DE4408717A1 - Schichtverbundelemente für den Verschleißschutz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Schichtverbundelemente für den Verschleißschutz der Transportfläche des Gangs der Förderschnecke von Industriezentrifugen, die aus einer mit dem Werkstoff des Gangs der Förderschnecke durch Schweißen, Löten oder Kleben verbindbaren Trägerschicht aus Eisenwerkstoff und einer mit der Trägerschicht metallurgisch verbundenen, verschleißhemmenden Schicht aus eingeschmolzener, selbstfließender Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung bestehen und die Form eines Ringstücks aufweisen, dessen Kanten der Seitenflächen radial und vertikal zur Drehachse der Förderschnecke verlaufen, wobei der von den angeschweißten Schichtverbundelementen gebildete Außenkreis größer als der Außenkreis des Gangs der Förderschnecke ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Schichtverbundelemente.

In der Praxis ist es nach wie vor üblich, die Transportflächen der Gänge der mit Förderschnecken für Feststoffe ausgestatteten Industriezentrifugen, wie Siebzentrifugen, Vollmantelzentrifugen und Tellerzentrifugen, durch mehrlagiges Auftragsschweißen und -spritzen von Hartlegierungen vor Verschleiß durch abrasiven Abtrag zu schützen. Dabei werden vorzugsweise die Transportflächen mit einer Cr-Ni-B- oder Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung, fallweise mit Hartstoff, z. B. Wolframcarbid, versetzt, aufgebracht. Da die durch Auftragsschweißen bzw. -spritzen erzeugten Verschleißschutz schichten relativ unregelmäßig ausgebildet sind, sind aufwendige Schleifarbeiten erforderlich. Hinzu kommt, daß durch die Schleifarbeiten gerade die Schicht der Verschleißschutz schichten abgetragen wird, die sich durch eine hohe Härte auszeichnet. Das mehrlagige Auftragsschweißen bzw. -spritzen benötigt einen erheblichen Aufwand an Zeit, zumal die beispielsweise mit dem als Hartstoff dienenden Wolframcarbid gefüllten rohrförmigen Schweißstäbe recht schwierig und nur mit kleiner Schweißgeschwindigkeit bearbeitbar sind. Beim Pulverauftragsschweißen bzw. -spritzen entstehen relativ große Abbrandverluste bzw. Spritzverluste. Außerdem garantiert das übliche Auftragsschweißen bzw. -spritzen keine gleichmäßige Verteilung des Hartstoffs in der Verschleißschutzschicht. Das führt dazu, daß stellenweise bei hoher Konzentration von Hartstoff zu wenig Einbettmasse vorliegt, während die an Hartstoff verarmten Stellen vorzeitigem betrieblichen Verschleiß ausgesetzt sind. Im übrigen entstehen beim Auftragsschweißen bzw. -spritzen unvermeidbare Spannungen.

Bei dem in der DE-C-19 21 568 beschriebenen Verfahren ist vorgesehen, das mit einer Verschleißschutzschicht zu versehende Werkstück in einem der jeweils gewünschten Dicke der Verschleißschutzschicht entsprechenden Abstand mit einer Außenform aus Stahlblech zu umgeben und in den zwischen dem Werkstück und der Außenform gebildeten Hohlraum eine zur Erzeugung der Verschleißschutzschicht dienende Pulvermischung aus Hartmetall und Hartstoff einzubringen, die Pulvermischung zu sintern und dabei mit dem Werkstoff metallurgisch zu verbinden; anschließend wird die Außenform durch spanende Bearbeitung entfernt. Die Anwendung dieses Verfahrens führt zu einem brauchbaren Verschleißschutz, ist jedoch mit einem relativ großen Zeitaufwand verbunden, weil das Anbringen der Außenform, das Füllen des zwischen Außenform und Werkstück bestehenden Hohlraums mit der Pulvermischung und das anschließende Entfernen der Außenform relativ arbeitsintensiv sind.

In der DE-C-23 03 994 sind für den Verschleißschutz der Förderfläche des Gangs einer Zentrifuge schraubenflächenförmig geformte Verschleißschutzelemente vorgesehen, die aus einer mit dem Werkstoff der Förderschnecke gleichartigen, durch Schweißen oder Löten mit der Förderschnecke fest verbindbaren Trägerplatte und einer mit dieser fest verbundenen Verschleißschutzschicht bestehen. Die Verschleißschutzschicht besteht aus gesintertem Wolframcarbid und ist an die Trägerplatte angeschweißt. Die Herstellung der Verschleißschutzelemente ist mit einem nicht unbeachtlichen Aufwand verbunden, da jedes Verschleißschutzelement einzeln gefertigt und auf Maß bearbeitet werden muß.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs beschriebenen Schichtverbundelemente so auszubilden, daß der Abtrag der verschleißhemmenden Schicht und der Fertigungsaufwand für die Schichtverbundelemente möglichst gering sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß in der verschleißhemmenden, ein feinkörniges, homogenes Gefüge mit feinverteilter arteigener boridischer und/oder carbidischer Hartphase aufweisenden Schicht artfremde metallische Hartstoffkörner eingelagert sind. Das Matrixmetall Nickel bildet mit den anderen Komponenten Hartphasen, die als primär oder sekundär erstarrte Verbindungen oder als binäre oder ternäre Eutektika ausgeschieden sind und die ein Volumen von 35 bis 65% besitzen. Die Hartphasen sind sehr spröde, besitzen eine hohe Härte und bestimmen im Verbund mit der zähen Nickelmatrix die Eigenschaften der Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung hinsichtlich Verschleißfestigkeit bei abrasiver Beanspruchung.

