DE3807347C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Verbundgußkörpern aus mehreren Metallschichten, insbesondere Platten und zylinderförmige Formstücke, wobei die Metallschichten unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.

Bekannt sind z.B. aus der DE-PS 2 86 701 Stahlplatten, die durch Umgießen nicht verschmelzender gitterförmig übereinandergelegter Stäbe hergestellt werden, die anschließend durch Walzdruck breitgedrückt werden. Die Metallschmelze soll dabei aus hartem oder härtbarem Eisen bestehen, wohingegen die Stäbe zäh, nicht härtbar sein sollen.

Zweck dieser Maßnahmen ist die Verknüpfung einer harten und daher spröden Legierung mit den zähen Eigenschaften des Gitters.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß Biegekräfte nicht ausreichend vom Gitterwerk aufgenommen werden können, so daß derartig hergestellte plattenartige Formstücke bei Biegebeanspruchung zum Bruch führen.

Die DE-PS 8 44 806 beschreibt die Herstellung von Verbundmetallsträngen, die zwischen sich kein Trennblech aufweisen. Dabei wird auf den gerade erstarrten Kern des nach unten abgezogenen Stranges ein Mantel aufgegossen. Strangguß ist jedoch auf relativ niedrige Durchmesser begrenzt.

Die DE-PS 7 60 193 beschreibt das Gießen von insbesondere Motorzylindern, wobei auf einen Stahlkörper Leichtmetall aufgespritzt wird und dieser danach mit Leichtmetall umgossen wird.

Dieses Vorgehen setzt einen Guß gegen kalte Oberflächen voraus. Gießt man jedoch eine Stahlschmelze gegen kalte, d. h. nicht auf Rotglut (ca. 1100°C) erhitzte Flächen, so entsteht eine vollkommen unbefriedigende, Fehlstellen aufweisende Anbindung.

In der DE-PS 5 70 945 ist das Problem der unvollkommenen Anbindung zweier Metallschichten an ein Trennblech nahe der Gußform angesprochen und es wird vorgeschlagen, hier abzutrennende Leisten mitzuvergießen. Das Problem des Durchbrennens eines Trennbleches durch hochlegierte Hartstahlschmelze bei dünnwandigen Trennblechen ist nicht gelöst.

Die DE-AS 12 12 252 offenbart ein die Diffusion von Legierungsbestandteilen verhinderndes Trennblech zwischen zwei unterschiedlichen anzugießenden Stahlsorten. Wie der Gießvorgang selbst vor sich geht und wie das Trennblech vor dem Durchtrennen bei Aufrechterhaltung einer homogenen Ankoppelung geschützt werden kann, ist nicht angesprochen.

Die DE-OS 20 49 757 benutzt ansteigenden Guß gegen einen Körper aus "Grundmetall", der vorher mit einer sich beim Gießen zersetzenden organischen Substanz beschichtet wurde (Perfluorethen). Der Guß selbst erfolgt gegen den kalten Körper, der in die Form eingehängt wird.

Wie das Anbinden dünner Trennbleche unter Vermeidung von Durchbrüchen bei unterschiedlichen Stahlsorten geschehen kann, ist auch hier nicht aufgezeigt.

Die DE-OS 14 83 588 letztlich schlägt die Verwendung zweier gegenüberliegender Trennbleche und die Durchmischung der angegossenen Metallschmelzen vor. Dies scheidet bei Hartlegierungen aus, da sie an Legierungsanteilen zu stark verarmen würden.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, unter Verwendung von Trennblechen Formkörper herzustellen, die Schichten unterschiedlicher Metalle oder Metallegierungen aufweisen, die homogen miteinander verbunden sind, glatte Oberflächen aufweisen und die hinsichtlich ihrer Schichtstärken und Zusammensetzungen in weiten Grenzen wählbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Hauptanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Formkörper weist eine Sandwichstruktur auf, wobei grundsätzlich hinsichtlich der Anzahl der Schichten keine Beschränkung besteht.

