EP0164002A1

EP0164002A1 - Verfahren zum Herstellen von Verschleisskörpern

Info

Publication number: EP0164002A1
Application number: EP85106072A
Authority: EP
Inventors: Johannes Jachowski; Helmut Klasing; Paul Dipl.-Ing Pant
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1984-05-24
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1985-12-11
Also published as: DE3419406C2; DE3419406A1; EP0164002B1; ATE37151T1

Abstract

Bei dem vorliegenden Verfahren wird der Grundwerkstoff in Form mindestens einer Elektrode (3, 33, 43) unter Anwendung des Elektroschlackeumschmelzen in einer Kokillenanordnung (4) unter einer flüssigen Schlackenschicht (9) zu einem vom Boden der Kokillenanordnung aus wachsenden Block umgeschmolzen. In dem sich unter der Schlackenschicht (9) ausbildenden metallischen Schmelzsumpf (10) werden Hartstoffteilchen (11) gegeben. Die Hartstoffteilchen können separat oder mit der Elektrode verbunden in den Schmelzsumpf gegeben werden. Die Zugabe der Hartstoffteilchen kann sich auf einen Teil der Umschmelzzeit beschränken, so dass Verbundkörper mit einer begrenzten Verschleisszone entstehen, die z.B. in der Mitte des Gesamtkörpers angeordnet sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleißbeständigen Verbundkörpern aus einem metallischen Grundwerkstoff mit einem hochverschleißbeständigen Bereich, in dem innerhalb des Grundwerkstoffs Hartstoffteilchen eingelagert sind, wobei im nachfolgenden und in den Patentansprüchen unter der Bezeichung "Hartstoffteilchen" Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen zusammengefaßt sind. Weiterhin steht die Bezeichnung "Grundwerkstoff" auch für die Bezeichnungen Basis- oder Matrixwerkstoff.
Es ist bekannt, verschleißbeständige Verbundkörper durch Aufschweißen herzustellen, wobei eine abschmelzende Elektrode mit einem aus einer Metallegierung bestehenden Rohr verwendet wird, in dem Hartstoffteilchen enthalten sind. Die Metallegierung des Rohres kann dabei aus dem gleichen Werkstoff bestehen, wie der Grundwerkstoff, auf den die hochverschleißbeständige Zone aufgeschweißt wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß nur relativ dünne Verschleißschichten zufriedenstellend aufgetragen werden können.
Aus der DE-PS 29 19 477 C2 ist ein Verbundkörper mit einem hochverschleißbeständigen Bereich bekannt, der durch Gießen des Grundwerkstoffs in eine Form und durch Zugeben von Hartstoffteilchen hergestellt wird. Der Grundwerkstoff dieses bekannten Verbundkörpers ist aber nur mit erheblichem Aufwand schweißbar und nur schwer spanabhebend bearbeitbar.
In der älteren Patentanmeldung P 33 15 125.3 ist zwar ein weiterer durch Gießen hergestellter Verbundkörper bekannt, der gut schweißbar und gut zerspanbar ist, dafür ist aber die Festigkeit und insbesondere die Warmfestigkeit dieses Grundwerkstoffs für viele Fälle nicht ausreichend.
