DE4409619A1 - Maschinenteil mit lokal stark unterschiedlicher, insbesondere linienhafter Verschleißbeanspruchung, sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Maschinenteil mit lokal stark unterschiedlicher, insbesondere linienhafter Verschleiß­ beanspruchung, welches zumindest bereichsweise eine Ober­ fläche aus hartem, verschleißfestem Material aufweist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Eine Vielzahl von Maschinenteilen ist nicht an seiner gesamten Oberfläche in gleicher Weise durch Verschleiß beansprucht. In vielen Fällen sind nur bestimmte Bereiche, z. B. besonders weit überstehende Bereiche, in besonderem Maße dem Verschleiß ausgesetzt und nützen sich daher be­ sonders stark ab. Ein Beispiel für ein derartiges Maschinen­ teil sind die Kerne von Ziegeleipressen, welche der Ausbil­ dung von Hohlräumen in den im Strangpreßverfahren herge­ stellten Ziegeln bzw. Hohlblocksteinen dienen. Diese Kerne sind an denjenigen Bereichen ihrer Außenkontur, welche die Abmessungen der Hohlräume bestimmen, wegen der dort besonders hohen Strömungsgeschwindigkeiten der abrasiven Keramikmasse besonders starkem Verschleiß ausgesetzt. Andererseits ist gerade an diesen Stellen eine hohe Maßhaltigkeit erforderlich, da bereits geringfügige Dimensionsveränderungen zu entsprechenden Abmessungsverän­ derungen an den in den Ziegeln oder Hohlblocksteinen enthaltenen Hohlräumen führen. Derartige Abmessungsverän­ derungen der Hohlräume führen nicht nur zu einem höheren Materialverbrauch sondern auch zu abweichenden mechanischen und thermischen Eigenschaften der erzeugten Steine.

Bekannte Kerne von Ziegeleipressen, wie sie derzeit und schon seit etwa 40 Jahren unverändert im Gebrauch sind, bestehen aus massivem Hartguß. Sie sind einerseits wegen des verwendeten Materials verhältnismäßig teuer, ver­ schleißen aber gleichwohl immer noch zu rasch. Hierdurch werden unnötig häufige Stillstandszeiten und Wartungsar­ beiten an den Ziegeleipressen verursacht, die ihrerseits wieder zu Kosten führen.

Maschinenteile, die in ähnlicher Weise stark lokal oder gar linienhaft verschleißbeansprucht sind, finden sich an den Kanten von Extruderschnecken, Mischerschaufeln, Ventilatorenflügeln sowie in vielen Fällen auch bei Draht­ ziehscheiben, Walzwerkswalzen, Kalibrier-, Umlenk- und Richtrollen sowie Wellenschutzhülsen z. B. für Kreiselpumpen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Maschinen­ teil der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei möglichst niedrigen Herstellungs- und Materialkosten ein besseres Verschleißverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es

• a) im Inneren aus niedrig- oder unlegiertem Stahl besteht;
• b) im Bereich höchster Verschleißbeanspruchung eine aus der Schmelze erstarrte Schicht aus einer verschleiß­ beständigen Metallegierung oder einem Metallkarbid aufweist, die über eine Legierungsschicht, die aus der Vermischung der Schmelzen der verschleißbestän­ digen Metallegierung oder des Metallkarbids und des niedrig- oder unlegierten Stahles im Inneren entstanden ist, mit dem niedrig- oder unlegierten Stahl verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird also an den besonders stark verschleiß­ beanspruchten Bereichen des Maschinenteiles, an welchen auch eine hohe Maßhaltigkeit erforderlich ist, lokal eine Verschleißschutzschicht aufgebracht, dessen Material (auf­ grund der verhältnismäßig geringen Dicke nahezu ohne Rück­ sicht auf die Materialkosten) auf optimale Härte und Verschleißfestigkeit ausgelegt ist. Dadurch, daß dieses Material aus der Schmelze erstarrt ist, ist die innere Gefügefestigkeit maximal. Die Anbindung dieser Verschleiß­ schutzschicht an das Innere des Maschinenteiles erfolgt über eine Legierungsschicht, also eine innige Verbindung, so daß der Übergang zwischen der Verschleißschutzschicht und dem Inneren keine Schwachstelle im Gesamtverbund darstellt.

