DE3910603A1

DE3910603A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundkoerpers

Info

Publication number: DE3910603A1
Application number: DE19893910603
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Wahl
Original assignee: Wahl Verschleiss Tech
Current assignee: Wahl Verschleiss Tech
Priority date: 1989-04-01
Filing date: 1989-04-01
Publication date: 1990-10-04
Also published as: DE3910603C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, bei dem ein Grundkörper aus niedrig legiertem Stahl mit einem verschleißfesten Mantel aus hochlegiertem Stahl bei hohen Temperaturen unter hohem isostatischem Druck ("HIP"-Prozeß) verbunden wird.

Ein derartiges Verfahren ist in der DE-OS 36 33 614 beschrieben. Hier wird der verschleißfeste Mantel aus einem Pulveransatz, einer Mischung aus Hartstoffen und einer Metallmatrix, hergestellt. Dieser Pulveransatz wird in einem heißisostatischen Prozeß auf den Kern aufgepreßt. Das Verfahren ist wegen des Umweges über die Pulvermetallurgie energetisch ungünstig, da zunächst flüssige Metallschmelzen verdüst und dann die entstehenden Pulverteilchen im "HIP"- Prozeß wieder miteinander verbunden werden müssen. Gleichzeitig besteht die Gefahr, daß aufgrund der großen Oberflächen der Pulverteilchen Sauerstoff oder Schlacke eingeschlossen wird, was die Qualität der Verbindung zwischen den einzelnen Pulverteilchen beeinträchtigt. Außerdem ist die Herstellung unterschiedlich großer Teile in den Vorrichtungen zur Durchführung des "HIP"-Prozesses schwierig, da diese einerseits aus wirtschaftlichen Gründen eine möglichst gleichmäßige Beladung erfordern, andererseits aber die Prozeßparameter für kleine und große Teile wegen unterschiedlich schneller Aufheizung verschieden sein müssen.

Aus der DE-PS 26 07 684 ist es bekannt, einen Verbundkörper aus einem Kern und einem Mantel unterschiedlicher Legierung dadurch herzustellen, daß der Kern zunächst einen Überzug aus einer Nickel-Chrom-Bor-Silizium-Legierung erhält, der dann mit dem Mantel umgossen wird. Dabei besteht jedoch die Gefahr, daß sich die Zwischenschicht durch das Umgießen mit der flüssigen Schmelze des Mantels in undefinierter Weise, teilweise schlierenförmig, verteilt. An den so freigelegten Stellen kommt es nicht zu einem Verbund. Eventuell gebildete Schlieren sind auch nach einem Weichglühprozeß nicht weich, da die Boride ihre Härte behalten. Deshalb treten beträchtliche Schwierigkeiten bei der mechanischen Bearbeitung auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem in energetisch günstiger Weise ein qualitativ hochwertiger, einen festen Zusammenhalt bietender Verbundkörper entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der verschleißfeste Mantel als rohrförmiges Teil gegossen, zumindest an der inneren Mantelfläche auf Maß gearbeitet und danach durch einen an und für sich bekannten Thermodiffusionsprozeß mit dem niedrig legierten Grundkörper verbunden wird.

Mit der vorliegenden Erfindung wird nicht nur erkannt, daß das Material des Mantels, welches an und für sich als nicht schweißbar gilt, in einem Thermodiffusionsverfahren zuverlässig mit dem niedrig legierten Grundkörper verbunden werden kann. Darüber hinaus benutzt die Erfindung die Erkenntnis, daß der gegossene Mantel, der zunächst als Gußkörper eine Vielzahl von Poren enthält, bei dem Thermodiffusionsprozeß unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen so verdichtet wird, daß Poren kein Problem mehr bilden.

Als niedrig legierter Grundkörper wird bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ein zylindrisches, festes Teil mit einem Außendurchmesser verwendet, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des rohrförmigen Teiles ist und in diesen eingeschoben wird, wobei die Spalte zwischen dem Grundkörper und dem Mantel durch Schweißungen verschlossen werden und sodann der Thermodiffusionsprozeß durchgeführt wird. Durch das Verschließen der Spalte können die hohen Drucke, die beim Thermodiffusionsprozeß eingesetzt werden, das rohrförmige Teil besonders wirksam auf den innenliegenden, zylindrischen Grundkörper zusammenpressen.

Das Aufschmelzen und Gießen des Mantels sollte unter Schutzgas oder im Vakuum erfolgen. Hierdurch wird die Gefahr der Einschlüsse von Schlacken, Sauerstoff oder sonstigen störenden Substanzen kleingehalten.

Der Grundkörper kann sich zumindest an einem Ende axial aus dem Mantel heraus erstrecken.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Mantel in einem Schleudergußverfahren hergestellt wird. Das Gußteil ist dann bereits weitgehend poren- und seigerungsfrei.

Besonders gute Resultate werden erzielt, wenn der Mantel aus einem Stahl mit den folgenden Legierungszusätzen gefertigt wird:

Kohlenstoff
1 bis 6%
Chrom	1 bis 40%
Niob	0 bis 10%
Vanadin	0 bis 15%
Bor	0 bis 4%

Als zusätzliche Legierungsbestandteile können enthalten sein:

Silizium
0,1 bis 2,0%
Mangan	0,1 bis 2,0%
Schwefel	0,01 bis 0,3%
Phosphor	0,01 bis 0,3%

Zusätzlich kann der Mantel zwischen 0,5 und 20% Titan enthalten. Hierdurch können sich Titankarbide bilden.

Zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Mantels können der Schmelze des Mantels zusätzliche Hartstoffe zugegeben werden, deren spezifisches Gewicht mindestens das 0,8fache des spezifischen Gewichtes der Schmelze beträgt.