Eine zusätzliche Steigerung der Verschleißfestigkeit wird erreicht durch einen oder mehrere in der verschleißhemmenden Schicht eingelagerte artfremde metallische Hartstoffe, wie Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadium-Carbide, -Boride und -Silizide, deren Anteil 35 bis 80 Gew.-% beträgt.

In der verschleißhemmenden Schicht können noch 5 bis 40 Gew.-% Molybdän und 3 bis 25 Gew.-% Kupfer einzeln oder zu mehreren eingelagert sein. Durch den Zusatz von Molybdän werden Festigkeit und Härte sowie Korrosionsbeständigkeit der Matrix verbessert. Molybdän wirkt als Carbid- und Silizidbildner. Kupfer erhöht die Korrosionsbeständigkeit und verbessert die Fließeigenschaften der Hartlegierung.

Darüber hinaus kann die verschleißhemmende Schicht noch 3 bis 20 Gew.-% Eisen und/oder 2 bis 10 Gew.-% Phosphor enthalten. Phosphor senkt den Schmelzpunkt der Schmelze um ca. 100°C und verbessert die Benetzbarkeit des Matrixmetalls.

Die vorzugsweise eingesetzte Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung setzt sich zusammen aus:

6,0 bis 28,0 Gew.-% Chrom
1,0 bis 4,0 Gew.-% Eisen
1,5 bis 4,5 Gew.-% Bor
1,0 bis 6,0 Gew.-% Silizium
0,15 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff
Rest Nickel.

Mit steigenden Metalloidgehalten steigt die Härte durch Bildung vermehrter Hartphasenanteile im Gefüge, während die Breite des Schmelzbereichs abnimmt und die Liquidustemperatur sinkt. Wenn man die Härte als einen maßgeblichen Faktor für die Verschleißfestigkeit betrachtet, nimmt demnach mit steigenden Metalloidgehalten der Widerstand gegen abrasive Beanspruchung zu, womit allerdings durch Abnahme der zähen Matrixbestandteile im Gefüge auch die Sprödigkeit wächst. Die Senkung des Schmelzpunktes macht darüber hinaus die Verarbeitung der verschleißfesteren Legierungstypen wirtschaftlicher.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal ist auf der Rückfläche der Trägerschicht des Schichtverbundelements von der radialen Innenkante her ein ringstückförmiger Ausschnitt angebracht, dessen Krümmungsradius der radialen äußeren Begrenzungsfläche kleiner als der Krümmungsradius des Außenkreises des Gangs der Förderschnecke ist. Dadurch läßt sich eine Zweipunktanlage des Schichtverbundelements am Außenkreis des Gangs der Förderschnecke erreichen.

Die Herstellung der Schichtverbundelemente erfolgt in der Weise, daß in eine auf der Vorderfläche eines flachen, vorzugsweise durch Gießen, Tiefziehen oder Gesenkschmieden hergestellten Ringzylinders aus Eisenwerkstoff angebrachte ringförmige Ausnehmung eine pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern gefüllt, das Ganze bei einer Temperatur von 870 bis 1200°C unter Vakuum oder inerter Atmosphäre eingeschmolzen und anschließend der Ringzylinder in Ringstücke zerteilt wird und die Ringstücke spanend auf Maß bearbeitet werden.

Die Schichtverbundelemente können auch dadurch hergestellt werden, daß die pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern mit gleichmäßiger Schichtdicke auf eine Platte aus Eisenwerkstoff aufgebracht und unter Vakuum oder inerter Atmosphäre bei einer Temperatur von 870 bis 1200°C eingeschmolzen wird. Aus diesem Schichtverbund werden ringstückförmige Schichtverbundelemente ausgeschnitten und auf Maß bearbeitet. Der Vorteil der auf diese Weise hergestellten Schichtverbundelemente besteht darin, daß ihre ganze Vorderfläche durch die verschleißhemmende Schicht gebildet ist.

