EP0386556A2

EP0386556A2 - Verfahren zur Herstellung metallischer, hochverschleissbeständige Bereiche aufweisender Verbundkörper

Info

Publication number: EP0386556A2
Application number: EP90103614A
Authority: EP
Inventors: Hansgeorg Dipl.-Ing. Bremekamp; Peter Dr.-Ing. Dahlmann; Johannes Jachowski; Erich Dipl.-Ing. Mulisch; Paul Dipl.-Ing. Pant
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1989-03-04
Filing date: 1990-02-24
Publication date: 1990-09-12
Also published as: DE3907021C1; EP0386556A3

Abstract

Insbesondere auf dem Gebiet der Zerkleinerungstechnik werden Bauteile benötigt, in welchen die verschleißfeste, mit Hartstoffteilchen belegte Zone parallel zur Erstarrungsachse des herzustellenden Verbundkörpers verlaufen müßte. Zu diesem Zweck wird ein unter Anwendung des Elektroschlackeumschmelzens mit Hartstoffteilchen-Zugabe ablaufendes Herstellverfahren vorgeschlagen, bei dem während des Elektroschlackeumschmelzens die Hartstoffteilchen kontinuierlich zugeführt werden und zumindest auf einem Teil des Kokillenumfangs ein nach innen gerichtetes Magnetfeld erzeugt wird, durch welches eine Einlagerung der Hartstoffteilchen in zumindest einem Randabschnitt und über die Höhe in Kokillenlängsrichtung des sich aufbauenden Blocks hervorgerufen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer, hochverschleißbeständige Bereiche aufwelsender Verbundkörper, die aus zumindest zwei unterschiedlichen Werkstoffen mit mindestens einer daraus gebildeten Mischzone bestehen, unter Anwendung des Elektroschlackeumschmelzens, wobei in den Block, der sich währenddessen durch Aufschmelzen einer Elektrode in einer Kokille aufbaut, kontinuierlich von oben durch die Schlacke hindurch zugeführte Hartstoffteilchen zum Anlösen an den aus dem Elektrodenwerkstoff gebildeten Grundwerkstoff des Blocks eingelagert werden.
Hartstoffteilchen im Sinne der Erfindung sind dabei Hartstoffteilchen (d.h. harte Carbide, Nitride, Boride, Oxide und Silicide, insbesondere auch WC und W₂C) und/oder Hartmetallteilchen, gegebenenfalls auch aus gebrochenem Hartmetallschrott (d.h. Legierungen, die aus einem oder mehreren Hartstoffen, insbesondere Carbiden, und einem Bindemetall zusammengesetzt sind, das aus Eisen, Kobalt und/oder Nickel besteht).
Bei einem gattungsgemäßen Herstellverfahren - beschrieben in der DE-PS 34 19 406 - werden bereits die beim Elektroschlackeumschmelzen erzielbaren hohen Schmelztemperaturen, die zudem eine deutliche Verringerung der Viskosität der Schmelze zur Folge haben, dazu ausgenutzt, die verhältnismäßig rasch in der Schmelze absinkenden Hartstoffteilchen problemlos mit dem (von der aufschmelzenden Elektrode gelieferten) Grundwerkstoff zu verbinden.
Das in Rede stehende Herstellverfahren sieht allerdings nur die Einlagerung der Hartstoffteilchen senkrecht zur Erstarrungsachse des sich beim Elektroschlackeumschmelzen aufbauenden Blockes vor, und zwar wahlweise in mehreren Bereichen innerhalb des Blockes oder im gesamten umgeschmolzenen Block.
Für bestimmte Einsatzzwecke - insbesondere auf dem Gebiet der Zerkleinerungstechnik - werden für den Einbau in Verschleißeinheiten jedoch Bauteile benötigt, in welchen der möglichst verschleißfeste, mit Hartstoffteilchen versehene Bereich parallel zur Erstarrungsachse des herzustellenden Verbundkörpers verlaufen müßte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung eines Verbundkörpers mit zumindest einem parallel zur Erstarrungachse verlaufenden Bereich ermöglicht, der durch Einlagerung von Hartstoffteilchen in den Grundwerkstoff hochverschleißbeständig ist.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Grundgedanke der Erfindung besteht danach darin, während des Elektroschlackeumschmelzens zumindest auf einem Teil des Kokillenumfangs ein nach innen gerichtetes Magnetfeld zu erzeugen; dieses ruft eine Einlagerung der Hartstoffteilchen in zumindest einem Randabschnitt und über die Höhe in Kokillenlängsrichtung des sich aufbauenden Blocks hervor. Abhängig von der Stärke und vom Verlauf des Magnetfeldes lassen sich die Hartstoffteilchen in der Weise einlagern, daß in dem Block zumindest ein mehr oder weniger breiter Bereich mit den gewünschten Eigenschaften entsteht, der sich lediglich über einen Teil des Blockquerschnitts erstreckt. Das Magnetfeld sollte dabei insbesondere in dem Kokillenabschnitt zur Einwirkung kommen, in dem die Hartstoffteilchen durch die Schlackeschicht unterhalb der Elektrode hindurchtreten und sich in dem darunter befindlichen Metallsumpf einlagern. Die Anwendung eines Magnetfeldes zur Erzeugung einer Randeinlagerung von Hartstoffteilchen setzt selbstverständlich voraus, daß diese durch das Magnetfeld beeinflußbar, also ferromagnetisch sind. Gewünschtenfalls kann das Magnetfeld auch in der Weise ausgestaltet sein, daß es die Kokille vollständig umschließt und dementsprechend zur Bildung eines hochverschleißbeständigen Bereichs mit in sich geschlossenem Querschnitt führt.
