EP0335012B1 - Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleissbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergiessen - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
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- B22D19/08—Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal
Definitions
- the invention relates to a method for the continuous production of a wear-resistant hard metal composite by centrifugal casting, in which solid powdery and / or granular synthetic metallic and / or non-metallic hard materials are temporarily poured into a centrifugal casting mold while it is being poured into a centrifugal casting mold rotating about its axis of symmetry metal melt flowing into the mold can be added.
- a disadvantage of these procedures is, in particular, that when hard materials are added to the ladle filled with molten metal, a large part of the hard materials dissolves due to the long action time of the molten metal on the solid particles and the exchange of substances supported by stirring, for example, and therefore does not act as a wear protection or an additional time-consuming work step is associated with the sprinkling of the hard materials onto a dough or liquid centrifugal casting layer.
- Patent Abstracts of Japan, Volume 6 No. 150 (M-148) (1028), August 10, 1982 describes a method for centrifugally casting a roll in which hard materials, e.g. WC powder to which molten metal is added in a pouring funnel.
- the residence time of the hard materials in the molten metal is shorter than in the known processes mentioned above, but it must be doubted that a uniform distribution of the hard materials in the molten metal is achieved.
- hard materials of low density such as B4C, TiB2, TiC, although they have a much higher hardness than, for example, tungsten carbide, cannot be used to reinforce the outer surface of the casting facing the mold wall.
- these hard materials accumulate preferentially on the inside or in the core region of the casting are therefore ineffective with regard to the wear protection of the outer surface of cast solid bodies.
- the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which in particular in a cost-effective manner a simple parameter control for reproducible generation of a hard material-metal composite for the reinforcement of large rotationally symmetrical components against wear even using metallic and non-metallic hard materials of high hardness and low density enables.
- This object is achieved in that the added hard materials are injected into the molten metal during the pouring of the molten metal in the feed pipe of the casting device.
- the process according to the invention reduces the dwell time of the hard materials in the molten metal before they enter the mold and increases their discharge; on the other hand, the distribution and depth of storage of the hard materials can be adjusted simply and reproducibly by the choice of the time and the duration of the injection .
- the casting process is continued continuously with pure metal melt in order to complete the cast body.
- Metal melts composed of alloyed or unalloyed steel or gray cast iron, pure non-ferrous metals such as cobalt and nickel or of a nickel or cobalt-based alloy are preferably suitable for the application of synthetic hard materials.
- carbides of the elements Mo, Nb, Ta, V, W and Zr are advantageous, in particular because of their high density and low dissolution rate. Due to the high centrifugal acceleration occurring during centrifugal casting, these are transported radially through the melt towards the mold wall and accumulate in the cast body in front of the outer processing layer.
- very hard and only slowly soluble borides, oxides and carbides of low density such as TiB2, Al2O3, TiO2, B4C, TiC
- metals and / or high density carbides such as Co, Ni, Ta, W, TaC, W2C, WC, are connected.
- the advantages achieved by the invention are, in particular, that the casting process for producing a hard material-metal composite takes place in a continuous and simple, inexpensive manner and that the distribution, composition, concentration and depth of the hard materials in the centrifugal casting body can be adjusted reproducibly.
- FIG. 1 shows the diagrammatic representation of the method according to the invention for the continuous production of a wear-resistant hard material-metal composite by centrifugal casting (here: horizontal centrifugal casting).
- the centrifugal casting mold 1 is first set into a rotational movement about its axis of symmetry by the drive rollers 2. After reaching a sufficiently high rotational speed for the uniform distribution of the molten metal in the centrifugal casting mold 1, after the usual application of a size to the mold wall (not shown in the figure), pure molten metal 3 from the ladle 4 through the casting device 5 into the cold centrifugal casting mold 1 poured. Due to the high heat dissipation caused by the cold centrifugal casting mold 1, an approx. 5 - 15 mm thick processing layer 6 solidifies immediately of the casting, the machining of this layer, the manufacturing tolerances attributable to the casting process and the mold contour can be compensated for.
- solid powdery and / or granular hard materials 9 are then passed through an opening 10 in the casting device 5 with an inert protective gas as carrier or conveying gas 8, preferably argon the vicinity of the centrifugal casting mold 1 into which the metal stream flowing through the casting device 5 is injected.
- an inert protective gas as carrier or conveying gas 8 preferably argon the vicinity of the centrifugal casting mold 1 into which the metal stream flowing through the casting device 5 is injected.