Es ist auch möglich, die Schichtverbundelemente dadurch herzustellen, daß die pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern auf eine Platte aus Eisenwerkstoff durch thermisches Spritzen aufgetragen und gleichzeitig eingeschmolzen oder durch thermisches Spritzen aufgetragen und nachfolgend unter Vakuum oder inerter Atmosphäre bei Temperaturen von 870 bis 1200°C eingeschmolzen wird.

Das Zerteilen des Ringzylinders bzw. das Zuschneiden der Ringstücke erfolgt zweckmäßigerweise mittels Plasmastrahl, Hochdruck-Wasserstrahl oder Laserstrahl. Auf diese Weise lassen sich die Ringstücke jeweils individuell gestalten, so daß sie auch an variable Durchmesser der Gänge von Förderschnecken ohne wesentliche Spaltbildung zwischen benachbarten Schichtverbundelementen anpaßbar und Ringstücke mit relativ großen Bogenlängen herstellbar sind.

Gegebenenfalls lassen sich die Schichtverbundelemente durch Verwendung einer einteiligen metallischen verlorenen Form herstellen, in die eine pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern gefüllt, bei einer Temperatur von 870 bis 1200°C unter Vakuum oder inerter Atmosphäre eingeschmolzen, die Form im Bereich der Seitenflächen und der Stirnfläche spanend entfernt und das Schichtverbundelement spanend auf Maß bearbeitet wird.

Die Formen lassen sich durch Gießen, Tiefziehen oder Schmieden erzeugen, wobei die Möglichkeit besteht, den auf der Rückfläche der Trägerschicht befindlichen Ausschnitt mit anzuformen.

Zweckmäßigerweise bildet die Vorderfläche der verschleißhemmenden Schicht einen Winkel von < 90 bis 120° und die Trägerschicht des Schichtverbundelements einen Winkel von < 0 bis 10° mit der Innenmantelfläche der die Förderschnecke umgebenden Trommel. Durch die erste Maßnahme wird der Reibungswiderstand gegenüber dem zu fördernden Feststoff erniedrigt und im zweiten Fall das Pressen des Feststoffs zwischen der Innenmantelfläche der Trommel und der Förderschnecke vermieden.

Die Erfindung ist nachfolgend näher und beispielhaft beschrieben und durch Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Transportfläche der Förderschnecke mit daran befestigten Schichtverbundelementen,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details "X" der Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen flachen Ringzylinder aus Stahl zur Herstellung von Schichtverbundelementen,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie I-I der Fig. 4.

Die aus Feststoff und Flüssigkeit bestehende Suspension (1) fließt kontinuierlich durch das Einlaufrohr (2) in den Verteilerkopf (3) und wird durch die Feststoff-Förderschnecke (4) hindurch an das Ende (5) des konischen Teils der Vollmantel-Trommel (6) aufgegeben. Dort verteilt sich die Suspension auf die Innenmantelfläche der Vollmantel-Trommel (6). Die Füllhöhe wird durch ein einstellbares Überlaufwehr (7) geregelt. Unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft lagert sich der Feststoff (8) auf der Innenmantelfläche der Vollmantel-Trommel (6) ab. Die schneller als die Vollmantel-Trommel (6) drehende Förderschnecke (4) fördert den Feststoff (8) aus der Klärzone (9) heraus in die Trockenzone (10); von dort aus gelangt der Feststoff (8) zum verjüngten Ende (11) des konischen Teils der Vollmantel-Trommel (6) und durch deren Austragsöffnung (12) in einen nicht dargestellten Feststoffbehälter. Die Flüssigkeit strömt zwischen den Gängen (13) der Förderschnecke (4) zum Ende der Klärzone (9), in der sich die feinsten Partikel absetzen. Die geklärte Flüssigkeit verläßt die Vollmantel-Trommel (6) über das Überlaufwehr (7). Die Vollmantel-Schneckenzentrifuge ist in dem Gehäuse (14) angeordnet. An der Transportfläche (15) des Gangs (13) der Förderschnecke (4) sind die ringstückförmigen Schichtverbundelemente (16), bestehend aus der Stahlträgerschicht (17) und der verschleißhemmenden Schicht (18), durch Schweißen befestigt. Die Rückseite der Stahlträgerschicht (17) ist mit einem spanend angebrachten Ausschnitt (19), in den der Gang (13) der Förderschnecke (4) eingepaßt ist, versehen. Die Vorderfläche der verschleißhemmenden Schicht (18) bildet mit der Innenmantelfläche der Vollmantel-Trommel (6) einen Winkel von 100°. Die Stirnfläche (20) des Schichtverbundelements (16) schließt einen Freiwinkel von 5° mit der Innenmantelfläche der Vollmantel-Trommel (6) ein.