Ein solcher Formkörper kann in vorteilhafter Weise aus einer Phase hoch verschleißfester Legierung, beliebig dicker Schichtstärke und gegenüberliegend einer duktilen, spanend verformbaren, insbesondere schweißbaren Zusammensetzung bestehen. Da sämtliche Schichten, wobei immer zwischen zwei unterschiedlichen ein Phasentrennblech angeordnet ist, einerseits durch das Phasentrennblech voneinander getrennt sind, weil dieses nur oberflächlich angeschmolzen ist, bleiben die Phasen voneinander getrennt, es findet nur eine geringe Durchmischung mit den Bestandteilen des Phasentrennbleches statt. Andererseits sind die Schichten miteinander vollkommen verschweißt, so daß z. B. die unterschiedlichen Belastbarkeiten ohne Strukturrisse einander ergänzen können.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Stählen beschränkt, es sind sämtliche schmelzbaren Metalle grundsätzlich als erfindungsgemäße Sandwichkonstruktionen miteinander verbindbar. Im Falle des Einsatzes als Verschleißblech besteht keine wesentliche Beschränkung hinsichtlich der Stärke der Panzerung.

Die Form des erfindungsgemäßen Körpers ist weiterhin nicht auf Bleche beschränkt. Zylindrische Formkörper oder ähnliche sind ebenfalls herstellbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht insbesondere darin, daß man in einer Gießform vorzugsweise stehend ein Phasentrennblech einbringt und dieses von beiden Seiten mit Metallschmelzen derart von unten ansteigend angießt, daß die Oberfläche des Phasentrennbleches beidseitig durch die Schmelzphasen angeschmolzen wird, anschließend aushärten läßt und entformt.

Dabei ist die Dicke des Trennbleches so zu wählen, daß die beiden angreifenden Schmelzephasen dieses nicht durchbrechen, da sich sonst die Legierungen vermischen.

Der Guß erfolgt mit auf die Stärke des Bleches abgestimmter Geschwindigkeit, wobei ständig Wärme durch die Gußform und das Phasentrennblech aus den Schmelzen abgeleitet wird. Es ist daher möglich, z. B. durch Steuerung der Gießgeschwindigkeit, den Wärmeinhalt, bzw. dessen Auswirkung auf das Trennblech derart zu begrenzen, daß dieses lediglich an seiner Oberfläche und nur in geringe Tiefe angeschmolzen wird.

Sowohl Gußgeschwindigkeiten und Schichtstärke als auch Blechstärke sind aufeinander abzustimmen.

Beispielsweise ist ein Formkörper hergestellt worden, dessen Phasentrennblechstärke 5 mm und dessen Phasen eine Schichtdicke von 18 und 30 mm besaßen, ohne daß Durchbrüche beobachtet wurden. Die Stärke des Trennbleches sank durch das Anschmelzen auf ca. 3 mm.

Bei ausreichender Schichtdicke der Phasen bleiben die Schmelzen fließfähig und anschmelzfähig, wobei natürlich die Höhe des Formstückes in Relation zu Schichtstärke und Fließfähigkeit steht. Bei geringeren Schichtstärken in bezug auf die Formstückhöhe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, entsprechend mehr Anschnitte über die Höhe vorzusehen.

Die Gußgeschwindigkeit ist daher sowohl auf die zu verhütende Durchschmelzung des Trennbleches, als auch auf die Fließfähigkeit der Metallschmelzen abzustimmen, wobei natürlich die Phasen auf eine Temperatur bleiben müssen, die oberhalb des Schmelzpunktes des Phasentrennbleches liegt.

Bei größeren Breiten des Formstückes oder im Falle zylindrischer Körper bei größeren Umfängen sind mehrere Anschnitte am Boden und in der Höhenstaffel etwa niveaugleich vorzusehen. Phasen gleicher Schichtdicke werden grundsätzlich in gleichem Pegel und in gleicher Geschwindigkeit gegossen. Dadurch erwärmen sich beide Seiten des Phasentrennbleches gleich und ohne Verzug.

Bei unterschiedlichen Schichtstärken eilt die dünnere der dickeren voraus, dabei können die Steiggeschwindigkeiten auch unterschiedlich sein.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die Schmelze der dünneren Phase über mehr Anschnitte zuzuführen, als die der dickeren.

Falls hinsichtlich der Dicke des Trennbleches Grenzen erwünscht sind, so wird vorgeschlagen, auf dieses Noppen aufzuschweißen. Diese werden von der Schmelze, da sie weiter nach innen durch die Grenzschicht oder Diffusionszone reichen, zunächst angeschmolzen oder gar aufgelöst und entziehen der Grenzschicht Wärme, die dann dem Auflösen oder Aufschmelzen des Phasentrennbleches entzogen ist, so daß dieses dünner gestaltet sein kann.

