DE60210660T2 - Giessereistück mit verbesserter verschleissfestigkeit - Google Patents

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Description

  • Gegenstand der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft die Herstellung eines Gussteils, das durch die Verbesserung der Abriebfestigkeit eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweist und dennoch in den verstärkten Bereichen eine annehmbare Stoßfestigkeit bewahrt.
  • Technologischer Hintergrund, der der Erfindung zugrunde liegt
  • Erzförder- und -zerkleinerungsanlagen und insbesondere Mahl- und Brechgut unterliegen zahlreichen Bedingungen in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit und die Kosten.
  • Hier kann man im Bereich der Aggregat- Zement- und Erzverarbeitung als Beispiel Verschleißteile wie Auswerfer und Ambosse von Mühlen mit vertikaler Achse, Hämmer und Schläger von Mühlen mit horizontaler Achse, Kegel für Mühlen, Tische und Walzen von vertikalen Mühlen, Panzerplatten und Heber von Kugelmühlen oder Stabmühlen anführen. Bei Erzförderanlagen lassen sich unter anderem Pumpen für Teersand oder Bohrmaschinen, Minenpumpen und Baggerzähne anführen.
  • Lieferanten von Verschleißteilen für solche Maschinen werden zunehmend mit der Nachfrage nach Verschleißteilen konfrontiert, die sowohl den Ansprüchen in Bezug auf die Stoßfestigkeit als auch in Bezug auf die Abriebfestigkeit genügen.
  • Herkömmliche Werkstoffe entsprechen im allgemeinen der einen oder der anderen Art dieser Forderungen, sind aber sehr selten gleichzeitig stoß- und abriebfest. In der Tat weisen dehnbare Werkstoffe eine hohe Stoßfestigkeit auf, aber eine sehr schlechte Abriebfestigkeit. Dagegen halten harte und abriebfeste Werkstoffe sehr schlecht heftige Stöße aus.
  • Historisch betrachtet, führten die ersten Überlegungen zu diesem Problem zu einem ausschließlich metallurgischen Lösungsansatz, der darin bestand, sehr stoßfeste Manganstähle, die dennoch Zwischenhärtegrade in der Größenordnung von 650–700 Hv (Vickershärte) erreichten, anzubieten.
  • Auch Alternativen wie Chromgusseisen wurden angeboten. Bei diesen kann nach einer geeigneten Wärmebehandlung ein Härtegrad von 700–850 Hv erreicht werden. Diese Werte werden bei Legierungen mit einem Karbidgehalt von bis zu 35% erreicht.
  • Zu jener Zeit entstanden ebenfalls Bimetall-Gussteile, die jedoch den Nachteil haben, dass sie auf einfache Formteile beschränkt sind, was ihre industriellen Anwendungsmöglichkeiten stark einschränkt.
  • Verschleißteile werden im allgemeinen als Verbrauchsmaterialien betrachtet, was bedeutet, dass neben den rein technischen Anforderungen auch wirtschaftliche Einschränkungen vorhanden sind, die die Möglichkeiten auf Lösungen beschränken, deren mittlere Kosten bei etwa 4 US$/kg betragen. Man geht im allgemeinen davon aus, dass dieses Preisniveau, das doppelt so hoch ist wie das bei herkömmlichen Verschleißteilen, der Wirtschaftlichkeitsgrenze bei den Kunden entspricht.
  • Beschreibung von Lösungen nach dem Stand der Technik
  • Die Herstellung von abrieb- und stoßfesten Verschleißteilen war bereits Gegenstand von Entwicklungen unterschiedlicher Natur.
  • In diesem Zusammenhang hat man sich natürlich Verbundteilen auf Keramikbasis zugewandt; in diesem Rahmen hat die Antragstellerin bereits in der Druckschrift WO 99/47264 eine sehr stoß- und verschleißfeste Legierung auf Eisen- und Keramikbasis bekannt gemacht.
  • In der Druckschrift WO 98/15373 schlägt die Antragstellerin vor, vor dem Guss einen porösen Keramikrohling in die Gussform einzubringen, der dann beim Gießen durch das Metall infiltriert wird. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Erfindung sind jedoch auf Werkstücke mit großem Querschnitt und auf Legierungen mit hoher Vergießbarkeit beschränkt. Im übrigen wird die Positionierung dieser Keramikrohlinge eher durch die Bedingungen bezüglich der Infiltration durch das gegossene Metall bedingt, als durch die nutzungsbedingten Erfordernisse für das Werkstück.