Beim Herstellen der bekannten Verbundkörper durch Gießen wird der erschmolzene Grundwerkstoff in eine Form abgegossen, die vorzugsweise aus Formsand besteht. Zum Absinken in den für sie vorgesehenen Bereich benötigen die Hartstoffteilchen eine gewisse Mindestzeit. Da die Form keine Einrichtung zur Energiezufuhr besitzt, muß die Abkühlzeit (das ist die Zeit, in der der Grundwerkstoff von der Gießtemperatur bis zu seiner Liquidustemperatur abgekühlt ist) größer sein als die Mindestzeit zum Absinken der Hartstoffteilchen. Mit Rücksicht auf die Temperaturbeständigkeit der Form bzw. eines entsprechenden Schmelztiegels kann die Gießtemperatur nicht beliebig hoch gewählt werden. Um dennoch die zur Einhaltung einer gewissen Mindestzeit zum Absinken der Hartstoffteilchen erforderliche Temperaturdifferenz zu erhalten, muß die Liquidustemperatur des Grundwerkstoffs entsprechend niedrig angesetzt werden. Man ist dadurch bei den bekannten Gießverfahren auf die Verwendung von Grundwerkstoffen beschränkt, deren Liquidustemperatur nicht höher als etwa 1400 °C liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von hochverschleißbeständigen Verbundkörpern anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und das die Verwendung beliebiger Grundwerkstoffe, insbesondere auch solcher Werstoffe gestattet, deren Liquidustemperatur über 1400 °C liegt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Elektrode wird entsprechend den Vorgängen beim sog. Elektroschlackeumschmelzverfahren (ESU-Verfahren), wie dies zur Erzeugung eines homogenen Blocks einer reinen Metallegierung beispielsweise in der US-PS 2 361 101 beschrieben ist, durch die Widerstandserhitzung der Schlacke abgeschmolzen. Dabei werden Schmelztemperaturen bis etwa 1900 °C erreicht. An der in die flüssige Schlacke eintauchenden Stirnfläche der Elektrode entsteht zunächst ein Mikrofilm des flüssigen Grundwerkstoffs, aus dem sich dann ein Tropfenstorm bildet, der die Schlackenschicht durchwandert,wobei es zwischen dem Grundwerkstoff und der Schlacke zu intensiven Reaktionen kommt, bei denen die Metalltropfen weitgehend von unerwünschten Verunreinigungen befreit werden. Die so gereinigten Tropfen des Grundwerkstoffs sammeln sich in einem Metall- bzw. Schmelzsumpf am Boden der Kokille, und es erfolgt der kontinuierliche Aufbau eines Blocks aus dem Elektrodenwerkstoff mit einem entsprechenden Ansteigen des Schmelzsumpfes.
Durch die hohen erzielbaren Schmelztemperaturen wird die Auswahl der verwendbaren Grundwerkstoffe erheblich vergrößert, so daß insbesondere auch Werkstoffe mit höheren Schmelztemperaturen eingesetzt werden können.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare hohe Temperatur hat zudem eine deutliche Verringerung der Viskosität der Schmelze zur Folge, so daß das Absinken und Anlösen der Hartstoffteilchen durch den Grundwerkstoff bzw. im Grundwerkstoff auch bei solchen Werkstoffen problemlos erfolgt, deren Liquidustemperatur über 1400 °C liegt. Durch die heiße Schlacke werden die Hartstoffteilchen gut vorgewärmt, wodurch ihr Anlösen im Grundwerkstoff begünstigt wird. Aufgrund der geringen Viskosität der heißen Schlacke sowie der hohen Dichteunterschiede bei den Hartstoffteilchen und der Schlacke durchwandern die Hartstoffteilchen die Schlackenschicht in sehr kurzer Zeit.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erstarrt der flüssige Metallsumpf zu einem vom Boden der Kokillenanorndung wachsenden festen Block. Im Gegensatz zu den bekannten Gießverfahren zur Herstellung von Verschleißkörpern ist immer nur ein begrenzter, flacher Bereich des Grundwerkstoffs - der Schmelz- oder Metallsumpf - schmelzflüssig, so daß die Hartstoffteilchen nur einen relativ kurzen Weg bis zu ihrer Einlagerung in den bzw. bis zu ihrer Verankerung in dem Grundwerkstoff zurückzulegen haben. Trotz der beim Elektroschlackeumschmelzen üblichen hohen Schlackentemperaturen und einem entsprechenden Vorwärmen der Hartstoffteilchen kommt es durch die kurze Zeit, in der die Hartstoffteilchen durch den flachen Schmelzsumpf absinken können, nicht zum Schmelzen und Auflösen der Hartstoffteilchen. Es hat sich vielmehr in überraschender Weise gezeigt, daß die Hartstoffteilchen nur an ihren Randzonen angelöst werden, wodurch eine gute Voraussetzung für ihre Verankerung im Grundwerkstoff gegeben ist.
Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 kann die verschleißfeste Zone auf einen Teil des ganzen Verbundkörpers beschränkt werden. Es ist nun insbesondere auch möglich, die verschleißfeste Zone in die Mitte eines Verbund- bzw. Verschleißkörpers zu legen, wenn die Elektrode zunächst ohne Zufuhr von Hartstoffteilchen erschmolzen wird und die Hartstoffteilchen erst zu einem späteren Zeitpunkt zugegeben werden, und die Zufuhr vor Beendigung des Schmelzprozesses wieder beendet wird.
Ein Verbundkörper mit einer zwischen den Enden befindlichen Verschleißzone läßt sich nach den Ansprüchen 4 und 5 auch dann erreichen, wenn die Hartstoffteilchen der Elektrode über einen entsprechenden Bereich ihrer Länge zugeordnet sind.
Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein zylindrisches Einsteckwerkzeug für ein Schlagwerkzeug mit einem am unteren Ende befindlichen hochverschleißbeständigen Bereich,
Fig. 2 eine Anlage zur Herstellung des Einsteckwerkzeuges nach Fig. 1 während des Abschmelzens der Elektrode in schematischer Darstellung,
Fig. 3 ein ringförmiges Rohrstück zur Bildung eines verschleiß- und korrosionsbeständigen Rohres,
Fig. 4 eine Anlage zur Herstellung des Rohrstücks nach Fig. 3 in einem schematisierten Querschnitt,
Fig. 5 eine an ihrer Oberfläche teilweise mit Hartstoffteilchen beschichtete Elektrode in einer Seitenansicht und
Fig. 6 eine Elektrode, die auf einem Teil ihrer Länge Hartstoffteilchen enthält, in einem Längsschnitt.

Das für einen hydraulischen Hammer bestimmte Einsteckwerkzeug 1 mit einem Durchmesser D₁ von 75 mm und einer Länge L₁von 800 mm weist an seinem unteren Ende einen hochverschleißbeständigen Bereich 2 auf, der sich über eine Länge L₂ von etwa 100 mm erstreckt. Das Einsteckwerkzeug 1 weist als Grund- oder Basiswerkstoff den Werkstoff 42CrMo4 (Werkstoffnummer 1.7225) auf. In dem hochverschleißbeständigen Bereich sind Wolframcarbidteilchen in den Grundwerkstoff eingelagert.
Zur Herstellung dieses Werkzeuges wird eine Elektrode 3 aus dem Grundwerkstoff mit einem Durchmesser D₃von 50 mm und einer Länge von 1800 mm in einer Kupferkokille 4 mit einem Innendurchmesser d₄ von 80 mm umgeschmolzen (Bild 2). Die Kupferkokille 4, die auf einer Kupfer- oder Bodenplatte 5 steht, ist wassergekühlt und weist einen Wasserzulauf 6, einen Wasseraustritt 7 und einen Hohlraum 8 zum Durchfließen des Wassers auf.
