DE4116374A1

DE4116374A1 - Verfahren zum herstellen verschleissfester oberflaechen auf druckbeanspruchten maschinenteilen

Info

Publication number: DE4116374A1
Application number: DE19914116374
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Ing Schwechten
Original assignee: Alpine AG
Current assignee: Alpine AG
Priority date: 1991-05-18
Filing date: 1991-05-18
Publication date: 1992-11-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Herstellen verschleißfester Oberflächen auf den Grundkörpern von Maschinenteilen, zwischen denen ein Material zum Zweck der Zerkleinerung, Verdichtung oder Formung durch hohen Druck beansprucht wird.

Als Beispiele für Maschinen, bei welchen solche Maschinenteile zum Einsatz kommen, sind zu nennen

a) für die Zerkleinerung:
- - Walzenmühlen für die Einzelkorn- und Gutbettzerkleinerung,
- - Wälzmühlen, wie Walzenschüsselmühlen oder Kollergänge,
- - Backenbrecher,
- - Prallbrecher;
b) für die Verdichtung:
- - Brikettiermaschinen,
- - Tablettenpressen;
c) für die Formung:
- - Walzwerksmaschinen,
- - Schmiedemaschinen,
- - Tiefziehpressen.

Die Teile dieser Maschinen, die unter hohem Druck in Kontakt mit dem zu behandelnden Material stehen, sind durch Verschleiß stark gefährdet. Dieser ist bekanntlich um so größer, je höher Druckkraft und Relativgeschwindigkeit zwischen dem Material und der Beanspruchungsfläche ist. Mit besonders starkem Verschleiß ist bei der Zerkleinerung zu rechnen, da wegen der Härte der einzelnen Partikel des Materials, deren Wert bis zu 10 nach Mohs betragen kann, sehr hohe Punkt- und Flächenbelastungen an den beanspruchten Maschinenteilen auftreten. Die Höhe dieser Belastungen zeigt z. B. die Zerkleinerung in Gutbett-Walzenmühlen, die mit Druckspannungen im Walzenspalt betrieben werden, die im Mittel bei etwa 500 N/mm² liegen, aber bei Punktbelastung ein Mehrfaches dieses Wertes erreichen, wenn Material mit einer Bruchfestigkeit des Einzelkorns in der Größenordnung von 1000 bis 1200 N/mm², wie beispielsweise bei Quarz, zerkleinert wird. Bei nicht rißfrei ausgebildeten Oberflächen der beanspruchten Maschinenteile führen derartige Belastungen zu kontinuierlicher Rißaufweitung durch Werkstoffabtrag und/oder zum sog. "Peeling", dem Abplatzen und Ausbrechen von ganzen Oberflächenstücken durch Rißfortschritt in Richtung der Oberfläche. Die Wirtschaftlichkeit beim Betrieb der Maschinen wird daher im wesentlichen durch die Haltbarkeit und damit die Lebensdauer der druckbeanspruchten Maschinenteile bestimmt.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die zum Herstellen verschleißfester Oberflächen auf den druckbeanspruchten Maschinenteilen dienen. Zu nennen sind die Härteverfahren, mit denen meist auf dem Wege einer thermischen Behandlung eine Gefügeänderung in der Oberflächenschicht der Maschinenteile erzeugt wird. Des weiteren werden die Maschinenteile mit Verschleißschichten aus den verschiedensten Werkstoffen versehen, die durch geeignete Applikationsverfahren wie Kleben, Löten oder Sintern auf einen Grundkörper aufgebracht werden. Sehr verbreitet ist auch das Aufschweißen von Verschleißschutzschichten, die entweder auf rein metallischer Basis aufgebaut sind, oder aus einem Mischwerkstoff bestehen, dessen metallisches Grundmaterial einen beim Erstarren der Schmelze auskristallisierenden Hartstoff oder aber einen Hartstoff in partikulärer Form, sog. Whisker, enthält.

Das beim Schweißen entstehende Gefüge weist in allen Fällen eine mittlere Härte von meist über 55 HRc auf und ist damit außerordentlich spröde, d. h. es weist einen hohen Elastizitätsmodul, verbunden mit geringer Bruchdehnung auf. Hinzu kommt, daß das Schweißgut nach dem Erstarren im Verlauf der Abkühlung kontraktiert, wobei diesem Schrumpfungsprozeß noch Volumenänderungen durch verschiedenartige Kristallisationsphasen während des Abkühlens überlagert sein können. Die entstehenden Schrumpfspannungen können sich bei dünnwandigen, kleinvolumigen Werkstücken durch Drehungen und Verformungen des Werkstückgrundkörpers abbauen und werden damit unschädlich.