  • In der Druckschrift WO/9007013 macht Merzhanov einen feuerfesten, porösen Werkstoff bekannt, ohne jedoch die gleichen Ziele zu verfolgen; dieser Werkstoff wird durch Kaltpressen einer ungesinterten, exothermen Pulvermischung im Vakuum, gefolgt von der Entzündung der Mischung, hergestellt. Es handelt sich hier um eine selbstausbreitende Reaktion. Durch dieses Verfahren erhält er extrem harte Werkstoffe, jedoch ohne die geringste Stoßfestigkeit. Dies ist im Wesentlichen durch die hohe Porosität der Produkte bedingt.
  • Im übrigen schlägt der gleiche Erfinder in der Druckschrift WO/9011154 eine ähnliche Methode vor, wobei diesmal die Pulvermischung nach der Reaktion einem Druck von bis zu 1000 bar ausgesetzt wird. Diese Erfindung führt zur Herstellung von sehr abriebfesten Schichten, die aber eine ungenügende Stoßfestigkeit haben. Das Ziel ist hier insbesondere die Herstellung von Oberflächen für in diesem Sinne stark beanspruchte Abriebwerkzeuge.
  • Allgemein führt die Verwendung von hochreinen Pulvern wie Titan-, Bor-, Wolfram-, Aluminium-, Nickel-, Molybdän-, Silizium-, Kohlenstoffpulver usw. zu extrem porösen Körpern nach der Reaktion, mit einem Porositätsgrad von fast 50%. Diese erfordern daher nach der Reaktion eine Verdichtung, um kompakter zu werden und damit eine Erhöhung der Dichte zu erreichen, die für eine industrielle Nutzung unbedingt erforderlich ist.
  • Die Komplexität der Anwendung eines solchen Verfahrens, die Kontrolle der Reaktionen und die Kosten der Rohstoffe stellen jedoch ein beträchtliches Hindernis für die industrielle Nutzung dieser Technologien dar.
  • Der deutsche Patentantrag 1949777/Lehmann stellt ein Herstellungsverfahren für sehr verschleißfeste Gussteile vor. In diesem Verfahren werden Karbidpulver mit brennbaren Bindemitteln und/oder Metallpulvern mit einer niedrigen Schmelztemperatur kombiniert. Beim Gießvorgang weicht das Bindemittel der Metallschmelze, die dann die Karbidpartikel umhüllt. Bei diesem Verfahren gibt es keine selbstausbreitende chemische Reaktion und alle hochverschleißfesten Partikel sind von Anfang an in der Gussform enthalten.
  • Zahlreiche Druckschriften betreffen ein solches Umhüllen von harten Partikeln, insbesondere US-P-5,052,464 und US-P-6,033,791/Smith, die auf dem Vorhandensein von harten Partikeln vor dem Gießvorgang basieren; der Gießvorgang dient der Infiltration der Poren zwischen den Keramikpartikeln.
  • Die Erfindung vermeidet die Problematik nach dem Stand der Technik durch die Herstellung von Verschleißteilen mit einer originellen Zusammensetzung, die durch ein originelles und einfaches und daher kostengünstiges Verfahren hergestellt werden.
  • Ziele der Erfindung
  • Diese Erfindung hat die Aufgabe, Verschleißteile, die sowohl abriebfest als auch stoßfest sind, zu einem wirtschaftlich vertretbaren Preis zu liefern sowie ein Verfahren für ihre Herstellung. Insbesondere hat sie die Aufgabe, die Probleme zu lösen, die mit den Lösungen nach dem Stand der Technik verbunden sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft ein durch Gießen hergestelltes Verschleißteil mit einer durch mindestens einen Typ von Metallkarbid und/oder Metallnitriden und/oder Metalloxiden und/oder Metallboriden sowie intermetallischen Verbindungen – nachfolgend Bestandteile genannt – verstärkten Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffe, die als Reagenzien für die genannten Bestandteile dienen, vor dem Gießvorgang als Einsatzteile, verdichtete Pulver-Vorformlinge oder Schlicker in eine Gießform eingebracht werden, dadurch, dass die Reaktion der besagten Pulver in situ durch das Gießen eines Metalls ausgelöst wird, wodurch sich in situ ein poröses Konglomerat bildet, und dadurch, dass das besagte Metall das poröse Konglomerat infiltriert, und so eine verstärkte Struktur bildet, bis das besagte Konglomerat in der Struktur des für das Gießen des Werkstücks verwendeten Metalls eingeschlossen ist und so die Verstärkungsstruktur des Verschleißteils bildet.