Das Magnetfeld kann in einfacher Weise durch in Kokillenlängsrichtung aufeinanderfolgende, orstfest angeordnete Magnete hervorgerufen werden; diese können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als Dauermagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein.
Vorzugsweise wird das Magnetfeld während des Elektroschlackeumschmelzens in Anpassung an die Aufbaugeschwindigkeit des Blocks (d.h. in Abstimmung mit der Umschmelzgeschwindigkeit) mitbewegt (Anspruch 2). Dies hat den Vorteil, daß das Magnetfeld jeweils gerade in dem Kokillenabschnitt gezielt wirksam werden kann, in dem die Hartstoffteilchen in den Metallsumpf eindringen und zur Bildung des hochverschleißbeständigen Bereichs geeignet angeordnet werden müssen.
Die Anpassung des Magnetfelds an die Aufbaugeschwindigkeit des Blocks kann vorteilhaft auch in der Weise erfolgen, daß mehrere ortsfeste, in Kokillenlängsrichtung aufeinanderfolgende Elektromagnete der Bewegung des Metallsumpfes entsprechend zeitlich nacheinander zu - bzw. abgeschaltet werden. Die Ausbildung des hochverschleißbeständigen Bereichs in Kokillenlängsrichtung läßt sich gegebenenfalls auch dadurch beeinflussen, daß die Stärke des Magnetfeldes im Laufe des Elektroschlackeumschmelzens in einer bestimmten Weise, beispielsweise periodisch oder linear, verändert wird (Anspruch 3).
Das Verfahren der Erfindung kann in der Weise weiter ausgestaltet sein, daß das Elektroschlackeumschmelzen in einer Kokille mit endkonturnah ausgebildetem Querschnitt durchgeführt wird (Anspruch 4); eine derartige Verfahrensführung gestattet es, den der Kokille entnommenen Verbundkörper ohne weitere Bearbeitung beispielsweise in eine Verschleißeinheit einzubauen.
Eine andere Ausführungsmöglichkeit des Verfahrens besteht darin, das Elektroschlackeumschmelzen in einer Kokille mit einem geometrisch einfachen Querschnitt auszuführen und den Verbundkörper durch eine sich anschließende Warmverformung in seine Endform zu überführen (Anspruch 5). Dies setzt selbstverständlich voraus, daß der nicht mit Hartstoffteilchen belegte Bereich des Grundwerkstoffs aufgrund seiner Werkstoffeigenschaften warmverformbar ist.
Die Zugabe der Hartstoffteilchen in Anpassung an die Umschmelzgeschwindigkeit beim Elektroschlackeumschmelzen erfolgt vorzugsweise derart, daß die Masse der eingelagerten Hartstoffteilchen zwischen 20 % und 95 % der Masse des umgeschmolzenen Grundwerkstoffs ausmacht (Anspruch 6).
Die während des Elektroschlackeumschmelzens zugeführten Hartstoffteilchen sollten eine Größe zwischen 0,5 mm und 10 mm aufweisen (Anspruch 7).
Bei einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung ist zumindest einem Teil der Umfangswand der Kokille ein Magnetfelderzeuger zugeordnet. Dieser ist - entsprechend der Aufgabenstellung - in jedem Falle so ausgebildet, daß der im Randabschnitt entstehende hochverschleißbeständige Bereich sich über die gesamte Länge des Blocks in Kokillenlängsrichtung erstreckt. Ein besonders einfach aufgebauter Magnetfelderzeuger besteht aus zumindest einem Dauermagneten, der entweder ortsfest gehalten oder über einen Vorschubantrieb in Kokillenlängsrichtung hin und her verfahrbar ist.