Bei großen, dickwandigen Bauteilen, wie sie bei den eingangs genannten Maschinen in der Regel vorhanden sind, ist der Abbau der Schrumpfspannungen in der beschriebenen Weise nicht gewährleistet, so daß sich örtliche Spannungsspitzen ausbilden können. Überschreiten diese die Bruchspannung des Werkstoffs, entstehen zwangsläufig Risse im Schweißgut, die senkrecht zur Oberfläche und/oder in Richtung der Oberfläche verlaufen können. Kleine, örtlich begrenzte Risse bleiben meist ohne schädliche Auswirkungen und beeinträchtigen Funktion und Lebensdauer des Bauteils nicht. Fortschreitende Rißbildung führt jedoch zu den beschriebenen Schäden und schließlich zur Zerstörung des Bauteils. Solche nachteiligen Auswirkungen können aber auch von örtlichen Schrumpfspannungen ausgehen, die zwar die Bruchspannung nicht erreichen, aber durch elastische Verformungen des Werkstoffs gewissermaßen "eingefroren" sind. Ist das Bauteil dann im nachfolgenden Einsatz hohen Druck-, Schub- oder Schlagbeanspruchungen ausgesetzt, so kann durch Spannungsüberlagerung örtlich die Bruchspannung überschritten werden, so daß weitere Risse entstehen.

Bei großvolumigen Werkstücken stellt das Vorwärmen vor dem Schweißen eine bekannte Maßnahme dar, die Ausbildung von Rissen zu vermeiden bzw. zu minimieren. Wegen der geringeren Temperaturgradienten erreicht man damit eine bessere Steuerung des Kristallisationsablaufs. Diffusionsvorgänge sind intensiver und bringen damit eine bessere Bindung zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff. Die Spannungsabsorption im Grundwerkstoff wird verbessert, da eine plastische Verformung des Werkstücks bei höheren Temperaturen leichter möglich ist, so daß Schrumpfspannungen des Schweißgutes abgebaut werden und die beim Abkühlen "einfrierenden" Spannungen bei unschädlichen Werten bleiben und über einen größeren Bereich der Wärmeeinflußzone verteilt sind.

Eine andere Art, die Rißbildung zu vermeiden bzw. zu minimieren, besteht darin, eine oder mehrere Lagen aus einem Puffermaterial vor dem Aufbringen der eigentlichen Schutzschicht auf dem Grundkörper aufzutragen. Die Zusammensetzung dieses Puffermaterials wird in der Regel so gewählt, daß es möglichst rißfrei schweißbar ist und hinsichtlich Festigkeit und Duktilität zwischen Grundwerkstoff und verschleißschützender Deckschicht liegt. Es entsteht damit eine spannungsausgleichende Zwischenschicht, in der sich Spannungsspitzen abbauen können. Für die Pufferlagen wird meist ein Schweißgut mit ferritisch-martensitischem Gefüge und einer Härte von 55 bis 57 HRc verwendet, für die Deckschicht ein eine karbidische Hartschicht bildendes Material mit 60 bis 63 HRc.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß trotz Anwendung der beschriebenen Maßnahmen die Hartstoffschichten nicht rißfrei geschweißt werden können, teils weil das Vorwärmen des Werkstücks nicht in dem erforderlichen Maße durchgeführt werden kann, teils weil durch das Vorwärmen eine unerwünschte Verminderung der Festigkeit des (evtl. vergüteten) Grundwerkstoffs bewirkt wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Herstellen verschleißfester Oberflächen auf den Grundkörpern von Maschinenteilen, zwischen denen ein Material zum Zweck der Zerkleinerung, Verdichtung oder Formung durch hohen Druck beansprucht wird, durch Auftragen eines Hartstoffmaterials auf den vor Verschleiß zu schützenden Grundkörper so zu gestalten, daß die Ausbildung von Rissen verhindert wird. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Hartstoffmaterial nicht als durchgehende Schicht, sondern in einzelnen Teilstücken aufgetragen wird, derart, daß durch Stege aus einem Puffermaterial, die mit dem Grundkörper verbunden sind, abgegrenzte muldenförmige Felder gebildet und diese Felder mit dem Hartstoffmaterial ausgefüllt werden. Dadurch erhält die Werkstückoberfläche eine wabenartige Struktur, bei der die auf diese Weise rißfrei herstellbaren Felder aus Hartstoffmaterial in ein weniger hartes, aber duktiles Material eingebettet sind. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich das Hartstoffmaterial ohne Schwierigkeiten nur bis zu einer bestimmten Feldgröße wirklich rißfrei mit einem angrenzenden Puffermaterial durch Schweißen oder Gießen verbinden läßt.

Die weitere Ausbildung der Erfindung ist in den Unteransprüchen beschrieben. Die Form der Felder aus Hartstoffmaterial ist an sich beliebig, sie kann z. B. rund oder polygonal sein. Für die Fertigung besonders vorteilhaft ist eine rechteckige bis quadratische Form. Feldgröße und -tiefe sind im Einzelfall auf die verwendete Kombination aus Puffer- und Hartstoffmaterial abzustimmen, wobei bei der Wahl der Stegbreite zu berücksichtigen ist, daß beim Füllen der Felder durch Schweißen oder Gießen die Seitenbereiche der Stege teilweise aufgeschmolzen werden, was wünschenswert ist, da die dabei auftretenden Vermischungs- und Diffusionsvorgänge die periphere Bindung zur Aufnahme von Zugspannungen verbessern.

