DE4433662A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbundgußteilen und danach hergestelltes Verbundgußteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ver­ bundgußteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie nach diesem Verfahren hergestellte Verbundgußteile.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung verbund­ gegossener, metallischer Teile mit Funktionsflächen wie z. B. Extrudergehäuse, Walzen u. dgl.

Es ist notwendig, Bauteilwerkstoffe nach verschiedenartigen Beanspruchungen zu wählen, wobei auch schwer vereinbare An­ forderungen wie Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit zu er­ füllen sind. So werden z. B. stark abrasiv- und temperaturbe­ anspruchte Teile, die aber zugleich auch zäh und korrosions­ beständig sein müssen, aus nur einem Werkstoff, so aus Cr-Mo- Hartguß oder Co-Cr-Mo-Hartguß hergestellt, obwohl diese Werkstoffe spröde sind. Bei hoher Belastung oder Bedienfeh­ lern, sind daher z. B. bei Extrudern Risse und Brüche wahr­ scheinlich.

Zur Vermeidung derartiger Nachteile wurde daher versucht, Bauteile beanspruchungsgerecht aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen. Bekannt sind HIP-Werkstoffe, die durch Sintern bei sehr hohen Drücken hergestellt werden. Die Kosten sind jedoch für viele Anwendungen unvertretbar hoch.

Vorgeschlagen wurde ein Verfahren zum verschleißfesten Aus­ kleiden der Arbeitsräume von Schneckenextrudern gemäß DE-C 25 58 611 mit einer Verschleißbüchse, wobei die Verschleiß­ büchse kraftschlüssig im Extrudergehäuse aufgenommen ist. Dies erfolgt mittels einer Pressverbindung, zu deren Herstel­ lung das Extrudergehäuse auf 200°C bis 300°C erwärmt wird. Die Verschleißbüchse selbst kann nach DE-AS 24 60 316 als Rohrkonstruktion gefertigt werden. Diese Lösung sichert zwar eine beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl, sie ist jedoch energetisch und fertigungstechnisch sehr aufwendig. Von daher wurde ebenfalls vorgeschlagen, rohrförmige Körper, der vorge­ nannten Verschleißbüchse vergleichbar, aus verschleißfestem Metall herzustellen (DE-C 26 57 271). Das verschleißfeste Metall wird durch Flammspritzen auf einen zylindrischen Stahlkern aufgetragen, gesintert bzw. geschmolzen und an­ schließend der Stahlkern entfernt, so daß wiederum ein büchsenartigen Bauteil entsteht, das eine Bohrung eines Schneckenmaschinengehäuses nach dieser Patentschrift ausklei­ den soll. Eine weitere, fertigungstechnisch aufwendige Lösung wird in der DE-C 31 46 621 vorgeschlagen, wobei zwischen einem Stahlkörper (z. B. ein Gehäuse eines Schneckenextruders) und einem eingebrachten verschleiß- und korrosionsbeständigen Material für eine Bohrungsbeschichtung eine Diffusionsverbin­ dung erfolgt. Das eingebrachte Material wird in einem gasbe­ heizten Schutzgasofen aufgeschmolzen.

Bekannt sind auch das Auftragsschweißen, das Laserumschmel­ zen oder das Plasmabeschichten. Diese Verfahren sind jedoch für das innenbeschichten langer Bohrungen nur bedingt ge­ eignet, der Fertigungsaufwand ist hoch, ebenso die Wahr­ scheinlichkeit von Fertigungsfehlern. Beim Laserumschmelzen ist die umgeschmolzene Schicht dünn und bei stark abrasiver und korrosiver Beanspruchung schnell verschlissen. Plasmabe­ schichtungen sind porös und daher für korrosive Medien unge­ eignet.

In der Literatur sind weiterhin Versuche beschrieben, unter­ schiedliche Werkstoffe mittels eines zwischen diesen Werk­ stoffen angeordneten, verzinnten Bleches in einem Wärmebe­ handlungsprozeß metallurgisch zu verbinden. Diese Versuche waren infolge Nichtbeherrschung des metallurgischen Prozesses erfolglos.