Zur Erzeugung eines in sich geschlossenen hochverschleißbeständigen Bereichs ist der Magnetfelderzeuger in der Weise ausgestaltet, daß er die Umfangswand der Kokille - in der Draufsicht betrachtet - vollständig umschließt, also im Normalfall dem Querschnitt der Kokille angepaßt ist. Falls also die Kokille beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, besteht der Magnetfelderzeuger aus einem bezüglich der Kokille ortsfesten oder beweglichen Ringmagneten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 im Vertikalschnitt eine Kokille mit in der Draufsicht rechteckförmigem Querschnitt, in der durch Elektroschlackeumschmelzen ein Verbundkörper erzeugt wird und der auf der linken und rechten Seite jeweils ein ortsfester Magnetfelderzeuger mit in Kokillenlängsrichtung aufeinanderfolgenden Magneten zugeordnet ist,
Fig. 2 im Vertikalschnitt eine Kokille mit in der Draufsicht kreisförmigem Querschnitt zur Erzeugung eines Verbundkörpers durch Elektroschlackeumschmelzen, deren Umfangswand mit Abstand von einem höhenverfahrbaren Ringmagneten umschlossen ist,
Fig. 3 in Schrägansicht einen endkonturnah hergestellten Verbundkörper mit einem hochverschleißbeständigen Bereich,
Fig. 4 in Schrägansicht einen Verbundkörper, der mittels des anhand der Fig. 2 erläuterten Verfahrens herstellbar ist, und
Fig. 5 in Schrägansicht einen plattenförmigen Verbundkörper, der mittels des anhand der Fig. 1 erläuterten Verfahrens herstellbar ist.

Gemäß Fig. 1 findet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kokille 1 mit einem in der Draufsicht rechteckförmigen Querschnitt Verwendung; der Übersichtlichkeit halber sind lediglich die beiden Seitenflächen 1a, 1b der Kokillenumfangswand und die Bodenfläche 1c dargestellt. Die drei genannten Flächen verlaufen jeweils senkrecht zur Zeichenebene.
Durch Elektroschlackeumschmelzen baut sich in der Kokille 1 nach und nach ein Block 2 von unten nach oben auf, und zwar durch Abschmelzen einer den Grundwerkstoff liefernden Elektrode 3; diese taucht stirnseitig in eine flüssige Schlacke 4 ein und schmilzt dabei ab. Zwischen dem von der Elektrode 3 ausgehenden Tropfenstrom und der Schlacke 4 kommt es zu intensiven Reaktionen, bevor die weitgehend von unerwünschten Verunreinigungen befreiten Metalltropfen unterhalb der Schlacke 4 einen Metallsumpf 5 bilden; dessen Lage verschiebt sich mit dem fortschreitenden Aufbau des Blocks 2 nach oben.
Zur Bildung der gewünschten hochverschleißbeständigen Bereiche, werden von oben in Richtung der Pfeile 6 kontinuierlich Hartstoffteilchen 7 seitlich zugeführt, die durch die Schlacke 4 hindurch absinken und sich durch Anlösen mit dem von der Elektrode 3 gelieferten Grundwerkstoff des sich bildenden Blocks 2 verbinden.
Die Hartstoffteilchen, deren Korngröße beispielsweise zwischen 1 und 2 mm liegt, und die Elektrode 3 sind hinsichtlich ihrer Eigenschaften in der Weise aufeinander abgestimmt, daß sie im Zusammenwirken jeweils einen hochverschleißbeständigen Bereich 8 bzw. 9 bilden.
Den Seitenflächen 1a und 1b der Kokillenumfangswand ist jeweils ein Magnetfelderzeuger 10 zugeordnet, der sich jeweils aus in Kokillenlängsrichtung aufeinanderfolgenden, ortsfest gehaltenen Magneten 10a zusammensetzt.
Die während des Elektroschlackeumschmelzens seitlich von oben zugeführten Hartstoffteilchen 7 werden durch das von den beiden Magnetfelderzeugern 10 ausgehende Magnetfeld in der Weise beeinflußt, daß sie sich bevorzugt im Randabschnitt des sich aufbauenden Blocks 2, also in der Nähe der Seitenflächen 1a und 1b, in den Grundwerkstoff einlagern und dort jeweils den bereits erwähnten, hochverschleißbeständigen Bereich 8 bzw. 9 mit der Breite B bilden.
Die Magnete 10a bestehen im einfachsten Fall aus Dauermagneten; sie können jedoch auch als Elektromagnete ausgebildet sein, die sich gewünschtenfalls - in Anpassung an die Aufbaugeschwindigkeit des sich bildenden Blocks 2 - in zeitlicher Aufeinanderfolge von unten nach oben zu- bzw. abschalten lassen.
Die Einlagerung der Hartstoffteilchen im Endbereich der Kokille 1 läßt sich erforderlichenfalls dadurch günstig beeinflussen, daß die beiden Magnetfelderzeuger 10 im Anfangs- und Endbereich der Seitenflächen 1a und 1b abgewinkelt sind, d.h. insgesamt (in der Draufsicht gesehen) U-förmig mit kurzgehaltenen Schenkeln ausgebildet sind.