Vorzugsweise besteht die aus der Schmelze erstarrte Schicht aus Wolframkarbid.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ober­ fläche des Naschinenteiles zumindest teilweise in den Bereichen außerhalb der aus der Schmelze erstarrten Schicht mit einer thermisch aufgespritzten Schicht aus derselben verschleißbeständigen Metallegierung oder demselben Metallkarbid überzogen. Diese Ausgestaltung erklärt sich aus dem weiter unten näher erläuterten Herstellungsverfah­ ren, bei dem eine zunächst durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht durch lokale Energieeinbringung aufgeschmolzen und dann zur Erstarrung gebracht wird. Die thermisch aufgespritzte Schicht braucht nicht unbedingt auf die Stellen höchsten Verschleißes beschränkt zu sein; sie kann durchaus über diese Bereiche hinaus reichen, was den Aufspritzvorgang erleichtert. Gleichzeitig bildet sie außerhalb der Stellen höchsten Verschleißes eine Verschleiß­ schutzschicht von etwas geringerer Verschleißbeständigkeit.

Die Dicke der aus der Schmelze erstarrten Schicht kann zwischen 0,05 und 1 mm liegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteiles der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, daß

• a) ein Grundkörper aus einem niedrig- oder unlegierten Stahl zumindest an den Stellen höchster Verschleißbe­ anspruchung durch thermisches Spritzen mit einer Schicht aus einer verschleißbeständigen Metallegierung oder einem Metallkarbid überzogen wird;
• b) in die durch thermisches Aufspritzen aufgebrachte Schicht im Bereich höchster Verschleißbeanspruchung lokal und kontrolliert derart Energie eingebracht wird, daß
• ba) die durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht vollständig aufgeschmolzen wird;
• bb) das Material des Grundkörpers oberflächlich aufge­ schmolzen wird;
• bc) in der Übergangszone zwischen der geschmolzenen Schicht der verschleißbeständigen Metallegierung oder des Metallkarbides und dem Grundkörper eine schmale Legierungszone entsteht, die jedoch nicht bis zur äußeren Oberfläche reicht;
• c) die aufgeschmolzene Schicht der verschleißbeständigen Metallegierung oder des Metallkarbids und die Legierungs­ zone durch Abkühlen zum Erstarren gebracht werden.

Erfindungsgemäß erfolgt also die Herstellung der Verschleiß­ schutzschicht in zwei Schritten: Das verschleißbeständige Material (Metallegierung oder Metallkarbid) wird zunächst durch thermisches Spritzen aufgebracht, wobei diese Be­ schichtung nicht auf die Bereiche höchsten Verschleißes beschränkt zu sein braucht. In einem zweiten, anschließen­ den Verfahrens schritt wird durch kontrollierte Energieein­ bringung ausschließlich an den Stellen höchsten Verschlei­ ßes die zunächst durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht vollständig und das Material des Grundkörpers oberflächlich aufgeschmolzen, so daß sich an der Grenz­ fläche eine Legierungszone bildet. Diese reicht jedoch nicht bis zur äußeren Oberfläche. Nach dem Abkühlen und Erstarren entsteht so an der äußersten Oberfläche eine aus der Schmelze erstarrte Schicht aus dem Material der reinen Metallegierung bzw. des reinen Metallkarbides, die innig durch eine Legierungsschicht an das Material des Grundkörpers angebunden ist.

Die lokale Energieeinbringung kann durch einen Laser- oder Plasmastrahl, durch einen elektrischen Lichtbogen oder auch durch elektrische Widerstandserwärmung erfolgen. All dies geschieht zweckmäßigerweise zur Vermeidung von Oxidation und Korrosion in einer Schutzgasatmosphäre.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 die Seitenansicht eines Kernes einer Ziegelei­ presse, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 einen stark vergrößerten Teilschnitt durch den Kern von Fig. 1 im Bereich des dort eingekreist dargestellten Gebietes und zwar in einem ersten Schritt der Herstellung;

Fig. 3 einen stark vergrößerten Teilschnitt, ähnlich der Fig. 2, jedoch nach Abschluß des Herstellungs­ vorganges.