Das Phasentrennblech kann beliebige, die Form des Gußstückes wiederholende, z.B. wellige Gestalt haben, es kann insbesondere zur Herstellung zylindrischer oder ovaler oder sonstwie geschlossener Körper die Form eines entsprechenden geschlossenen Mantels aufweisen, der lediglich aus gießtechnischen Gründen oben und unten offen sein muß. Der senkrecht stehende Einbau des Trennbleches in die Form ist bevorzugt, da hierbei die geringsten Angriffe auf das in der Schmelze befindliche Blech auftreten, so daß die Verfahrensparameter hierbei in den weitesten Grenzen gewählt werden können.

Mit großem Vorteil lassen sich gepanzerte Formstücke, wie z.B. Bleche und Zylinder herstellen, die eine dicke Panzerungsschicht und gegenüberliegend eine in genauso weiten Grenzen wählbare bearbeitbare, insbesondere drehbare und schweißbare Schicht aufweisen, die derart gut miteinander verbunden sind, daß Gefügerisse verhindert werden und demzufolge auch eine höhere Festigkeit des Verbundes bei gleichzeitiger Materialersparnis erzielt wird.

Für derartige verschleißgeschützte, insbesondere ausgesetzte Formstücke wird vorgeschlagen, daß das Phasentrennblech aus einem unlegierten oder niedrig legierten Kohlenstoffstahl oder aus austenitischem Chrom-Nickelstahl oder aus ferritischem Chromstahl oder aus Nickel- oder Nickelbasislegierung mit Chrom- und Molybdänanteilen besteht, daß die bearbeitbare Phase aus unlegiertem oder niedriglegiertem Kohlenstoffstahl oder aus hochlegiertem austenitischen Chrom-Nickelstahl oder einer Nickelbasislegierung und die verschleißfeste Phase aus Hartgußlegierung, insbesondere Chromkarbide mit ggf. zusätzlichen Anteilen an Vanadium und/oder Molybdän und/oder Niob und/oder Wolframanteile und/oder Borkarbide und/oder Titankarbide aufweisender Hartgußschmelze gegossen ist.

Da den Schmelzen durch das Trennblech und die Form Wärme entzogen wird, ist die Temperatur der Schmelzen von wesentlicher Bedeutung. Einmal muß sie so hoch sein, daß das Trennblech zuverlässig angeschmolzen wird. Zum anderen dürfen die Schmelzen es nicht durchbrechen. Bei höheren Schichtdicken ist natürlich auch der Wärmeinhalt der Schmelzen höher, so daß mehr Wärme von der Form abgeführt werden muß. Größere Schichtstärken sind daher entsprechend langsamer zu gießen. Umgekehrt sind dünne Schichten entsprechend schneller einzufüllen, da hier die Gefahr der Unterkühlung besteht.

Bei der Herstellung relativ dünnwandiger Körper ist der stehende Guß wegen des leichteren Aufrechterhaltens der Fließfähigkeit der Schmelze vorzuziehen. Bei dickeren Wandstärken kann grundsätzlich auch horizontal vergossen werden, wobei zunächst die untenliegende Schicht hergestellt wird. Da diese mit dem Trennblech unter Erwärmen koppelt, kann die oben aufgebrachte Schicht wiederum dünner sein, da sie dem Trennblech bzw. der darunter befindlichen auskristallisierenden Schmelze Wärme zur Aufrechterhaltung einer niedrigen Viskosität und zur Verbindung mit dem Trennblech entziehen kann.

Mit besonderem Vorteil weist mindestens eine der vergossenen Schichten eine äußere Profilierung wie Kegel, Stempel oder Leisten auf, die in einfacher Weise entsprechend in die Form eingeprägt sind.

Anhand der Figuren wird die vorliegende Erfindung beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Herstellung eines Bleches;

Fig. 2 zeigt die Herstellung einer Extruderschnecke;

Fig. 3 zeigt die Verbindung zweier Rohrstücke;

Fig. 4 zeigt einige Beispiele von Schleißblechen mit zusätzlich aufgegossenen Stollen in unterschiedlichen geometrischen Formen.