Nach der Zündung der Elektrode 3 wird die in Pulverform eingegebene Schlacke 9 verflüssigt. Das Schlackenpulver besteht zu 60 % aus Flußspat, zu 20 % aus Kristallkalk und zu 20 % aus Aluminiumoxid (die %-Angaben bedeuten jeweils Massen-%). Die sich an der Unter- oder Stirnseite 3' der Elektrode 3 bildenden Metalltropfen 3" wandern durch die flüssige Schlacke 9 und bilden einen flüssigen Metallsumpf 10. Durch Erstarren des Metallsumpfs 10 wird auf der Bodenplatte zunächst ein Startblock mit einer Höhe von etwa 10 mm aufgebaut. Nach dem Aufbau dieses Startblocks erfolgt die Zugabe von Hartmetallteilchen 11 aus Wolframcarbid (WC), die zu 50 % eine Korngröße von 1...1,6 mm und wiederum zu 50 % eine Korngröße von 0,8...1,2 mm aufweisen. Bei einem durchgeführten Versuch wurde der Grundwerkstoff 42CrMo4 mit einer Leitung von 0,65 kg/min erschmolzen. Während eines Zeitraumes von 6 min nach Bildung des Startblocks wurden die Hartmetallteilchen 11 mit einem Massenstrom von 0,52 kg/min mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Dosiervorrichtung zugegeben, so daß die Hartstoffteilchen 11 in dem hochverschleißbeständigen Bereich 2 einen Anteil von etwa 44,5 % ausmachen. Der volumenmäßige Anteil des hochverschleißbeständigen Bereichs 2 am gesamten Einsteckwerkzeug 1 beträgt etwa 12,5 %.
Bei einer Härte der Hartstoffteilchen 11 von 1100 HV 30 weist der die Hartstoffteilchen 11 enthaltende hochverschleißbeständige Bereich 2 des nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Einsteckwerkzeugs 1 eine Härte von etwa 550 HV 30 und der hartstofffreie Bereich eine Härte von etwa 400 HV 30 auf.
Das Rohrstück 21 mit einem Außendurchmesser D.₂₁ und einem Innendurchmesser d₂₁ nach Fig. 3 ist zur Bil- dun^g eines verschleiß- und korrosionsbeständigen Rohres 22 zur Förderung von heißem grobkörnigen Schüttgut vorgesehen. Dieses Rohrstück wird thermisch und abrasiv beansprucht.
Die Anlage zur Herstellung des Rohrstücks 21 ist in Fig. 4 dargestellt. Innerhalb der wassergekühlten Kokille 23 mit einem Innendurchmesser d₂₃, der - von fertigungsbedingten Abweichungen abgesehen - dem Außendurchmesser D₂₁ des Rohrstücks 21 bzw. des Rohres 22 entspricht, ist ein ebenfalls wassergekühlter, zentral angeordneter Kupfereinsatz 24 vorgesehen, dessen Außendurchmesser D₂₄ im wesentlichen dem Innendurchmesser d₂₁ des herzustellenden Rohrstücks 21 entspricht. An einer gemeinsamen Elektrodenhalterung 25 sind - gleichmäßig am Umfang verteilt - mehrere Elektroden 26 angeordnet, die in den zylindrischen Ringspalt 27 zwischen der Kokille 23 und dem Kupfereinsatz 24 eingegeben werden. Dabei muß der seitliche Abstand der einzelnen Elektroden 26 so dicht gewählt werden, daß die durch die Erschmelzung gebildeten flüssigen Metallsumpfstellen 28 ringförmig miteinander verbunden sind.
Zur Herstellung des Rohrstücks 21 werden Elektroden aus dem Werkstoff X13OCrSi29 (Werkstoffnummer 1.4777) als Grundwerkstoff abgeschmolzen. Nach der Bildung eines Startblocks von etwa 10 mm Höhe werden Wolframcarbidteilchen über die gesamte Abschmelzzeit gleichmäßig in den Ringspalt 27 eingegeben. Der Anteil der Wolframcarbidteilchen im Rohrstück 21 kann dabei 20 % ausmachen. Die in Pulverform eingesetzte Schlacke besteht zu je einem Drittel aus Flußspat, Kristallkalk und Aluminiumoxid.