Nach der DE-PS 22 53 874 gilt es auch als bekannt, hohlzylin­ drische Stützglieder als Formkern zu verwenden. Auf die Außen­ seite dieses Stützgliedes ist eine Überzugsschicht gerin­ gerer Wärmedehnung und Wärmeleitung aufgespritzt. Das Stütz­ glied wird in eine Gießform eingesetzt und der verbleibende Spalt wird mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausge­ gossen. Nach der Abkühlung wird dieses Stützglied entfernt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die beschriebe­ nen und ableitbaren Nachteile des Standes der Technik zu ver­ meiden und ein kostengünstiges und vor allem technologisch einfaches und sicheres Verfahren zur Herstellung von Verbund­ gußteilen zu entwickeln. Dies erfolgt nach den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart. Die Aufgabe bezieht sich weiterhin auf entsprechend hergestellte Produkte nach Anspruch 8.

Der Erfindung liegt zugrunde, daß es möglich ist, unter­ schiedliche metallische Werkstoffe mittels Verbundguß in einer Gießform und in einem Schritt herzustellen. Hierzu wird an der späteren Verbindungsstelle zwischen den Werkstof­ fen ein metallisch blankes Hilfsblech in der Gießform ange­ ordnet. Bei exakter Einhaltung der jeweiligen Schmelz- und Erstarrungsparameter ist die Herstellung einer fehlstellen­ freien Verbindung möglich. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die vorgeschlagene Lösung bei vergleichsweise geringem Fertigungsaufwand technologisch sicher.

Das Verfahren ist besonders vorteilhaft bei stark belasteten Bauteilen einsetzbar, die lokal einer kombinierten abrasiven und korrosiven Beanspruchung, bei überlagerter metallischer Gleitreibung ausgesetzt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Herzustellen ist ein Zweiwellen-Schneckenextrudergehäuse, das aus einem zähen, mechanisch gut bearbeitbaren und korrosions­ beständigen Cr-Ni-Stahl, im konkreten Fall ein G-X8CrNi13 be­ steht. Für den Verschleißschutz der Funktionsflächen (Bohrung) ist ein korrosionträger metallischer Werkstoff mit hohem Hartstoffanteil, G-X200CrMo20-2 vorgesehen. Als Hilfs­ blech kommt ein Kohlenstoffstahl St37-2 zur Anwendung. Gegos­ sen wird im Sand-, Keramik- oder Kokillenguß. Bei der im Beispiel verwendeten Sandform wird mit steigendem Guß gear­ beitet.

In die vorbereitete Gießform wird ein vorgeformtes Hilfs­ blech so eingesetzt, daß die vorgesehene Verschleißschutz­ schicht nur im Bereich der Bohrung ausgebildet wird. Das Hilfsblech wird metallisch blank (sandgestrahlt) eingesetzt. Das Hilfsblech ist im unteren Teil der Form in einem Formab­ satz mittels einer Keramikscheibe geklemmt und im oberen Teil der Form mit einer Blech-scheibe um einen Kern zentriert. Nachfolgend werden beide Metallschmelzen gleichzeitig und gleich schnell auf der jeweiligen Seite des Hilfsbleches ein­ gegossen. Die Schmelzeigenschaften des Hilfsbleches sind so ausgelegt, daß das Hilfsblech durch die Metallschmelzen ganz oder zumindest teilweise angeschmolzen wird. Während der Er­ starrung entsteht eine metallurgische Verbindung, entweder direkt zwischen den Metallen des Schneckenextrudergehäuses oder zwischen dem Gehäusestahl, dem Rückstand des Hilfsblechs und dem Metall der Verschleißschutzschicht.