Die Schichtverbundelemente (16) werden in der Weise hergestellt, daß in eine auf der Vorderfläche eines flachen, die Trägerschicht (17) bildenden Ringzylinders aus Stahl angebrachte, im Querschnitt trapezförmige umlaufende Nute (19) eine pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern eingefüllt und anschließend unter Vakuum eingeschmolzen wird. Der Ringzylinder wird anschließend in ringstückförmige Schichtverbundelemente (16) zerteilt, die spanend auf Maß bearbeitet werden.

Claims (12)

1. Schichtverbundelemente (16) für den Verschleißschutz der Transportfläche (15) des Gangs (13) der Förderschnecke (4) von Industriezentrifugen, die aus einer mit dem Werkstoff des Gangs der Förderschnecke durch Schweißen, Löten oder Kleben verbindbaren Trägerschicht (17) aus Eisenwerkstoff und einer mit der Trägerschicht metallurgisch verbundenen, verschleißhemmenden Schicht (18) aus eingeschmolzener, selbstfließender Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung bestehen und die Form eines Ringstücks aufweisen, dessen Kanten der Seitenflächen radial und vertikal zur Drehachse der Förderschnecke verlaufen, wobei der von den angeschweißten Schichtverbundelementen gebildete Außenkreis größer als der Außenkreis des Gangs der Förderschnecke ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die ein feinkörniges, homogenes Gefüge mit feinverteilter arteigener boridischer und/oder carbidischer Hartphase besitzende, verschleißhemmende Schicht (18) artfremde metallische Hartstoffkörner eingelagert sind.

2. Schichtverbundelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißhemmende Schicht (18) 35 bis 65 Vol.-% boridischer und/oder carbidischer Hartphasen enthält.

3. Schichtverbundelemente nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die verschleißhemmende Schicht (18) 35 bis 80 Gew.-% mindestens einer der artfremden metallischen Hartstoffe, wie Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadium-Carbide, -Boride und -Silizide, eingelagert ist.

4. Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißhemmende Schicht (18) noch 5 bis 40 Gew.-% Molybdän und 3 bis 25 Gew.-% Kupfer einzeln oder zu mehreren enthält.

5. Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der verschleißhemmenden Schicht (18) noch 3 bis 20 Gew.-% Eisen und/oder 2 bis 10 Gew.-% Phosphor enthalten sind.

6. Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung zusammengesetzt ist aus 6,0 bis 28,0 Gew.-% Chrom
1,0 bis 4,0 Gew.-% Eisen
1,5 bis 4,5 Gew.-% Bor
1,0 bis 6,0 Gew.-% Silizium
0,15 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff
Rest Nickel.

7. Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückfläche der Trägerschicht (17) von der radialen Innenkante des Ringstücks her ein ringstückförmiger Ausschnitt (19) angebracht ist.

8. Schichtverbundelemente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der radialen äußeren Begrenzungsfläche des Ausschnitts (19) kleiner als der Krümmungsradius des Außenkreises des Gangs (13) der Förderschnecke (4) ist.

9. Verfahren zur Herstellung der Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf der Vorderfläche eines flachen Ringzylinders aus Eisenwerkstoff angebrachte ringförmige Ausnehmung mit einer pulverförmigen Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern aufgefüllt, bei einer Temperatur von 870 bis 1200°C unter Vakuum oder inerter Atmosphäre eingeschmolzen und der Ringzylinder in Ringstücke zerteilt wird und die Ringstücke spanend auf Maß bearbeitet werden.

10. Verfahren zur Herstellung der Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine aus Eisenwerkstoff bestehende Platte eine pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern in gleichmäßiger Schichtdicke aufgetragen, bei einer Temperatur von 870 bis 1200°C unter Vakuum oder inerter Atmosphäre eingeschmolzen wird und aus diesem Schichtverbund Ringstücke ausgeschnitten und spanend auf Maß bearbeitet werden.

11. Verfahren zur Herstellung der Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine aus Eisenwerkstoff bestehende Platte eine pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern durch thermisches Spritzen aufgetragen und gleichzeitig eingeschmolzen oder durch thermisches Spritzen aufgetragen und nachfolgend unter Vakuum oder inerter Atmosphäre bei Temperaturen von 870 bis 1200°C eingeschmolzen wird und Ringstücke aus dem Schichtverbund ausgeschnitten und spanend auf Maß bearbeitet werden.

12. Verfahren zur Herstellung der Schichtverbundelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine pulverförmige Mischung aus Ni-Cr-B-Si-Hartlegierung und Hartstoffkörnern in eine einteilige metallische verlorene Form gefüllt, bei einer Temperatur von 870 bis 1200°C unter Vakuum oder inerter Atmosphäre eingeschmolzen, die Form im Bereich der Seitenflächen und der Stirnfläche spanend entfernt und das Schichtverbundelement auf Maß bearbeitet wird.