Die Elektrode 33 gemäß Fig. 5 besteht - wie die Elektrode 3 - aus dem Grundwerkstoff des herzustellenden Verbundkörpers 1. An ihrer Oberfläche 34 weist die Elektrode 33 über eine Länge L₃₅ eine Beschichtung 35 aus Hartstoffteilchen 11 auf. Von der Stirnseite 36 bis zur Beschichtung 35 ist die Oberfläche 34 über eine Länge L₃₆ hartstofffrei. Die Verwendung einer solchen Elektrode macht das separate Zugeben von Hartstoffteilchen entbehrlich und vereinfacht damit das Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers. Durch das Beschränken der Beschichtung 35 auf einen Teil der Gesamtlänge L₃₃ der Elektrode 33 kann ein Verbundkörper hergestellt werden, dessen hochverschleißfester Bereich 2 eine der Beschichtung 35 entsprechende Lage im Verbundkörper einnimmt. Ein solcher Verbundkörper besteht an seinen Enden - wie die Elektrode 33 - ebenfalls ausschließlich aus dem Grundwerkstoff und besitzt zwischen seinen Enden den hochverschleißbeständigen Bereich 2.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode, die separates Zugeben von Hartstoffteilchen erübrigt. Die Elektrode 43 besitzt ein Rohrstück 44 aus dem zu verwendenden Grundstoff, das in seinem Hohlraum 45 mit Hartstoffteilchen 11 angefüllt ist. An ihrem unteren Ende ist die Elektrode 43 mit einer Stirnplatte 46 aus dem Grundwerkstoff abgeschlossen. An ihrem oberen Ende weist die Elektrode 43 ein massives Stück 47 aus dem Grundwerkstoff auf.
Während die Stirnplatte 46, die die innerhalb des Rohrstücks 44 befindlichen Hartstoffteilchen 11 hält, zur Bildung des beschriebenen Startblocks dient, sind das Rohrstück 44 und die in ihm enthaltenen Hartstoffteilchen 11 zur Bildung des hochverschleißbeständigen Bereichs 2 und das Elektrodenstück 47 zur Bildung des hartstofffreien Bereichs eines Verbundkörpers vorgesehen. Durch die Packungsdichte der Metallteilchen 11 innerhalb des Hohlraums 45 und das Verhältnis des Volumens des Hohlraums 45 zu dem Gesamtvolumen des Rohrstücks 44 läßt sich der Anteil der Hartstoffteilchen 11 im hochverschleißbeständigen Bereich 2 des Verbundkörpers einstellen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von verschleißbeständigen Verbundkörpern (1) aus einem metallischen Grundwerkstoff mit einem hochverschleißbeständigen Bereich (2), in dem innerhalb des Grundwerkstoffs Hartstoffteilchen eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff in Form mindestens einer Elektrode (3, 33, 43) unter Anwendung des Elektroschlackeumschmelzens in einer Kokillenanordnung (4) unter einer flüssigen Schlackenschicht (9) kontinuierlich unter Bildung eines vom Boden der Kokillenanordnung aus wachsenden erstarrten Blocks umgeschmolzen wird, wobei sich unter der Schlackenschicht (9) ein metallischer Schmelzsumpf (10) ausbildet, und daß Hartstoffteilchen (11) zum Anlösen im Grundwerkstoff in den Schmelzsumpf (10) gegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen (11) separat in den Schmelzsumpf (10) gegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen (11) während mindestens eines Zeitintervalls in den Schmelzsumpf (10) gegeben werden, wobei das Zeitintervall bzw. die Summe der Zeitintervalle kleiner ist als die Gesamtzeit des Umschmelzens der Elektrode (3).

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Elektrode (33) auf ihrer Oberfläche (34) zumindest auf einem Teil ihrer Länge mit Hartstoffteilchen (11) beschichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Elektrode (43) zumindest über einen Teil ihrer Länge Hartstoffteilchen (11) enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Zeiteinheit bezogene Masse der während der Bildung des hochverschleißbeständigen Bereichs (2) zugeführten Hartstoffteilchen (11) 15 bis 95 % der auf die Zeiteinheit bezogenen Masse des umgeschmolzenen Grundwerkstoffs beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführten Hartstoffteilchen (11) eine Korngröße von 0,1...20 mm haben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführten Hartstoffteilchen (11) eine Korngröße von 0,1..,.5 mm haben.