In Fig. 1 ist ein Formkasten 4 gefüllt mit Formsand 5, vorzugs­ weise Furanharzsand oder Chromharzsand 5 dargestellt. In den Sand ist senkrecht stehend ein Phasentrennblech 3 nach oben und nach unten überstehend dargestellt, wobei wie durch die Schraffur angedeutet, die Vorrichtung nach dem Guß der beiden Phasen 1 und 2 geschnitten ist.

Über die beiden Gießkanäle 6 und 7 sind Schmelzen von unten in die Formhohlräume eingeleitet worden, für die Herstellung dünnerer Phasen 1 und 2 sind über die Formhöhe mehrere Anschnitte 8, 9 sowie 10, 11 und 12 angeordnet, über die die Schmelzen nach Erreichen der jeweiligen Niveaus in die Form laufen und so die Fließfähigkeit und Anschmelzung des Phasentrennbleches 3 aufrechterhalten.

Oberhalb der Phasen sind Speiser 13 und 14 angedeutet, die nach dem Entformen zusammen mit den überstehenden Phasentrennblech­ teilen und den Angüssen abgeschnitten werden. Die Schmelzen haben das Phasentrennblech angelöst und sich beim Erstarren mit diesem fest zu einer Sandwichstruktur verbunden.

Es ist möglich, bei ausreichendem Abstand auch mehrere Phasen­ trennbleche durch verschiedene oder auch gleiche erstarrte Schmelzen zu verbinden.

Auf diese Weise lassen sich mit großem Vorteil dicke Hartschich­ ten herstellen, die nach herkömmlichem Schweißpanzern nicht gefertigt werden können.

Für die Herstellung derartiger Hartpanzerbleche kommt der Einsatz folgender Legierungen in Frage.

Das Phasentrennblech kann z.B. gewalzter unlegierter oder niedriglegierter Kohlenstoffstahl (ST 37 bis ST 52) oder auch ein austenitischer Chrom-Nickelstahl mit z.B. 19% Chrom und 9% Nickel sein oder auch ein ferritischer Chromstahl mit 13 bis 17% Cr. Derartige Materialien sind gut anschmelzbar und lassen sich daher mit den anliegenden Metallphasen gut verbinden. Grundsätz­ lich kommen auch Nickel und Nickelbasislegierungen in Frage mit z.B. Chrom- und Molybdänanteilen, beispielsweise mit 50 bis 75% Ni Rest Cr, Mo und ggf. Cu.

Die Phase 1 stellt einen bearbeitbaren, spanend verformbaren und/oder schweißbaren Stahl dar, für den keine Grenzen angegeben werden können.

Vorwiegend werden folgende Legierungen erzeugt:

• a) un- oder niedriglegierte C-Stähle
• b) rost- und säurebeständige Chrom-Nickelstähle auf der Basis 19 Cr/9 Ni
• c) Nickel- und Nickelbasis-Stähle.

Die verschleißfeste Phase 2 besteht vorzugsweise aus einer martensitischen und/oder ledeburitischen Hartgußlegierung mit hohen Anteilen an Chromkarbiden und zusätzlichen Sonderkarbiden auf der Basis, Vanadium - Molybdän - Niob - Wolfram - Bor - Titan. Typische Vertreter dieser Legierungsgruppen enthalten etwa folgende Legierungsanteile:

3-5% C
20-24% Cr
1-1,5% Si
1-3% Mn
1-3% V
1-8% Nb
1-6% W
0,5-2% B
3-8% Ti
Rest Fe

Fig. 2 illustriert die Herstellung von zylindrischen Körpern, im konkreten Falle die Herstellung eines Extruderschneckenabschnitts. Dabei besitzt das Phasentrennblech 3 die Form eines zylindrisch geschlossenen Mantels, der nach oben und unten in die Sandform eingebaut ist.

Über die Gießkanäle 6 und 7 werden insbesondere unterschiedliche Phasen 15, 16 an Schmelze von unten beidseits des Phasentrennbleches 3 eingebracht, wobei die Form zusätzlich die Ausnehmung 17 für den Schneckengang besitzt.

Wie vorgehend geschildert, eilt die Phase 1 mit der geringeren Schichtdicke der dickeren Phase 2 voran, wie an den Niveaus 18, 19 erkennbar.

Die Phase 1 ist hierbei in Hartguß ausgeführt, die innere Phase 2 besteht aus niedrig legiertem Kohlenstoffstahl, in die z.B. nach dem Guß Nuten eingefräst werden können, um durch eine Feder mit einer Welle verbunden zu werden.