- the hard materials are metered in a simple manner by adjusting the carrier gas pressure.
- the casting process is continued by interrupting the powder supply with pure metal melt 12 until the casting is finished.
- FIG. 2 shows, by way of example, a cross section through a roller cast according to the developed method with a processing layer made of cast steel 13, a wear-resistant layer 14 made of cast steel with embedded synthetic hard materials 15 and a core made of cast steel 16.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergießen, bei dem feste pulverförmige und/oder körnige synthetische metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe während des Eingießens der Metallschmelze in eine um ihre Symmetrieachse rotierende Schleudergußkokille mit Hilfe einer Fördereinrichtung zeitweise in die in die Kokille einfließende Metallschmelze zugegeben werden.
- Es ist bekannt, rotationssymmetrische Gußkörper durch Schleudergießen herzustellen, die in unterschiedlichen Bereichen pulverförmige oder körnige Hartstoffe aufweisen können (deutsche Patentschriften Nr. 891324 und Nr. 2254705).
- Dabei ist es allerdingt nötig, entweder zunächst feste Hartstoffe in eine Metallschmelze zuzugeben und anschließend die Hartstoffe gemeinsam mit der Metallschmelze in eine Schleudergußkokille einzugießen (deutsche Patentschrift Nr. 891324) oder erst nach dem Eingießen der Metallschmelze in die Schleudergußkokille Hartstoffe auf die Innenoberfläche der Schleudergußlage aufzustreuen (deutsche Patentschrift Nr. 2254705).
- Nachteilig bei diesen Verfahrensweisen ist insbesondere, daß beim Zugeben von Hartstoffen in die mit Metallschmelze gefüllte Gießpfanne aufgrund der langen Einwirkzeit der Metallschmelze auf die Feststoffpartikel und des durch z.B. Rühren unterstützten Stofftausches ein großer Teil der Hartstoffe in Lösung geht und daher nicht als Verschleißschutz zur Wirkung kommt oder mit dem Aufstreuen der Hartstoffe auf eine teigige oder flüssige Schleudergußlage ein zusätzlicher zeitintensiver Arbeitsschritt verbunden ist.
- In Patent Abstracts of Japan, Band 6 Nr. 150 (M-148) (1028), 10. August 1982, ist ein Verfahren zum Schleudergießen einer Walze beschrieben, bei dem Hartstoffe, z.B. WC-Pulver, der Metallschmelze in einem Eingießtrichter zugegeben werden. Die Verweilzeit der Hartstoffe in der Metallschmelze ist zwar kürzer als bei den vorgenannten bekannten Verfahren, jedoch muß bezweifelt werden, daß eine gleichmäßige Verteilung der Hartstoffe in der Metallschmelze erzielt wird.
- Bei den bekannten Verfahren ist eine aufwendige Parameteroptimierung erforderlich, um die Verteilung und Tiefe der Hartstoffe in dem Gußstück reproduzierbar einstellen zu können.
- Hierdurch bedingt können insbesondere Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von großen und teuren Bauteilen, wie z.B. Walzen und Rollen, nicht sicher eingehalten werden. Daher sind die bekannten Verfahren zum Erzeugen eines Hartstoff-Metallverbundes für große Präzisionsteile nicht geeignet. Ferner können zur verschleißfesten Panzerung der der Kokillenwand zugekehrten Außenfläche von rotationssymmetrischen Gußkörpern nach dem Schleudergußverfahren nur Hartstoffe sehr hoher Dichte, wie z.B. Wolframkarbid, die infolge der beim Schleudergießen einwirkenden Zentrifugalkraft radial durch die Schmelze in Richtung Kokillenwand transportiert werden, zum Einsatz kommen.
- Demgegenüber lassen sich Hartstoffe geringer Dichte, wie z.B. B₄C, TiB₂, TiC, obwohl diese eine wesentlich höhere Härte als z.B. Wolframkarbid aufweisen, nicht zur Bewehrung der der Kokillenwand zugekehrten äußeren Oberfläche des Gußteils verwenden. Diese Hartstoffe reichern sich infolge der Strömungsbedingungen der Metallschmelze in der Schleudergußkokille bevorzugt auf der Innenseite bzw. im Kernbereich des Gußteils an und sind deshalb hinsichtlich des Verschleißschutzes der Außenfläche von gegossenen Vollkörpern ohne Wirkung.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, welches insbesondere in kostengünstiger Weise eine einfache Parametersteuerung zum reproduzierbaren Erzeugen eines Hartstoff-Metallverbundes zur Bewehrung großer rotationssymmetrischer Bauteile gegen Verschleiß auch unter Verwendung von metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen hoher Härte und niedriger Dichte ermöglicht.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zugegebenen Hartstoffe während des Eingießens der Metallschmelze im Zuführrohr der Gießvorrichtung in die Metallschmelze injiziert werden.
- Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird einerseits die Verweilzeit der Hartstoffe in der Metallschmelze vor dem Einlaufen in die Kokille verringert und ihr Ausbringen erhöht, andererseits kann die Verteilung und Einlagerungstiefe der Hartstoffe in einfacher Weise und reproduzierbar durch die Wahl des Zeitpunktes sowie der Zeitdauer der Injektion eingestellt werden.
- Da insbesondere bei großen durch Schleudergießen hergestellten Bauteilen, um die mit dem Gießvorgang und der Kokillenkontur verbundenen Fertigungstoleranzen auszugleichen, eine aufwendige Nachbearbeitung der Gußstücke erforderlich ist und diese bei hohen Hartstoffanteilen durch kostenintensives Schleifen erfolgen muß, wird zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen vor der Zugabe von festen synthetischen Hartstoffen in den in die Kokille einfließenden Metallstrom zunächst eine spanbare Bearbeitungsschicht gegossen.
- Nach dem unmittelbar erfolgenden Eingießen der mit synthetischen Hartstoffen beaufschlagten Metallschmelze in die Schleudergußkokille wird zur Fertigstellung des Gußkörpers der Gießvorgang kontinuierlich mit reiner Metallschmelze fortgesetzt.
- Zur Beaufschlagung mit synthetischen Hartstoffen eignen sich vorzugsweise Metallschmelzen, die aus legiertem oder unlegiertem Stahl- oder Grauguß, reinen Nichteisenmetallen, wie Cobalt und Nickel oder aus einer Nickel- oder Cobaltbasislegierung bestehen.
- Ferner ist die Injektion von Karbiden der Elemente Mo, Nb, Ta, V, W und Zr in die Metallschmelze, insbesondere wegen ihrer hohen Dichte und niedrigen Lösungsgeschwindigkeit, vorteilhaft. Diese werden aufgrund der beim Schleudergießen auftretenden hohen Zentrifugalbeschleunigung radial durch die Schmelze in Richtung Kokillenwand transportiert und reichern sich im Gußkörper vor der äußeren Bearbeitungsschicht an. Zur Injektion der in die Kokille einströmenden Metallschmelze können auch sehr harte und in Metallschmelzen nur langsam lösliche Boride, Oxide und Karbide geringer Dichte, wie TiB₂, Al₂O₃, TiO₂, B₄C, TiC verwendet werden, die unter Zuhilfenahme eines anorganischen oder organischen Bindemittels durch Aggromeration mit Metallen und/oder Karbiden hoher Dichte, wie Co, Ni, Ta, W, TaC, W₂C, WC, verbunden sind.
- Aufgrund der Anbindung von Hartstoffen niedriger Dichte an metallische Elemente und/oder Karbide hoher Dichte werden diese "beschwert" und lassen sich zur Bewehrung der Kokillenwand gegenüberliegenden äußeren Oberfläche des Gußkörpers verwenden. Ferner können, durch den Einsatz derartig vorbehandelter Hartstoffe, deren Einbindung im erstarrten Gußteil verbessert und verschleißfeste Hartstoff-Mischphasen während des Gießvorganges erzeugt werden.
- Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Gießprozeß zur Herstellung eines Hartstoff-Metallverbundes in kontinuierlicher und einfacher, kostengünstiger Weise erfolgt sowie die Verteilung, Zusammensetzung, Konzentration und Tiefe der Hartstoffe im Schleudergußkörper reproduzierbar eingestellt werden kann.
- Hierdurch lassen sich u.a. der Aufwand zur Fertigbearbeitung des Gußteiles erheblich reduzieren und die Eigenschaften des Hartstoff-Metallverbundes gezielt beeinflussen. Daher ist erstmals in wirtschaftlicher und reproduzierbarer Weise das Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes im Schleudergußverfahren (Vertikal- und Horizontal-Schleuderguß) zur verschleißfesten Panzerung von großen und teuren Bauteilen, wie z.B. Walzen, Rollen, möglich. Außerdem können auch sehr harte Boride, Oxide und Karbide zur Bewehrung der äußeren, der Kokillenwand zugekehrten Oberfläche des Gußkörpers zum Einsatz kommen.
- Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 die schaubildliche Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergießen (hier: Horizontal-Schleuderguß). - Die Schleudergußkokille 1 wird zunächst durch die Antriebsrollen 2 in eine Drehbewegung um ihre Symmetrieachse versetzt. Nach dem Erreichen einer für die gleichmäßige Verteilung der Metallschmelze in der Schleudergußkokille 1 ausreichend hohen Drehgeschwindigkeit wird nach dem üblichen Aufbringen einer Schlichte auf die Kokillenwand (in der Figur nicht gezeigt) reine Metallschmelze 3 aus der Gießpfanne 4 durch die Gießvorrichtung 5 in die kalte Schleudergußkokille 1 gegossen. Durch die hohe Wärmeabfuhr, bedingt durch die kalte Schleudergußkokille 1, erstarrt unmittelbar eine ca. 5 - 15 mm starke Bearbeitungsschicht 6. Nach Fertigstellung des Gußstückes kann die spanhebende Bearbeitung dieser Schicht, die auf den Gießprozeß und die Kokillenkontur zurückzuführenden Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Mit Hilfe einer Fördereinrichtung 7 (hier nach dem Prinzip einer Wirbelbett-Fördereinrichtung) werden nun mit einem inerten Schutzgas als Träger- bzw. Fördergas 8, vorzugsweise Argon, feste pulverförmige und/oder körnige Hartstoffe 9 durch eine Öffnung 10 in der Gießvorrichtung 5, in der Nähe der Schleudergußkokille 1, in den die Gießvorrichtung 5 durchfließenden Metallstrom injiziert. Die Dosierung der Hartstoffe erfolgt in einfacher Weise durch Einstellung des Trägergasdruckes. Nach Beaufschlagung der Metallschmelze mit synthetischen Hartstoffen 11 wird der Gießvorgang durch Unterbrechung der Pulverzufuhr mit reiner Metallschmelze 12 bis zur Fertigstellung des Gußteiles fortgesetzt.
- Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine nach dem entwickelten Verfahren gegossene Walze mit einer Bearbeitungsschicht aus Stahlguß 13, einer verschleißbeständigen Schicht 14 aus Stahlguß mit eingebetteten synthetischen Hartstoffen 15 und einen Kern aus Stahlguß 16.
Claims (6)
- Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergießen, bei dem feste pulverförmige und/oder körnige synthetische metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe während des Eingießens der Metallschmelze in eine um ihre Symmetrieachse rotierende Schleudergußkokille mit Hilfe einer Fördereinrichtung zeitweise in die in die Kokille einfließende Metallschmelze zugegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zugegebenen Stoffe (9) unter Verwendung eines inerten Fördergases durch eine Öffnung (10) im Zuführrohr der Gießvorrichtung (5) in die Metallschmelze (3) injiziert werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zugabe von festen synthetischen Hartstoffen (9) in die in die Kokille (1) einfließende Metallschmelze (3) zunächst eine spanbare Bearbeitungsschicht (13) gegossen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Eingießen der mit synthetischen Hartstoffen (9) beaufschlagten Metallschmelze (3) in die Schleudergußkokille (1) der Gießvorgang mit reiner Metallschmelze kontinuierlich fortgesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze (3) aus legiertem oder unlegiertem Stahl- oder Grauguß, reinen Nichteisenmetallen, wie Cobalt und Nickel, oder aus einer Nickel- oder Cobaltbasislegierung besteht,
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise zur Injektion in die Metallschmelze (3) Karbide der Elemente Mo, Nb, Ta, V, W und Zr verwendet werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Injektion der in die Kokille (1) einströmenden Metallschmelze (3) Boride, Oxide und Karbide geringer Dichte, wie TiB₂, Al₂O₃, TiO₂, B₄C, TiC, verwendet werden, die unter Zuhilfenahme eines anorganischen oder organischen Bindemittels durch Agglomeration mit Metallen und/oder Karbiden hoher Dichte, wie Co, Ni, Ta, W, TaC, W₂C, WC, verbunden sind.
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