In Fig. 1 ist im Teilschnitt ein Kern für eine Ziegelei­ presse dargestellt, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Derartige Kerne 1 werden bei der Herstel­ lung von mit Hohlräumen versehenen Ziegeln bzw. Hohlblock­ steinen eingesetzt. Sie werden hierzu innerhalb der Ziegeleipresse in demjenigen geometrischen Muster und in derjenigen Zahl eingesetzt, wie es Zahl und Geometrie der in den Ziegeln bzw. Hohlblocksteinen zu erzeugenden Hohlräumen entspricht. Die Kerne 1 sind in der Seitenan­ sicht von Fig. 1 im wesentlichen trapezförmig und werden innerhalb der Ziegeleipresse im Sinne der Pfeile 2 von der stark abrasiven Keramikmasse angeströmt. Die Keramik­ masse teilt sich an der Schmalseite der Kerne 1 und strömt dann im Sinne der Pfeile 3 an den konischen Seitenflächen des Kernes 1 vorbei, tritt dann durch die Zwischenräume zwischen dem jeweiligen Kern 1 und den benachbarten Kernen 1′ bzw. 1′′ aus und bildet so einen Massestrang, der in Längsrichtung verlaufende, parallele Hohlräume enthält. Die Dimensionen dieser Hohlräume sind durch die breitesten Abmessungen der Kerne 1 bestimmt. An der entsprechenden Stelle sind jedoch die Durchströmungsquerschnitte für die Keramikmasse am kleinsten, damit die Strömungsgeschwindig­ keit und der erzeugte Verschleiß am größten. Da bereits eine geringfügige Verkleinerung der Abmessungen des Kernes 1 an dieser breitesten Stelle zu einer Verkleinerung der Hohlräume innerhalb der erzeugten Ziegel, damit zu einem Material-Mehrverbrauch und anderen Eigenschaften der Ziegel führt, müssen die Kerne 1 schon nach geringem Ver­ schleiß, beispielsweise nach einem Abtrag von 0,4 mm an der die Größe der Hohlräume bestimmenden Stelle, ausge­ tauscht werden.

Aus diesem Grunde ist der in Fig. 1 dargestellte Kern 1 einer Ziegeleipresse mit einer Verschleißschutzschicht überzogen, die im einzelnen wie folgt aufgebaut und her­ gestellt ist:
Zunächst wird aus einem unlegierten Stahl ein Grundkörper 4 hergestellt, dessen geometrische Form und Abmessungen bereits dem beabsichtigten Kern 1 entsprechen. Auf diesen Grundkörper 4 wird nun in einem ersten Schritt durch ther­ misches Spritzen eine Wolframkarbidschicht 5′ aufgebracht, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Das Mate­ rial der Wolframkarbidschicht 5′ ist zwar außerordentlich hart; gleichwohl ist aber die Verschleißbeständigkeit dieser Schicht 5′ aufgrund der verhältnismäßig lockeren Struktur und der verhältnismäßig schlechten Haftung am Grundkörper 4 nicht ausreichend.

Aus diesem Grunde wird in einem zweiten Verfahrens schritt die durch das thermische Spritzen aufgebrachte Wolfram­ karbidschicht 5′ durch definierte lokale Energieeinbrin­ gung, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers, lokal in dem Gebiet höchster Verschleißbeanspruchung aufgeschmolzen. Die Energieeinbringung wird dabei so gesteuert, daß fol­ gende Bedingungen erfüllt sind:

• - Die thermisch aufgespritzte Wolframkarbidschicht 5′ muß vollständig aufgeschmolzen werden.
• - Der Grundkörper 4 aus unlegiertem Stahl muß oberflächlich aufgeschmolzen sein, wobei aber die Schmelze nur wenig in den Grundkörper 4 einzudringen braucht.
• - Eine Legierung zwischen dem Material der aufgespritzten Wolframkarbidschicht 5′ und dem Material des Grundkörpers 4 bildet sich nur im unmittelbaren Übergangsbereich zwischen den beiden Schichten.

Auf diese Weise ergibt sich die folgende Struktur im Ober­ flächenbereich, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist:

Außerhalb des am stärksten verschleißbeanspruchten Berei­ ches des Kernes 1 findet sich nach wie vor die thermisch aufgespritzte Wolframkarbidschicht 5′, die von der lokalen Wärmebehandlung nicht beeinflußt wurde.

In der Zone der Wärmebehandlung dagegen, die später dem größten Verschleiß ausgesetzt sein wird, findet sich an der äußeren Oberfläche eine aus der Schmelze erstarrte Schicht 5′′ aus Wolframkarbid. Diese erstarrte Wolfram­ karbidschicht 5′′ weist einen optimalen strukturellen inneren Zusammenhalt auf, so daß die Härte und die Ver­ schleißbeständigkeit dieses Materials in vollem Umfange zum tragen kommen.