Die Kristallisations- und Auflösefronten am Hilfsblech sind in ihrem metallurgischem Verlauf so abzustimmen, daß kein Durchbruch erfolgt. Dies wiederum erfolgt durch eine Ermitt­ lung der Wärmeleitung und eine Steuerung der Gießparameter. Versuche zeigten, daß schon nach wenigen Sekunden die Schmelze des Gehäusewerkstoffes am Hilfsblech kristallisiert und so eine zweite Trennschicht bildet. Die tiefere Erstar­ rungstemperatur der Schmelze des Schichtwerkstoffs bewirkt hingegen ein stärkeres Aufschmelzen des Hilfsbleches, wobei durch die Kristallisation auf der anderen Seite ein Durch­ bruch verhindert wird. Vielmehr wird eine nahezu gleichmä­ ßige Werkstoffverteilung an der Trennstelle erreicht. Die lichtmikroskopische Schliffbilddarstellung zeigt eine fehl­ stellenfreie Verbindung zwischen den jeweiligen Werkstoffen mit entsprechenden Übergangszonen. Das Hilfsblech ist teil­ weise angeschmolzen, wobei das Gefüge infolge der Wärmebeein­ flussung gegenüber dem Ausgangszustand grobkörniger ist. Dies zeigt jedoch im Einsatzfall keine negativen Auswirkungen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundgußteilen aus metallischen Werkstoffen im Sand-, Keramik- oder Kokillen­ gußverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hilfsblech in eine Gießform eingelegt wird und daß nachfolgend beidseitig vom Hilfsblech Metallschmel­ zen eingegossen werden unter teilweisem bis voll ständigem Aufschmelzen des Hilfsbleches, wobei während der Erstarrung eine metallurgische Verbindung zwischen den eingegossenen Me­ tallen und dem Rückstand des Hilfsbleches und/oder direkt zwischen den eingegossenen Metallen gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelzen gleichzeitig und gleich schnell eingegos­ sen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschmelze aus einem Eisenwerkstoff hoher Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und guter mechanischer Bearbeitbar­ keit besteht mit max. 0,35 Gew.-% C, 8-18 Gew.-% Cr, max. 15 Gew.-% Ni und max. 3 Gew.-% Mo.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Metallschmelze aus einem Werkstoff hoher Verschleißfestigkeit besteht mit hohem Hartphasenanteil, 2- 3,5 Gew.-% C, max. 1 Gew.-% B, 15-35 Gew.-% Cr, 2-5 Gew.-% Mo, 1-3 Gew.-% W sowie ergänzend Fe, Co oder Ni.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsblech aus einem Eisenwerkstoff mit max. 0,8 Gew.-% C, max. 20 Gew.-% Cr und max. 15 Gew.-% Ni besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsblech metallisch blank und vorgeformt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzeigenschaften des Hilfsbleches bzgl. der metallur­ gischen Verläufe an der Auflösungs- und Kristallisationsfront so auf die Metallschmelzen abgestimmt ausgelegt sind, daß kein Durchbruch der Metallschmelzen erfolgt und das Hilfs­ blech durch die Metallschmelzen ganz oder teilweise an- bzw. aufgeschmolzen wird.

8. Verbundgußteil mit hoher abrasiver und/oder korrosiver Beanspruchung, hergestellt nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es ein gehäuseförmiges Teil mit überlagerter metallischer Gleitreibung an Funktionsflächen ist, dessen Grundwerkstoff zäh, korrosionsbeständig und gut bearbeitbar ist und dessen Funktionsflächen aus einem abrasiv und/oder korrosiv hoch be­ lastbarem Werkstoff bestehen, wobei diese Werkstoffen metal­ lurgisch verbunden sind.

9. Verbundgußteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Verbindungszone zwischen den Werkstoffen ein dritter Werkstoff in teilweise und/oder vollständig an- bzw. aufgeschmolzener Form eingebettet ist.

10. Verbundgußteil nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Extrudergehäuse, ein Pressengehäuse, eine Kugel­ mühle, eine Mahlwalze o. dgl. ist.