DE3816348A1 - Verfahren zur herstellung von metall-verbundgusswerkstuecken - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Verbundgußwerkstücken, wobei vorzugsweise eine bearbeitbare, insbesondere schweißbare Schicht des Werkstückes mit einer vorzugsweise hochverschleißfesten Hartmetallegierung beschichtet ist.

Nach bekannten Verfahren wird die Hartmetallschicht auf bearbeitbare Baustahlbleche durch Panzerschweißen aufgetragen, wobei die Schweißzonen raupenförmig neben und übereinandergelegt werden. Es entsteht eine verschleißfeste Schicht, die jedoch naturgemäß nicht glatt ist und eine Vielzahl von Rissen aufweist, weswegen auch ihre mechanische Beanspruchbarkeit eingeschrähkt ist.

In der eigenen älteren Patentanmeldung P 38 07 347 wurde daher vorgeschlagen, zwischen zwei im Gußverfahren hergestellten Schichten ein Phasentrennblech anzuordnen, an dem die bearbeit­ bare und die Hartmetallphase angekoppelt sind. Das dazu eingesetzte Verfahren eignet sich jedoch weniger zur Herstellung relativ dünner Wandstärken.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundgußwerkstücken zu schaffen, mit dem neben höheren auch niedrige Wandstärken insbesondere gepanzerter, glatter Bleche oder auch dünnwandige Formkörper herstellbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß man zunächst die zu beschichtende Seite eines Metallkörpers aufrauht, diesen auf der aufgerauhten Seite mit einer Koppelschicht, z.B. bestehend aus einer dünnen Auflage aus Hartlot oder einer niedrigschmelzenden Metallegierung versieht, das Werkstück auf Fließtemperatur der Auflage erwärmt und das zweite Metall des Verbundes in flüssiger Form mit dem Werkstück zusammenbringt und koppelt.

Überraschenderweise lassen sich auf diese Weise Metalle unterschiedlicher Legierungszusammensetzung koppeln. Die Erwärmung des Metallkörpers kann grundsätzlich in beliebiger geeigneter Weise geschehen, z.B. durch induktive Aufheizung bis zu dem Temperaturbereich, in dem das Auflagematerial schmilzt.

Auf das so erwärmte Metallstück kann nunmehr die Schmelze der zweiten Legierung in stehendem oder auch liegendem Guß aufge­ bracht werden. Es entstehen rißfreie Verbindungen.

Die Auflage kann z.B. Hartlot, insbesondere eine Nickel- oder Cobaltbasislegierung sein. Typische Vertreter hiervon sind solche mit 0,60% Kohlenstoff- 3,1% Bor,- 4,3% Silicium,- 15% Chrom, 3,5% Eisen, Rest Nickel oder 0,9% Kohlenstoff, 1,8% Bor, 2,5% Silicium, 19% Chrom, 2% Eisen, 9% Wolfram, 13% Nickel, Rest Cobalt, eine sog. Stellit-Legierung.

Da diese Legierungen beim Erwärmen zusammenlaufen können, wird erfindungsgemäß die Koppelschicht aus einer Flamme oder einem Plasma auf das Werkstück aufgespritzt.

In besonders bevorzugter Weise wird erfindungsgemäß die zur Erwärmung des Werkstückes erforderliche Wärmemenge durch eine Metallschmelze eingebracht. Dazu wird das Werkstück auf der der zu beschichtenden gegenüberliegenden Seite mit einer Trennschicht versehen und mit der Metallschmelze angegossen. Danach wird die gewünschte Legierung durch Guß angekoppelt und nach Erstarren das zur Erwärmen benötigte Metall abgetrennt. Damit lassen sich Werkstücke im Verbundguß herstellen, wobei z.B. aufsteigender Guß eingesetzt wird.

Überraschenderweise lassen sich auch Rohre innen aufpanzern, wobei in einer Form bei senkrecht stehendem Rohr nach Aufrauhen und beidseitiger Beschichtung außen zunächst die auf Rotglut erwärmende Schmelze eingebracht wird und nach Erreichen der Fließtemperatur der Koppelschicht das Hartmetall ebenfalls von unten nach oben ansteigend gegossen wird.

Da die Koppelschicht selbst nur sehr dünn zu sein braucht, besteht keine Gefahr des Herablaufens oder Verarmens, da sie gut auch bei Rotgluttemperatur (ca. 1000°C) adhestiv gebunden bleibt.

Zur Herstellung von gepanzerten Blelchen, die insbesondere auch dünnwandig sein können, wird folgende Vorgehensweise erstmals vorgeschlagen.

Zunächst wird das Blech auf der einen Seite scharfkörnig aufgerauht und nach geringfügiger Erwärmung (100-150°C) im Flammspritz- oder Plasmaspritzverfahren mit der Koppelschicht versehen. Danach wird das Trennmittel aufgetragen und das Blech in eine Sandform liegend eingebaut, die unterhalb des Bleches eine Vertiefung aufweist und oberhalb des Bleches den Freiraum für das einzugießende Hartmetall. Danach wird bevorzugt Hartmetallschmelze in die Vertiefung in einer solchen Menge eingebracht, die ausreicht, durch ihren Wärmeinhalt das Blech auf Rotglut zu erwärmen.

