DE3807512A1 - Verfahren zum kontinuierlichen herstellen eines verschleissbestaendigen hartstoff-metallverbundes durch schleudergiessen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuier­ lichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hart­ stoff-Metallverbundes durch Schleudergießen.

Es ist bekannt, rotationssymmetrische Gußkörper durch Schleudergießen herzustellen, die in unterschied­ lichen Bereichen pulverförmige oder körnige Hartstof­ fe aufweisen können (deutsche Patentschriften Nr. 8 91 324 und Nr. 22 54 705).

Dabei ist es allerdings nötig, entweder zunächst feste Hartstoffe in eine Metallschmelze zuzugeben und anschließend die Hartstoffe gemeinsam mit der Me­ tallschmelze in eine Schleudergußkokille einzugießen (deutsche Patentschrift Nr. 8 91 324) oder erst nach dem Eingießen der Metallschmelze in die Schleuderguß­ kokille Hartstoffe auf die Innenoberfläche der Schleudergußlage aufzustreuen (deutsche Patentschrift Nr. 22 54 705).

Nachteilig bei diesen Verfahrensweisen ist insbeson­ dere, daß beim Zugeben von Hartstoffen in die mit Metallschmelze gefüllte Gießpfanne aufgrund der lan­ gen Einwirkzeit der Metallschmelze auf die Feststoff­ partikel und des durch z.B. Rühren unterstützten Stofftausches ein großer Teil der Hartstoffe in Lö­ sung geht und daher nicht als Verschleißschutz zur Wirkung kommt oder mit dem Aufstreuen der Hartstoffe auf eine teigige oder flüssige Schleudergußlage ein zusätzlicher zeitintensiver Arbeitsschritt verbunden ist.

Zudem ist bei diesen beiden Verfahrensweisen eine aufwendige Parameteroptimierung erforderlich, um die Verteilung und Tiefe der Hartstoffe in dem Gußstück reproduzierbar einstellen zu können.

Hierdurch bedingt können insbesondere Fertigungstole­ ranzen bei der Herstellung von großen und teuren Bau­ teilen, wie z.B. Walzen und Rollen, nicht sicher ein­ gehalten werden.

Daher sind die bekannten Verfahrensweisen zum Erzeu­ gen eines Hartstoff-Metallverbundes für große Präzi­ sionsteile nicht geeignet.

Ferner können zur verschleißfesten Panzerung der Ko­ killenwand zugekehrten Außenfläche von rotationssym­ metrischen Gußkörpern nach dem Schleudergußverfahren nur Hartstoffe sehr hoher Dichte, wie z.B. Wolfram­ karbid, die infolge der beim Schleudergießen einwir­ kenden Zentrifugalkraft radial durch die Schmelze in Richtung Kokillenwand transportiert werden, zum Ein­ satz kommen.

Demgegenüber lassen sich Hartstoffe geringer Dichte, wie z.B. B₄C, TiB₂, TiC, obwohl diese eine wesentlich höhere Härte als z.B. Wolframkarbid aufweisen, nicht zur Bewehrung der Kokillenwand zugekehrten äußeren Oberfläche des Gußteils verwenden. Diese Hartstoffe reichern sich infolge der Strömungsbedingungen der Metallschmelze in der Schleudergußkokille bevorzugt auf der Innenseite bzw. im Kernbereich des Gußteils an und sind deshalb hinsichtlich des Verschleiß­ schutzes der Außenfläche von gegossenen Vollkörpern ohne Wirkung.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleiß­ beständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleu­ dergießen (Vertikal- und Horizontal-Schleuderguß) zu entwickeln, welches insbesondere in kostengünstiger Weise eine einfache Parametersteuerung zum repro­ duzierbaren Erzeugen eines derartigen Verbundes zur Bewehrung großer rotationssymmetrischer Bauteile ge­ gen Verschleiß auch unter Verwendung von metal­ lischen- und nichtmetallischen Hartstoffen hoher Här­ te und niedriger Dichte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß feste pulverförmige und/oder körnige synthetische metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe wäh­ rend des Eingießens der Metallschmelze in eine um ihre Symmetrieachse rotierende Schleudergußkokille mit Hilfe einer Fördereinrichtung unter Verwendung eines inerten Fördergases zeitweise in den in die Ko­ kille einfließenden Metallstrom injiziert werden.

