Oberfläche wie eine Extruderschnecke geformt war, und das vorstehend erläuterte Pulver als Rohmate rial wurde in den Zwischenraum zwischen dem Formkern 2 und der inneren Oberfläche der zusammendrückbaren Form 1 eingefüllt. Danach wurde die Form aus Siliconkautschuk zusammen mit dem Formkern und dem Rohpulver abgedichtet, und das Rohpulver wur de mittels kaltem isostatischem Pressen in die Form einer Ex truderschnecke gepreßt. Die Abmessungen des zu diesem Zeitpunkt gebildeten Grünlings betrugen als Außendurchmeser 37 mm (Außendurchmesser des Schraubengangs), als Schraubensteigung 34,5 mm, als Innendurchmesser 25 mm und als Länge 710 mm. Da nach wurde der Grünling in einen Vakuum-Sinterofen gebracht, wobei sich seine Längsachse in Vertikalrichtung erstreckte, wie in Fig. 3 dargestellt, und ein Stahlkern vom JIS-Typ SNCM 439 wurde in die zentrale Öffnung des Grünlings eingeführt, um sich mit dem Sintermaterial zu verbinden. Der Stahlkern wurde der art bearbeitet, daß sein Außendurchmesser 23 mm und seine Län ge 800 mm betrug. Danach wurde der Grünling mit dem darin an geordneten Stahlkern 20 min lang auf 1250°C erwärmt, um gleich zeitig das Pulvermaterial zu sintern und es mit dem Stahlkern zu verbinden. Die Zusammensetzung der Hartlegierung wurde durch chemische Analyse gemessen und folgendermaßen bestimmt: 4,0 Gew.-% B, 8,3 Gew.-% Cr, 36 Gew.-% Mo, 4,8 Gew.-% W, 0,10 Gew.-% C, 0,01 Gew.-% Al, 0,13 Gew.-% Si und 0,01 Gew.-% O. Die Schrump fung der Abmessungen des Grünlings während des Verbindens beim Sintern betrug 8% des Innendurchmessers des Grünlings, 9% des Außendurchmessers des Grünlings und 7,5% der Länge des Grün lings. Die Abmessungen der Verbund-Extruderschnecke nach dem Endbearbeiten durch Schleifen der äußeren Oberfläche betrugen 32 mm Außendurchmesser (Durchmesser des Gewindegangs), 25 mm Kerndurchmesser (innerer Gewindedurchmesser), 32 mm Gewinde steigung, 3,5 mm Schneckenbreite (Breite des Gewindegangs) und 650 mm Schneckenlänge.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Extruder schnecke hat verglichen mit einer aus SKD-11-Stahl hergestellten Extruderschnecke bemerkenswert verbesserte Eigenschaften hin sichtlich Korrosions- und Abriebbeständigkeit. Die erfindungs gemäße Extruderschnecke kann für Spritzgußmaschinen oder Strang preß- oder Extrudiermaschinen verwendet werden, wodurch das Spritzgießen sogar von keramischen Erzeugnissen ermöglicht wird.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Extruderschnecke aus einem Sinterkörper auf einem Metallkern mit den folgenden Verfahrensschritten:
Einfüllen eines Sinterpulvers zur Ausbildung eines Grün lings in einen Zwischenraum zwischen der Innenfläche einer zusammendrückbaren Form und der Außenfläche eines in der zusammendrückbaren Form angeordneten Formkerns,
Abdichten der zusammendrückbaren Form mit dem darin angeordneten Sinterpulver und dem Formkern,
isostatisches Pressen der abgedichteten zusammendrückbaren Form und Ausbilden des Grünlings,
Entfernen des Formkerns aus dem isostatisch gepreßten Grünling zur Ausbildung eines Hohlraums in dem Grünling,
Einführen eines Metallkerns in den Hohlraum des Grünlings, wobei der Metallkern einen kleineren Durchmesser aufweist, der 80 bis 95% des Durchmessers des zuvor entfernten Formkerns beträgt,
Erwärmen des Grünlings und des Metallkerns auf eine Temperatur, bei der der gepreßte Grünling zu einem Sinterkörper gesintert wird, wobei der gepreßte Grünling auf den Metallkern aufgeschrumpft und eine Verbindung des Sin terkörpers mit dem Metallkern ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper eine harte Phase und eine Matrix aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper etwa 25 bis 96 Gew.-% Fe-B, Fe-X-B und/oder Fe-X-Y-B aufweist, wobei X und Y für Cr, Mo, W, Ti, V, Nb, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co, Mn und/oder deren Gemi sche stehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper 2 bis 20 Gew.-% B aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper mindestens 10 Gew.-% Fe aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sinterkörper 0,1 bis 50 gew.-% Cr, Mo und/ oder W aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sinterkörper 0,01 bis 15 gew.-% Ti, V, Ta, Hf, Zr, Ni, Cu, Co und/oder Mn aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sinterkörper höchstens 3 Gew.-% Al auf weist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sinterkörper höchstens 2,5 Gew.-% O auf weist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sinterkörper 0,01 bis 1 Gew.-% C aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die zusammendrückbare Form aus synthetischem Kautschuk oder synthetischem Gummi besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der synthetische Kautschuk Siliconkautschuk ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Längsachse des isostatisch gepreßten Grünlings, während des Sinterns im wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß das Länge- zu Breite-Verhältnis des Grünlings mindestens 5 beträgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sintern im Vakuum durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sintern in nicht-oxidierender Atmosphäre durchgeführt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß die innere Oberfläche der zusammendrückbaren Form zylindrisch ist und mindestens eine schraubenförmige Ausnehmung aufweist, die sich über die Länge der zusammen drückbaren Form erstreckt, daß beim Einbringen des Sinter pulvers ein zwischen einer Außenfläche des Formkerns und der Innenfläche der zusammendrückbaren Form ausgebildeter Hohlraum aufgefüllt wird, wodurch der Grünling nach dem Einfüllen die Form einer Extruderschnecke für eine Spritz gußmaschine annimmt, daß der Hohlraum zylindrisch ist und daß der Metallkern aus Stahl besteht.

18. Extruderschnecke, herstellbar mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17.