Der Mantel sollte vor dem Thermodiffusionsprozeß weichgeglüht werden.

Die Härtung des Mantels kann entweder unmittelbar nach dem Thermodiffusionsprozeß durch entsprechend rasches Abkühlen oder in einem unabhängigen, dem Thermodiffusionsprozeß nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; die einzige Figur zeigt schematisch einen Axialschnitt durch einen Verbundkörper.

In der Zeichnung ist der fertige Verbundkörper dargestellt. Er umfaßt einen niedrig legierten Grundkörper 1, auf dem in noch zu beschreibender Weise ein verschleißfester Mantel 2 aus hochlegiertem, verschleißfestem Stahl aufgebracht ist. In den verschleißfesten Mantel 2 sind zudem Hartteilchen 5 eingebettet.

Bei der Herstellung des dargestellten Verbundkörpers wird wie folgt vorgegangen:

Zunächst wird unter Vakuum die Legierung für den verschleißfesten Mantel aufgeschmolzen. Die Stahllegierung enthält zwischen 1 und 6% Kohlenstoff, zwischen 1 und 40% Chrom, bis zu 10% Niob, bis zu 15% Vanadin, und zusätzlich zwischen 0,5 und 20% Titan. Der Schmelze werden die Hartteilchen 5 zugegeben, wobei darauf zu achten ist, daß deren spezifisches Gewicht mindestens das 0,8fache des spezifischen Gewichtes der Schmelze betragen sollte. So läßt sich eine gleichmäßige Verteilung der Hartteilchen 5 innerhalb der Schmelze erzielen.

Sodann wird in einem Schleudergußverfahren aus der Schmelze ein rohrförmiges Teil hergestellt, dessen Maße in etwa den Maßen des Mantels 2 im fertiggestellten Verbundkörper entsprechen. Das rohrförmige Teil wird weichgeglüht und sodann zumindest an der inneren Mantelfläche auf Maß gearbeitet.

Der Grundkörper 1 aus niedrig legiertem Stahl, der an seiner äußeren Mantelfläche auf ein geringes Untermaß bearbeitet wurde, wird sodann in das rohrförmige Teil, welches später den Mantel 2 bilden soll, eingeschoben, wobei an einem Ende ein axialer Überstand des Grundkörpers 1 vorgesehen sein kann. Die Spalte zwischen dem rohrförmigen Teil und dem Grundkörper 1 werden durch Schweißungen 3, 4 verschlossen.

Sodann wird dieses Zwischenprodukt in eine Vorrichtung eingebracht, in welcher ein hoher isostatischer Druck unter hohen Temperaturen ausgeübt werden kann ("HIP"-Presse). Bei der Durchführung dieses "HIP"-Prozesses, die nach an und für sich bekannten Parametern erfolgen kann, ergibt sich nicht nur eine innige Verbindung zwischen dem Grundkörper 1 und dem rohrförmigen Teil, welches den Mantel 2 bildet; darüber hinaus werden evtl. im rohrförmigen Teil noch enthaltene Poren beseitigt. Die Schweißungen 3, 4 zwischen Grundkörper 1 und Mantel 2 verbessern dabei die Einwirkung des Druckes auf die Außenfläche des Mantels 2.

Durch rasches Abkühlen nach Durchführung des Thermodiffusionsprozesses wird das Material des Mantels 2 ausgehärtet, so daß nunmehr der fertige Verbundkörper vorliegt.

Bei einer alternativen Verfahrensweise erfolgt die Härtung des Mantels 2 in einem gesonderten Wärmebehandlungsschritt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, bei dem ein Grundkörper aus niedrig legiertem Stahl mit einem verschleißfesten Mantel aus hochlegiertem Stahl bei hohen Temperaturen unter hohem isostatischem Druck ("HIP"- Prozeß) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißfeste Mantel (2) als rohrförmiges Teil gegossen, zumindest an der inneren Mantelfläche auf Maß gearbeitet und danach durch einen an und für sich bekannten Thermodiffusionsprozeß mit dem niedrig legierten Grundkörper (1) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrig legierte Grundkörper (1) als zylindrisches, festes Teil mit einem Außendurchmesser, der geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des rohrförmigen Teiles (2) ist, in dieses eingeschoben wird, daß danach die Spalte zwischen dem Grundkörper (1) und dem rohrförmigen Teil (2) durch Schweißungen (3, 4) verschlossen werden und sodann der Thermodiffusionsprozeß durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) sich zumindest am einen Ende axial aus dem Mantel (2) heraus erstreckt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) in einem Schleudergußverfahren hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) aus einem Stahl mit den folgenden Legierungszusätzen gefertigt wird: Kohlenstoff 1 bis 6% Chrom 1 bis 40% Niob 0 bis 10% Vanadin 0 bis 15% Bor 0 bis 4%

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) folgende weitere Legierungszusätze enthält: Silizium 0,1 bis 2,0% Mangan 0,1 bis 2,0% Schwefel 0,01 bis 0,3% Phosphor 0,01 bis 0,3%

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen und Gießen des Mantels (2) unter Schutzgas erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen und Gießen des Mantels (2) im Vakuum erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel zusätzlich 0,5 bis 20% Titan enthält.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze des Mantels (2) zusätzliche Hartstoffe (5) zugegeben werden, deren spezifisches Gewicht mindestens das 0,8fache des spezifischen Gewichts der Schmelze beträgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) vor dem Thermodiffusionsprozeß weichgeglüht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) unmittelbar nach dem Thermodiffusionsprozeß durch entsprechend rasches Abkühlen gehärtet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) in einem unabhängigen, dem Thermodiffusionsprozeß nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt gehärtet wird.