Zwischen der aus der Schmelze erstarrten Wolframkarbid­ schicht 5′′ und dem durch die Wärmebehandlung nicht beein­ flußten Inneren des Grundkörpers 4 liegt eine dünne Legie­ rungsschicht 6, in welcher sich das aufgeschmolzene Wolfram­ karbid und das oberflächlich aufgeschmolzene Material des Grundkörpers 4 vermischt haben. Durch diese Legierungs­ schicht 6 wird ein inniger Schweißverbund zwischen der erstarrten Wolframkarbidschicht 5′′ und dem Inneren des Grundkörpers 4 hergestellt.

Insgesamt weist also der in Fig. 1 dargestellte Kern 1 für eine Ziegeleipresse in der Zone maximalen Verschlei­ ßes an der äußersten Oberfläche eine aus der Schmelze erstarrte Wolframkarbidschicht 5′′ auf, die über eine Legierungsschicht 6 fest mit dem Material des Grundkörpers 4 verbunden ist, während in dem Bereich außerhalb des stärksten Verschleißes die Oberfläche des Kernes 1 mit einer thermisch aufgespritzten Wolframkarbidschicht ver­ sehen ist. Dabei braucht die thermisch aufgespritzte Schicht 5′ die außerhalb der maximalen Verschleißzone liegende Oberfläche des Kernes 1 nicht vollständig ab zu­ decken, da in bestimmten Bereichen ein Materialabtrag des Grundkörpers 4 ohne weiteres zulässig ist, ohne daß deshalb die Funktionstauglichkeit des Kernes 1 beeinträchtigt wäre.

Claims (10)

1. Maschinenteil mit lokal stark unterschiedlicher, ins­ besondere linienhafter Verschleißbeanspruchung, welches zumindest bereichsweise eine Oberfläche aus hartem, ver­ schleißfestem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es

• a) im Inneren (4) aus niedrig- oder unlegiertem Stahl besteht;
• b) im Bereich höchster Verschleißbeanspruchung eine aus der Schmelze erstarrte Schicht (5′′) aus einer ver­ schleißbeständigen Metallegierung oder einem Metall­ karbid aufweist, die über eine Legierungsschicht (6), die aus der Vermischung der Schmelzen der verschleiß­ beständigen Metallegierung oder des Metallkarbides und des niedrig- oder unlegierten Stahles im Inneren (4) entstanden ist, mit dem niedrig- oder unlegierten Stahl verbunden ist.

2. Maschinenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Schmelze erstarrte Schicht (5′′) aus Wolframkarbid besteht.

3. Maschinenteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seine Oberfläche zumindest teilweise in den Bereichen außerhalb der in der Schmelze erstarrten Schicht (5′′) mit einer thermisch aufgespritzten Schicht (5′) aus derselben verschleißbeständigen Metallegierung oder demselben Metallkarbid überzogen ist.

4. Maschinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der aus der Schmelze erstarrten Schicht (5′′) zwischen 0,05 und 1 mm liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Grundkörper (4) aus einem niedrig- oder unlegierten Stahl zumindest an der Stelle höchster Verschleißbean­ spruchung durch thermisches Spritzen mit einer Schicht (5′) aus einer verschleißbeständigen Metallegierung oder einem Metallkarbid überzogen wird;
• b) in die durch thermisches Aufspritzen aufgebrachte Schicht (5′) im Bereich höchster Verschleißbeanspruchung lokal und kontrolliert derart Energie eingebracht wird, daß
• ba) die durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht (5′) vollständig aufgeschmolzen wird;
• bb) das Material des Grundkörpers (4) oberflächlich aufgeschmolzen wird;
• bc) in der Übergangszone zwischen der geschmolzenen Schicht (5′′) der verschleißbeständigen Metall­ legierung oder des Metallkarbides und dem Grund­ körper (4) eine schmale Legierungszone (6) entsteht, die jedoch nicht bis zur äußeren Oberfläche reicht;
• c) die aufgeschmolzene Schicht (5′′) der verschleißbestän­ digen Metallegierung oder des Metallkarbids und die Legierungszone (6) durch Abkühlen zum Erstarrten ge­ bracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energieeinbringung durch einen Laser­ strahl erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energieeinbringung durch einen Plasma­ strahl erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energieeinbringung durch einen elek­ trischen Lichtbogen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energieeinbringung durch elektrische Widerstandserwärmung erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energieeinbringung in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.