Hierdurch wird einerseits die Aufenthaltsdauer der Hartstoffe in der Metallschmelze vor dem Einlaufen in die Kokille verringert und ihr Ausbringen erhöht, andererseits kann die Verteilung und Einlagerungs­ tiefe der Hartstoffe in einfacher Weise, reproduzier­ bar durch Wahl des Zeitpunkts sowie der Zeitdauer der Injektion eingestellt werden.

Da insbesondere bei großen durch Schleudergießen her­ gestellten Bauteilen, um die mit dem Gießvorgang und der Kokillenkontur verbundenen Fertigungstoleranzen auszugleichen, eine aufwendige Nachbearbeitung der Gußstücke erforderlich ist und diese bei hohen Hart­ stoffanteilen durch kostenintensives Schleifen er­ folgen muß, wird zum Ausgleich der Fertigungstoleran­ zen vor der Zugabe von festen synthetischen Hartstof­ fen in den in die Kokille einfließenden Metallstrom zunächst eine spanbare Bearbeitungsschicht gegossen.

Nach dem unmittelbar erfolgenden Eingießen der mit synthetischen Hartstoffen beaufschlagten Metall­ schmelze in die Schleudergußkokille wird zur Fertig­ stellung des Gußkörpers der Gießvorgang kontinuier­ lich mit reiner Metallschmelze fortgesetzt.

Zur Beaufschlagung mit synthetischen Hartstoffen eig­ nen sich vorzugsweise Metallschmelzen, die aus le­ giertem oder unlegiertem Stahl- oder Grauguß, reinen Nichteisenmetallen, wie Cobalt und Nickel oder aus einer Nickel- oder Cobaltbasislegierung bestehen.

Ferner ist die Injektion von Karbiden der Elemente Mo, Nb, Ta, V, W und Zr in die Metallschmelze, insbesondere wegen ihrer hohen Dichte und niedrigen Lösungsgeschwindigkeit, vorteilhaft. Diese werden aufgrund der beim Schleudergießen auftretenden hohen Zentrifugalbeschleunigung radial durch die Schmelze in Richtung Kokillenwand transportiert und reichern sich im Gußkörper vor der äußeren Bearbeitungsschicht an. Zur Injektion der in die Kokille einströmenden Metallschmelze können auch sehr harte und in Metall­ schmelzen nur langsam lösliche Boride, Oxide und Karbide geringer Dichte, wie TiB₂, Al₂O₃, TiO₂, B₄C, TiC verwendet werden, die unter Zuhilfenahme eines anorganischen oder organischen Bindemittels durch Agglomeration mit Metallen und/oder Karbiden hoher Dichte, wie Co, Ni, Ta, W, TaC, W₂C, WC, verbunden sind.

Aufgrund der Anbindung von Hartstoffen niedriger Dichte an metallische Elemente und/oder Karbide hoher Dichte werden diese "beschwert" und lassen sich zur Bewehrung der Kokillenwand gegenüberliegenden äußeren Oberfläche des Gußkörpers verwenden. Ferner können, durch den Einsatz derartig vorbehandelter Hartstoffe, deren Einbindung im erstarrten Gußteil verbessert und verschleißfeste Hartstoff-Mischphasen während des Gießvorganges erzeugt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Gießprozeß zur Herstel­ lung eines Hartstoff-Metallverbundes in kontinuier­ licher und einfacher, kostengünstiger Weise erfolgt sowie die Verteilung, Zusammensetzung, Konzentration und Tiefe der Hartstoffe im Schleudergußkörper repro­ duzierbar eingestellt werden kann.

Hierdurch lassen sich u.a. der Aufwand zur Fertigbe­ arbeitung des Gußteiles erheblich reduzieren und die Eigenschaften des Hartstoff-Metallverbundes gezielt beeinflussen. Daher ist erstmals in wirtschaftlicher und reproduzierbarer Weise das Herstellen eines ver­ schleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes im Schleudergußverfahren (Vertikal- und Horizontal- Schleuderguß) zur verschleißfesten Panzerung von großen und teuren Bauteilen, wie z.B. Walzen, Rollen, möglich. Außerdem können auch sehr harte Boride, Oxide und Karbide zur Bewehrung der äußeren, der Ko­ killenwand zugekehrten Oberfläche des Gußkörpers zum Einsatz kommen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigt Fig. 1 die schaubildliche Darstellung des erfindungsmäßigen Verfahrens zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff- Metallverbundes durch Schleudergießen (hier: Horizon­ tal-Schleuderguß).