Nach Erreichen der Rotglut- bzw. Koppeltemperatur kann dann die zur Panzerung benötigte Hartmetallschmelze auf das Blech gegossen werden. Nach Erstarren wird entformt und die untere Hartmetallschicht abgetrennt. Der besondere Vorteil der Verwendung von Hartmetallschmelze zum Erwärmen des Bleches besteht darin, daß es wegen seiner großen Sprödigkeit leicht gebrochen und erneut eingeschmolzen werden kann.

Es entstehen auf diese Weise gepanzerte, vollständig rißfreie, einwandfrei gekoppelte Bleche mit glatten Oberflächen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren schwimmt das zu panzernde Blech auf der Schmelze und kann sich dadurch nicht verformen. Zugleich ist hierdurch für einen optimalen Wärmeübergang gesorgt, der für die gleichmäßige Erwärmung und saubere Ankoppelung benötigt wird, und für ein einwandfreies Fließen der oberen Hartmetallschmelze sorgt.

Die vorstehend geschilderte Arbeitsweise eignet sich auch für die Panzerung dickerer Bleche, die jedoch auch grundsätzlich stehend bearbeitet werden können. Durch den "schwimmenden" Guß können jedoch auch sehr dünnwandige Bleche grundsätzlich auch mit dünnen Panzerungsbeschichtungen in besonders einfacher und zuverlässiger Weise in rissefreier, unverformter Qualität hergestellt werden, was z.B. wegen der dabei auftretenden Wärmespannungen im Auftragsschweißverfahren nicht möglich ist.

Es hat sich erwiesen, daß die Qualität der Ankopplung noch gesteigert werden kann, wenn die die Koppelschicht aufnehmende Seite des zu beschichtenden Werkstücks tief aufgerauht wird, wozu erfindungsgemäß scharfkantiger Korund eingesetzt wird, durch sogenanntes Sandstrahlen.

Als Trennmittel können grundsätzlich alle infrage kommenden Mittel eingesetzt werden. Da diese jedoch mit wiederzuverwenden­ der Hartmetallschmelze in Berührung kommen kann, die vorteilhaf­ terweise auch gleichzeitig zur Panzerung dient, wird weiterhin erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Trennmittel Graphit oder Schlichte oder alkoholische Lösungen von Zirkon gegebenenfalls unter Zusatz von Aluminium, Magnesium und/oder Silizium einzusetzen.

Die Koppelschicht besteht besonders bevorzugt aus einer Nickellegierung, die mindestens die weiteren Bestandteile Chrom, Bor und Silizium enthält.

Die Schichtdicke der Koppelschicht beträgt bevorzugt etwa 1-2 zehntel Millimeter.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich natürlich auch profilierte Oberflächen gießen, wobei die Sandform das entspre­ chende Negativ dazu aufweist. Damit ist es möglich, auf die Panzerschicht erstmals Noppen oder Raupen oder dergl. homogen als Verschleißteile aufzubringen, wobei die tragende Fläche entsprechend gegen Auswaschungen durch kleinteiliges Material geschützt ist. In gleicher Weise ist es auch möglich z.B. Siebe herzustellen, wobei die Form dazu entsprechende Sandstempel aufweist, die dann umgegossen werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Eine Blechplatte 300×300 mm der Stärke 6 mm aus ST 37 wurde einseitig mit Korund sandgestrahlt, auf 140°C erwärmt und aus einer Flamme mit 5 g der folgenden Nickelbasislegierung aus einer Plasmaflamme angespritzt.

CO,75%, B 3,1%, Si 4,3%, Cr 15%, Fe 3,5% Rest Ni

Danach wurde die andere Seite mit einer alkoholischen handels­ üblichen Schlichte, enthaltend Zirkon Aluminium sowie Magnesium und Silicium als Trennmittel beschichtet.

Diese Platte wurde allseitig mit einem Rand von 25 mm in eine Sandform gebettet, wobei unter dem nicht eingebetteten Teil ein rechteckiger Freiraum einer Stärke von 24 mm verblieb. Oberhalb der Platte wurde nacheinander in mehreren Versuchen ein Freiraum einer Stärke von Schritten von je 6 mm bis zu 30 mm belassen. Zunächst wurde in den unter der Platte befindlichen Freiraum eine Hartmetallegierung folgender Zusammensetzung eingebracht, bis diese die mit Trennmittel versehene Blechunterseite berührte:

4,5% C, 28% Cr, 1% Mo, 2% Mo+Si, +Mn, Rest Fe, eine sogenannte ledeburitische "Kohlenstoff-Legierung".

Nach einer Wartezeit von 4 Minuten war das Blech rotglühend.

Nach Erreichen dieser Temperatur wurde die gleiche Schmelze auf das Blech gegossen und erstarren gelassen.