  • Einer der Schlüsselpunkte dieser Erfindung zeigt, dass das in situ hergestellte und danach durch das gegossene Metall infiltrierte poröse Konglomerat eine Vickers-Härte über 1000 Hv20 aufweist und dass das so hergestellte Verschleißteil eine Festigkeit aufweist, die höher ist als die Festigkeit der betreffenden reinen Keramikteile und mindestens 10 MPa√m beträgt.
  • Gemäß einer der Eigenschaften der Erfindung, breitet sich die Reaktion in situ zwischen den Rohstoffen, das heißt den Reagenzien für die besagten Bestandteile, selbst aus und wird durch die Hitze beim Gießen ausgelöst, indem sich ein sehr poröses Konglomerat bildet, das gleichzeitig beim Gussmetall infiltriert werden kann, ohne besondere Veränderung der Verstärkungsstruktur.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Reaktion zwischen den Rohstoffen bei Luftdruck und ohne spezielle Schutzgasatmosphäre und ohne, dass nach der Reaktion eine Verdichtung erforderlich wäre.
  • Die Rohstoffe, die zur Herstellung des Bestandteils dienen, gehören zur Gruppe der Eisenlegierungen, vorzugsweise FeTi, FeCr, FeNb, FeW, FeMo, FeB, FeSi, FeZr oder FeV, oder zur Gruppe der Oxide, vorzugsweise TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2Os, CuO, MgO und NiO oder auch zur Gruppe der Metalle oder ihrer Legierungen, vorzugsweise Eisen, Titan, Nickel oder Aluminium und im übrigen Kohlenstoff, Bor oder nitrierte Verbindungen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 zeigt einen Schlicker, der an den Stellen verteilt ist, an denen das Gussteil 2 in der Gussform 1 verstärkt werden soll.
  • 2 zeigt die Erfindung in Form von Verstärkungseinsätzen 3 im in der Gussform 1 zu gießenden Gussteil 2.
  • Die 3, 4 und 5 zeigen Härtetesteindrücke bei Chromgusseisen (3), reiner Keramik (4) und einer mit Keramik verstärkten Legierung gemäß dieser Erfindung (5).
  • 6 zeigt TiC-Partikel in Eisenlegierung, das aus einer Reaktion von FeTi mit Kohlenstoff in situ entsteht, um zu TiC in einer Matrix auf Eisenbasis zu werden. Die Größe der TiC-Partikel beträgt einige Mikron.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft Gussteile, deren Verschleißflächen verstärkt werden, indem vor dem Gießen aus Pulvern zusammengesetzte Elemente, die in situ unter dem alleinigen Einfluss der Wärme beim Gießen reagieren sollen, in die Gussform gelegt werden.
  • Dazu verwendet man reaktive Elemente als verdichtete Pulver, die man in Form von Rohlingen oder Einsatzteilen 3 mit der gewünschten Form oder auch in Form einer Beschichtung 4, die die Gussform 1 an der Stelle, an der das Werkstück 2 verstärkt werden soll, bedeckt, in der Gussform befestigt.
  • Die Elemente, die in situ reagieren sollen, ergeben harte Verbindungen vom Typ Karbide, Boride, Oxide, Nitride oder intermetallische Verbindungen. Sobald sich diese gebildet haben, ergänzen sie die eventuell bereits in der Gusslegierung vorhandenen Karbide, so dass der Anteil harter Partikel mit einer Härte Hv > 1300, die zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit beitragen, noch erhöht wird. Diese werden bei etwa 1500 °C durch die Metallschmelze infiltriert und bilden eine bestimmte Menge abriebfester Partikel, die in die Struktur des für den Gießvorgang verwendeten Metalls integriert sind (6).
  • Im übrigen ist es im Gegensatz zu den Verfahren nach dem Stand der Technik nicht erforderlich, reine Metallpulver zu verwenden, um diese Reaktion in situ zu erreichen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung von kostengünstigen Eisenlegierungen oder Oxiden, um extrem harte Partikel zu erhalten, die an der Stelle, an der eine Verstärkung der Verschleißfestigkeit erforderlich ist, in die aus dem Gussmetall gebildeten Matrix eingebettet sind.
  • Die Erfindung erfordert nicht nur keine nachträgliche Verdichtung, also Pressung, der Bereiche mit verstärkter Struktur, vielmehr wird die so erzeugte Porosität in den genannten Bereichen sogar vorteilhaft genutzt, um eine Infiltration des Gussmetalls in die Zwischenräume bei hoher Temperatur zu ermöglichen (6).