Die Schleudergußkokille 1 wird zunächst durch die An­ triebsrollen 2 in eine Drehbewegung um ihre Sym­ metrieachse versetzt. Nach dem Erreichen einer für die gleichmäßige Verteilung der Metallschmelze in der Schleudergußkokille 1 ausreichend hohen Drehgeschwin­ digkeit wird nach dem üblichen Aufbringen einer Schlichte auf die Kokillenwand (in der Figur nicht gezeigt) reine Metallschmelze 3 aus der Gießpfanne 4 durch die Gießvorrichtung 5 in die kalte Schleuder­ gußkokille 1 gegossen. Durch die hohe Wärmeabfuhr, bedingt durch die kalte Schleudergußkokille 1, er­ starrt unmittelbar eine rd. 5-15 mm starke Bear­ beitungsschicht 6. Nach Fertigstellung des Gußstückes kann durch spanabhebende Bearbeitung dieser Schicht, die auf den Gießprozeß und die Kokillenkontur zurück­ zuführenden Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.

Mit Hilfe einer Fördereinrichtung 7 (hier nach dem Prinzip einer Wirbelbett-Fördereinrichtung) werden nun mit einem inerten Schutzgas als Träger- bzw. För­ dergas 8, vorzugsweise Argon, feste pulverförmige und/oder körnige Hartstoffe 9 durch eine Öffnung 10 in der Gießvorrichtung 5, in der Nähe der Schleuder­ gußkokille 1, in den die Gießvorrichtung 5 durchfließenden Metallstrom injiziert. Die Dosierung der Hartstoffe erfolgt in einfacher Weise durch Ein­ stellung des Trägergasdruckes. Nach Beaufschlagung der Metallschmelze mit synthetischen Hartstoffen 11 wird der Gießvorgang durch Unterbrechung der Pulverzufuhr mit reiner Metallschmelze 12 bis zur Fertigstellung des Gußteiles fortgesetzt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine nach dem entwickelten Verfahren gegossene Walze mit einer Bearbeitungsschicht aus Stahlguß 13, einer verschleißbeständigen Schicht 14 aus Stahlguß mit eingebetteten synthetischen Hartstoffen 15 und einen Kern aus Stahlguß 16.

Claims (6)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergießen, dadurch gekennzeichnet, daß feste pulverförmige und/oder körnige synthetische metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe während des Eingießens der Metallschmelze in eine um ihre Symmetrieachse rotierende Schleudergußkokille mit Hilfe einer Fördereinrichtung unter Verwendung eines inerten Fördergases zeitweise in den in die Kokille ein­ fließenden Metallstrom injiziert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zugabe von festen synthetischen Hartstoffen in den in die Ko­ kille einfließenden Metallstrom zunächst eine spanbare Bearbeitungsschicht gegossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eingießen der mit synthetischen Hartstoffen beaufschlagten Me­ tallschmelze in die Schleudergußkokille der Gieß­ vorgang mit reiner Metallschmelze kontinuierlich fortgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze aus legiertem oder unlegiertem Stahl- oder Grauguß, reinen Nichteisenmetallen, wie Cobalt und Nickel oder aus einer Nickel- oder Cobaltbasislegierung besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise zur In­ jektion in die Metallschmelze Karbide der Elemente Mo, Nb, Ta, V, W und Zr verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Injektion der in die Kokille einströmenden Metallschmelze Boride, Oxide und Karbide geringer Dichte, wie TiB₂, Al₂O₃, TiO₂, B₄C, TiC, verwendet werden, die unter Zuhilfenahme eines anorganischen oder orga­ nischen Bindemittels durch Agglomeration mit Me­ tallen und/oder Karbiden hoher Dichte, wie Co, Ni, Ta, W, TaC, W ₂C, WC, verbunden sind.