Die besonderen Vorteile des Verfahrens beruhen darauf, daß beim Auffüllen der Felder in jedem Feld ein geschlossenes Bad aus flüssigem Material erzeugt werden kann, wodurch eine optimale Bindung zu den Stegen und dem Grundkörper erreicht wird und Bindungsfehler durch Schlackeneinschlüsse und ungenügendes Aufschmelzen vermieden werden. Dabei lassen sich homogene Schichten aus dem Hartstoffmaterial erzeugen, deren Dicke ein Mehrfaches einer Einzellage ausmacht, wie sie durch die bekannten Verfahren erreicht werden kann. Die Reparaturanfälligkeit wird somit verringert und die Lebensdauer des Maschinenteils verlängert. In den Zeichnungen sind einige Beispiele für die Ausbildung der muldenförmigen Felder auf der Oberfläche eines vor Verschleiß zu schützenden Maschinenteils dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein durch Formguß hergestelltes Teil, bei dem das Material des Grundkörpers gleichzeitig das Puffermaterial der Stege zwischen den muldenförmigen Feldern bildet. Das gleiche ist in Fig. 2 der Fall, wo die muldenförmigen Felder durch spanabhebende Bearbeitung, z. B. durch Fräsen hergestellt wurden.

Fig. 3 zeigt die Herstellung der muldenförmigen Felder durch Auftragsschweißung in drei Schritten. Im ersten Schritt (Fig. 3a) wird auf der Oberfläche des Grundkörpers 1 eine gleichmäßige Schicht aus Puffermaterial in dicht aneinander gelegten Schweißraupen 2 aufgetragen. In Querrichtung dazu werden im zweiten Schritt (Fig. 3b) in gleichmäßigem Abstand Stege 3 aus dem Puffermaterial gelegt, die schließlich mit den im dritten Schritt (Fig. 3c) gelegten Querstegen 4 die dann mit Hartstoffmaterial zu füllenden, muldenförmigen Felder bilden.

Fig. 4 zeigt eine wirtschaftliche Art der Ausbildung der muldenförmigen Felder auf den Oberflächen von Walzenkörpern. Hierbei werden zunächst Ringnuten 6 in gleichmäßigem Abstand in die Oberfläche des Grundkörpers 5 eingedreht. In diese Ringnuten werden dann Querstege 7 aus einem dem Grundkörper entsprechenden Material in gleichmäßigem Abstand eingeschweißt, wobei diese Querstege in benachbarten Ringnuten wie dargestellt gegeneinander versetzt sein können.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen verschleißfester Oberflächen auf den Grundkörpern von Maschinenteilen, zwischen denen ein Material zum Zweck der Zerkleinerung, Verdichtung oder Formung durch hohen Druck beansprucht wird, durch Auftragen eines Hartstoffmaterials auf den vor Verschleiß zu schützenden Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß durch mit dem Grundkörper verbundene Stege aus einem Puffermaterial abgegrenzte, muldenförmige Felder gebildet und diese Felder mit dem Hartstoffmaterial ausgefüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder aus Hartstoffmaterial gleiche Form und Größe erhalten und in parallel verlaufenden Reihen angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder aus Hartstoffmaterial eine rechteckige Form erhalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die größte lineare Ausdehnung eines Feldes aus Hartstoffmaterial das Maß von 100 mm nicht überschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die größte lineare Ausdehnung eines Feldes aus Hartstoffmaterial ein Maß von 20 bis 50 mm gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Breite der Stege zwischen den Feldern aus Hartstoffmaterial ein Maß von maximal 20 mm gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege zwischen den Feldern aus Hartstoffmaterial zusammen mit dem Grundkörper durch ein Gießverfahren hergestellt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege zwischen den Feldern aus Hartstoffmaterial durch spanlose Verformung der Oberfläche des Grundkörpers hergestellt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege zwischen den Feldern aus Hartstoffmaterial durch spanabhebende Bearbeitung der Oberfläche des Grundkörpers hergestellt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege zwischen den Feldern aus Hartstoffmaterial durch eine Auftragsschweißung auf der Oberfläche des Grundkörpers hergestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auftragsschweißung ein Werkstoff mit ferritisch-martensitischem Gefüge verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Grundkörpers vor dem Aufbringen der Stege eine gleichmäßige Lage aus dem für die Herstellung der Stege verwendeten Werkstoff aufgetragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartstoffmaterial durch ein Gießverfahren in die zwischen den Stegen gebildeten Vertiefungen eingebracht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartstoffmaterial durch ein Schweißverfahren in die zwischen den Stegen gebildeten Vertiefungen eingebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Hartstoffmaterials in mehreren Lagen erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Stegen versehene Grundkörper vor dem Einbringen des Hartstoffmaterials vorgewärmt wird.

17. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Herstellen verschleißgeschützter Oberflächen an den mit Mahlgut beaufschlagten Teilen von Zerkleinerungsmaschinen.

18. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Herstellen verschleißgeschützter Oberflächen an den formgebenden Teilen von Formmaschinen für die Kalt- oder Warmverformung von metallischen Werkstoffen.

19. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Herstellen verschleißgeschützter Oberflächen an den mit dem zu verdichtenden Preßgut beaufschlagten Teilen von Formpressen.