  • Dazu wird keine spezielle Schutzatmosphäre benötigt, der Vorgang erfolgt bei Luftdruck mit der beim Gießvorgang erzeugten Wärme, was sich selbstverständlich besonders günstig auf die Verfahrenskosten auswirkt. So erhält man eine Struktur mit sehr vorteilhaften Eigenschaften, was die gleichzeitige Stoß- und Abriebfestigkeit angeht.
  • Die von den derart in die verstärkten Oberflächen einführten Partikeln erreichten Härtewerte liegen im Bereich von 1300 bis 3000 Hv. Nach der Infiltration durch das gegossene Metall weist die erhaltene Verbindung eine Härte von über 1000 Hv20 auf und bewahrt gleichzeitig eine Festigkeit von über 10 MPa√m. Die Festigkeit wird anhand eines Eindruckversuchs gemessen, d.h. mit einem pyramidenförmigen Stempel aus Diamant, der mit einer kalibrierten Last belastet ist, wird ein Eindruck erzeugt. Unter der Wirkung der Last verformt sich der Werkstoff und kann auch Risse an der Spitze des Eindrucks bilden. Die Messung der Länge der Risse ermöglicht die Bewertung der Festigkeit (3, 4 und 5).
  • Die Rohstoffe, die für die Herstellung der Verbindung vorgesehen sind, gehören zur Gruppe der Eisenlegierungen, vorzugsweise FeTi, FeCr, FeNb, FeW, FeMo, FeB, FeSi, FeZr oder FeV, sie können auch zur Gruppe der Oxide gehören, vorzugsweise TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2Os, CuO, MgO und NiO, oder auch zur Gruppe der Metalle oder ihrer Legierungen, vorzugsweise Eisen, Titan, Nickel oder Aluminium und im übrigen Kohlenstoff, Bor oder nitrierte Verbindungen.
  • Beispielsweise sind die Reaktionen, die in dieser Erfindung genutzt werden, im allgemeinen vom Typ: FeTi + C -> TiC + Fe TiO2 + Al + C -> TiC + Al2O3 Fe2O3 + Al -> Al2O3 + Fe Ti + C -> TiC Al + C + B2O3 -> B4C + Al2O3 MoO3 + Al + Si -> MoSi2 + Al2O3 Diese Reaktionen können auch untereinander kombiniert werden.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit kann durch verschiedene Metall-, Legierungs- oder Partikelzusätze kontrolliert werden, die nicht an der Reaktion beteiligt sind. Diese Zusätze können im übrigen in vorteilhafter Weise verwendet werden, um je nach Bedarf die Festigkeit oder andere Eigenschaften des in situ hergestellten Verbundwerkstoffs zu ändern. Dies wird durch die folgenden, beispielhaften Darstellungen verdeutlicht: Fe2O3 + 2Al + xAl2O3 -> (1 + x) Al2O3 + 2Fe Ti + C + Ni -> TiC + Ni
  • Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
  • Die erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die gewählten reaktiven Pulver durch einfaches Kaltpressen zu verdichten. Dies erfolgt in einer Pressform, die die gewünschte Form des Einsatzteils oder Vorformlings 3 zur Verstärkung des Gussteils 2 hat, gegebenenfalls mit einem Bindemittel. Dieses Einsatzteil oder der Vorformling wird dann an der gewünschten Stelle in der Gussform 1 befestigt.
  • Für die Pulver wählt man eine Kornverteilung, deren D50 zwischen 1 und 1000 Mikron liegt, vorzugsweise unter 100 μ. Die praktische Erfahrung hat gezeigt, dass diese Korngröße einen idealen Kompromiss zwischen der Handhabung des Rohlings, der Infiltrierbarkeit des porösen Produkts und der Kontrolle der Reaktion bildet.
  • Beim Gießvorgang löst das heiße Metall die Reaktion des Vorformlings oder Einsatzteils aus, das sich in ein Konglomerat mit poröser Struktur aus harten Partikeln verwandelt. Dieses Konglomerat selbst wird bei immer noch hoher Temperatur durch das Gussmetall, das das Werkstück bildet, infiltriert und in dieses eingebettet. Dieser Vorgang erfolgt bei 1400 bis 1700 °C je nach Gießtemperatur der für die Herstellung des Werkstücks gewählten Legierung.
  • Eine zweite bevorzugte Ausgestaltung besteht in der Verwendung eines Schlickers (Paste) 4, die die verschiedenen reaktiven Stoffe enthält, um bestimmte Bereiche der Gussform 1 oder der Gusskerne zu überziehen. Je nach gewünschter Dicke ist das Einbringen einer oder mehrerer Schichten möglich. Dann lässt man diese einzelnen Schichten trocknen, bevor das Metall in die Gussform 1 gegossen wird. Diese Metallschmelze wird ebenfalls die Reaktion auslösen, um eine poröse Schicht zu erzeugen, die sofort nach ihrer Reaktion infiltriert wird, um eine Struktur zu bilden, die gleichzeitig besonders stoß- und verschleißfest ist.