Mit 13 und 14 sind Speiser bezeichnet.

Die Phase 1 mit der geringeren Schichtdicke kann über mehrere Anschnitte 10, 11, 12 zugegeben werden, falls dies zur Aufrechterhaltung der Fließfähigkeit und Anschmelzung erforderlich ist.

Eine derartige Extruderschnecke mit den nachstehenden Abmessungen, wurde ohne zusätzliche Anschnitte hergestellt, wobei die Phasen 1 und 2 über je 2 um 90° versetzte Bodenzuläufe zugegeben wurden.

Die Schichtdicke der äußeren Phase betrug 18, die der inneren 50 mm. Das Trennblech wurde von ursprünglich 5 auf etwa 2 mm beidseitig abgeschmolzen. Die Höhe des Formkörpers beträgt 250 mm, der Durchmesser 200 mm. Die Oberfläche war vollkommen rißfrei und verlangte keine nachträgliche Bearbeitung durch Schleifen.

Der Guß geschah auf folgende Weise. Zunächst wurde der gesamte Innenmantel innerhalb von 1 Minute vorgegossen, was wegen der hohen Stabilität des zylindrischen Phasentrennbleches 3 ohne weiteres möglich war. Danach wurde etwa 2 bis 3 Minuten gewartet und innerhalb von ebenfalls einer Minute in 3 Intervallen der Außenmantel 1 gegossen.

Fig. 3 zeigt in analoger Weise zu Fig. 2 die einfache Herstellung von innen gepanzerten Rohren, wobei das Phasentrennblech von Hartstahl 1 und schweißfähigem Metall 2 eingeschlossen ist.

Die beim Guß schon mitgeformte V-Naht 20 dient dem späteren Verschweißen der beiden Segmente, die natürlich zur Verbindung mehrerer Formteile beidendig vorzusehen sind.

Fig. 4 zeigt eine weitere, mit Hilfe der vorliegenden Erfindung besonders leicht zu bewerkstelligende Herstellung von profilierten Verschleißblechen, da die gewünschten Oberflächenprofile in einfacher Weise in den Formsand eingeprägt und damit im Gießverfahren herstellbar sind. Dies betrifft in erster Linie die Verschleißseite, grundsätzlich natürlich aber auch die bearbeitbare Seite eines Schleißbleches.

In der Fig. 4 ist die bearbeitbare Metallseite 2 durch die Zwischenschicht 3 von der Hartmetallschicht 1 getrennt. Die Hartmetallschicht 1 weist Profile wie Kegel 21, runde Stempel 22, Noppen 23 oder rechteckige (quadratische) Erhebungen 24 auf, die auch die Form von Leisten haben können. Die verschiedenen Formen sind der Einfachheit halber in dieser Figur vereinigt. In der Praxis werden die Profile insbesondere alternativ verwendet.

Diese Ausführungsform ist insbesondere wegen der damit verbundenen Materialersparnis vorteilhaft.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundgußkörpern, bestehend aus zwei Schichten unterschiedlicher Stahlsorten, wobei die eine niedrig legiert und die andere hochlegiert ist, und wobei zwischen den Schichten ein Trennblech angeordnet ist und der Guß ansteigend beidseitig gegen das in einer Gießform stehende Trennblech erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß man die hochlegierte Schmelze der niedrig legierten voreilend gießt und die hochlegierte Schmelze über über die Höhe gestaffelte Anschnitte zufügt und dabei das Trennblech beidseitig anschmilzt und mit den unterschiedlichen Stahlsorten koppelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrig legierte Schmelze ebenfalls über Anschnitte zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennblech Noppen aufweist.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennblech ein Zylinder ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennblech aus einem unlegierten oder niedrig legierten Kohlenstoffstahl oder aus austenitischem Chrom-Nickelstahl oder aus ferritischem Chromstahl oder aus Nickel- oder Nickelbasislegierung mit Chrom- oder Molybdänanteilen besteht, daß die niedrig legierte Schmelze aus unlegiertem oder niedrig legiertem Kohlenstoffstahl oder eine Nickelbasislegierung und die hochlegierte Schmelze eine verschleißfeste Hartgußlegierung, die insbesondere Chromkarbide mit gegebenenfalls zusätzlichen Anteilen an Vanadium und/oder Molybdän und/oder Niob und/oder Wolframanteile aufweist, besteht.