Nach dem Entformen konnte die untere, der Erwärmung und der mechanischen Unterstützung dienende Schicht leicht abgetrennt werden, die Hartmetall-Oberfläche war rißfrei, Kontrollschnitte mit einem Plasmabrenner und Ausschleifen ergaben eine einwand­ freie, rißfreie Verbindung zwischen Hartmetall- und St-37-Schicht. Insbesondere war ein Herauslösen von Legierungs­ anteilen in die Stahlschicht nur in einer feinen Randzone zu beobachten.

Bei größeren Werkstücken kann es zu unerwünschten Abkühlungen der Randzonen der zur Erwärmung eingebrachten Schmelze kommen, so daß in Einzelfällen Koppelfehler hier entstehen können. Dem kann jedoch leicht durch die Verwendung von Speisern abgeholfen werden.

Die beiliegenden Figuren zeigen einige Verfahrensvarianten.

Fig. 1 zeigt die Herstellung eines Panzerbleches mit der Hartmetallpanzerschicht 1, dem Baustahlblech 2 und der die Wärme einbringenden Unterschicht 3.

Punktiert dargestellt ist die Koppelschicht 4 und strichliert die Trennschicht 5 angedeutet. Man erkennt, daß das Blech, das im übrigen aus jedem leicht bearbeitbaren oder nach Verwendungszweck auch Hartmetall bestehen kann, seitlich mit einem Rand in die Form eingebettet ist.

Grundsätzlich können die Schichten auch umgekehrt liegend gewählt werden, wobei dann z.B. die Baustahlschicht auf ein Hartmetall­ blech aufgegossen wird.

Fig. 2 zeigt in stehendem Guß hergestellt ein Rohr 2 mit der innen liegenden Panzerschicht 1 und der Erwärmungsschmelze 3 sowie der Koppelschicht 4 und der Trennschicht 5. Auch hier kann grundsätzlich umgekehrt angeordnet und verfahren werden.

Fig. 3 zeigt die Beschichtung eines Stahles 2 mit der Panzer­ schicht 1, wobei die Erwärmungsschmelze 3 den Stab 2 u-förmig umgibt. Durch die beim Abkühlen bewirkte Schrumpfung lassen sich die Teile über die Trennschicht 5 leicht voneinander lösen, wohingegen über die Koppelschicht eine homogene Verbindung erhalten wird.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von Metall-Verbundgußwerkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst die zu beschichten­ de Seite eines Metallkörpers aufrauht, diesen auf der aufgerauhten Seite mit einer Koppelschicht, bestehend z.B. aus einer dünnen Auflage aus Hartlot oder einer niedrig­ schmelzenden Metallegierung versieht, das Werkstück auf Fließtemperatur der Auflage erwärmt und das zweite Metall des Verbundes in flüssiger Form mit dem Werkstück zusammen­ bringt und koppelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als selbstfließende niedrig schmelzende Legierung eine Nickelbasislegierung oder eine Cobaltbasislegierung einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Koppelschicht im Flammspritz- oder Plasmaspritz­ verfahren aufträgt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Werkstück aus einem Stahl einseitig mit einer Trennschicht beschichtet und mit Hilfe einer Metallschmelze das Werkstück auf Koppeltemperatur erwärmt, anschließend die zweite Metallschicht aufbringt, entformt und die zum Erwärmen verwendete Metallschicht abtrennt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung von gepanzerten Stahlblechen dieses nach Beschichtung mit Trenn- und Koppelschicht liegend in eine Gießform bringt, vorzugsweise flüssige Hartmetallegierung unter das Blech schichtet, bis dieses auf der Hartmetallschmelze schwimmt, dadurch das Blech zur Rotglut erwärmt, die Koppelschicht zum Fließen bringt und danach weitere Hartmetallschmelze in gewünschter Schichtdicke auf das Blech stehend oder liegend aufbringt und koppeln läßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die zum Erwärmen benötigte erstarrte Hartmetallschmelze nach dem Abtrennen bricht, einschmilzt und erneut verwendet.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß man die die Koppelschicht aufnehmende Seite des Werkstückes zum Aufrauhen mit scharfkantigem Korund strahlt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Trennmittel Graphit oder Schlichte wie alkoholische Lösungen von Zirkon gegebenen­ falls unter Zusatz von Aluminium, Magnesium und/oder Silizium verwendet.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Koppelschicht eine Legierung enthaltend Nickel, Chrom, Bor und Silizium verwendet.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Koppelschicht in einer Stärke von etwa 0,1-0,2 Millimetern aufbringt.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansürüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Werkstück vor dem Aufbringen der Koppelschicht auf Temperaturen von 100- 150°C erwärmt.

12. Verbundgußwerkstücke gekennzeichnet durch eine zwischen den unterschiedlichen Legierungen vor dem Guß aufgebrachte Koppel-Schicht aus Hartlot oder einer selbstfließenden niedrig schmelzenden Legierung.

13. Verbundgußwerkstücke nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Koppelschicht eine Nickel- oder Cobaltbasis­ legierung ist.

14. Verbundgußwerkstücke nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschicht eine Schichtdicke von etwa 0,1-0,2 mm aufweist.