Claims (11)

  1. Gussverschleißteil mit einer verstärkten Struktur, wobei die verstärkte Struktur mindestens einen Bestandteil enthält, der aus der Gruppe der Metallkarbide, Metallnitride, Boride, Metalloxide und intermetallischen Verbindungen ausgewählt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: – die besagten Bestandteile durch eine Reaktion in situ aus Rohstoffen gebildet werden, die als Reagenzien für die genannten Bestandteile dienen, wobei die Reagenzien zuvor, vor dem Gießvorgang, als Einsatzteile, verdichtete Pulver-Vorformlinge (3) oder Schlicker (4) in eine Gießform (1) eingebracht werden; – die Reaktion der besagten Pulver in situ durch das Gießen eines Metalls ausgelöst wird; – die besagte Reaktion in situ zur Bildung eines porösen Konglomerats führt; – das besagte Gussmetall das besagte poröse Konglomerat infiltriert, bis das besagte Konglomerat in der Struktur des für das Gießen verwendeten Metalls eingeschlossen ist und so die Verstärkungsstruktur des Verschleißteils (2) bildet.
  2. Verschleißteil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte poröse Konglomerat in situ gebildet wird und durch das gegossene Metall infiltriert wird, dass das besagte Konglomerat eine Vickers-Härte zwischen 1300 und 3000 Hv aufweist und dass die besagte verstärkte Struktur am Verschleißteil eine Festigkeit über 10 MPa√m aufweist.
  3. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen mit verstärkter Struktur durch mindestens einen Bestandteil, der aus der Gruppe der Metallkarbide, Metallnitride, Boride, Metalloxide und intermetallischen Verbindungen ausgewählt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die besagten Bestandteile durch eine Reaktion in situ aus Rohstoffen gebildet werden, die als Reagenzien für die genannten Bestandteile dienen, wobei die Reagenzien zuvor, vor dem Gießvorgang, als Einsatzteile, verdichtete Pulver-Vorformlinge (3) oder Schlicker (4) in eine Gießform (1) eingebracht werden; – die Reaktion der besagten Pulver in situ durch das Gießen eines Metalls ausgelöst wird; – die besagte Reaktion in situ zur Bildung eines porösen Konglomerats führt; – das besagte Gussmetall das besagte poröse Konglomerat infiltriert, bis das besagte Konglomerat in der Struktur des für das Gießen verwendeten Metalls eingeschlossen ist und so die Verstärkungsstruktur des Verschleißteils (2) bildet. – die besagte Reaktion in situ zwischen den Rohstoffen, die nach der besagten Reaktion die besagten Bestandteile bilden sollen, durch die Hitze beim Gießen ausgelöst wird und sich selbst ausbreitet.
  4. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion zwischen den Rohstoffen zur Bildung eines sehr porösen Konglomerats führt, das gleichzeitig durch das gegossene Metall ohne besondere Änderung der verstärkten Struktur infiltriert werden kann.
  5. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion zwischen den Rohstoffen bei Luftdruck stattfindet, ohne dass das Verfahren nach der Reaktion der Pulver eine Verdichtung erforderlich macht.
  6. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion zwischen den Rohstoffen keine spezielle Schutzgasatmosphäre erforderlich macht.
  7. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohstoffe zur Gruppe der Eisenlegierungen gehören, vorzugsweise FeTi, FeCr, FeNb, FeW, FeMo, FeB, FeSi, FeZr und FeV.
  8. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohstoffe zur Gruppe der Oxide gehören, vorzugsweise TiO2, FeO, Fe2O3, SiO2, ZrO2, CrO3, Cr2O3, B2O3, MoO3, V2Os, CuO, MgO und NiO.
  9. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohstoffe zur Gruppe der Metalle oder ihrer Legierungen gehören, vorzugsweise Eisen, Titan, Nickel oder Aluminium.
  10. Verfahren für die Herstellung von Verschleißteilen gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Rohstoffe Kohlenstoff, Bor oder nitrierte Verbindungen umfassen.
  11. Verwendung der gemäß einem der vorstehenden Ansprüche hergestellten Verschleißteile für Anwendungen, die gleichzeitig Verschleißfestigkeit und Stoßfestigkeit erfordern.
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