Der nach Abschluß des Elektroschlackeumschmelzens vorliegende Verbundkörper weist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform drei Bereiche auf, die jeweils in Längsrichtung der Kokille bzw. parallel zur Erstarrungsachse des Blocks 2 ausgerichtet sind, nämlich den linken und rechten hochverschleißbeständigen Bereich 8 bzw. 9 mit der Breite B und den dazwischenliegenden Mittelbereich, der lediglich aus dem Grundwerkstoff der Elektrode 3 besteht.
Durch den Einsatz der beiden Magnetfelderzeuger 10 kann also die Art und Weise der Einlagerung der Hartstoffteilchen 7 in den Grundwerkstoff gezielt beeinflußt bzw. unterstützt werden. Insbesondere ist es auch möglich, den Magnetfelderzeuger 10 in der Weise auszubilden, daß das von ihm ausgehende, ins Kokilleninnere gerichtete Magnetfeld abschnittweise in unterschiedlichem Ausmaß wirksam ist; auf diese Weise läßt sich beispielsweise die Stärke der hochverschleißbeständigen Bereiche 8 und 9 - über die Breite der Kokille 1 quer zur Zeichenebene gesehen - variieren.
Die in Fig. 2 dargestellte Kokille weist einen in der Draufsicht kreisförmigen Querschnitt, also eine dementsprechend durchlaufend gekrümmte Umfangswand 1d auf. Diese ist mit Abstand von einem Magnetfelderzeuger 10 umschlossen, der als Ringmagnet ausgebildet und in Längsrichtung der Kokille höhenverfahrbar ist.
Die während des Elektroschlackeumschmelzens der Aufbaugeschwindigkeit des Blocks 2 angepaßte Bewegung des Ringmagneten ist durch Pfeile 11 angedeutet.
Der Ringmagnet wird vorzugsweise in der Weise mitbewegt, daß das von ihm ausgehende ins Kokilleninnere gerichtete Magnetfeld jeweils gezielt an der Stelle wirksam wird, an welcher die während des Elektroschlackeumschmelzens kontinuierlich zugeführten Hartstoffteilchen 7 in den Metallsumpf 5 eintreten und dort durch Anschmelzen mit dem Grundwerkstoff verbunden werden.
Der nach Abschluß des Elektroschlackeumschmelzens vorliegende Verbundkörper weist die Gestalt eines Zylinders auf, dessen in Umfangsrichtung verlaufender Randabschnitt als umlaufender, hochverschleißbeständiger Bereich 12 mit der Tiefe T ausgebildet ist.
Abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Verbundkörpers kann das Verfahren auch in der Weise vorteilhaft ausgeführt werden, daß der zum Einsatz kommende Magnetfelderzeuger als Elektromagnet ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt und dadurch eine unterschiedlich ausgebildete Randeinlagerung der Hartstoffteilchen in den Grundwerkstoff bewirkt.
Der Magnetfelderzeuger kann stattdessen oder zusätzlich in einzelne Umfangsabschnitte unterteilt sein, die es gestatten, das Magnetfeld abschnittweise unterschiedlich auszubilden bzw. zeitlich zu variieren.
Der in Fig. 3 dargestellte, mittels des Verfahrens herstellbare Verbundkörper 13 weist bereits seine Endkontur auf und kann ohne weitere Bearbeitung beispielsweise in eine Verschleißeinheit eingearbeitet werden.
Der Verbundkörper kann dabei in der Weise hergestellt werden, wie Sie anhand der Fig. 1 erläutert worden ist, d.h. durch Einsatz einer Kokille 1 mit entsprechend geformtem Querschnitt läßt sich der hochverschleißbeständige Bereich 13a dadurch erzeugen, daß lediglich eine Seitenfläche der Kokille - beispielsweise die Seitenfläche 1a in Fig. 1 - mit einem Magnetfelderzeuger ausgestattet ist.
Der in Rede stehende Verbundkörper weist also zwei Abschnitte auf, nämlich den Bereich 13a und den Restbereich, der lediglich aus dem Grundwerkstoff der beim Elektroschlackeumschmelzen aufgeschmolzenen Elektrode besteht.
Fig. 4 zeigt einen zylinder- oder walzenförmigen Verbundkörper 14, der sich anhand des Verfahrens gemäß Fig. 2 herstellen läßt. Der zylinderförmige Randabschnitt des Verbundkörpers wird von dem mit Hartstoffteilchen angereicherten Bereich 12 (vergl. dazu Fig. 2) gebildet; der Kernabschnitt 12a des Verbundkörpers besteht lediglich aus dem von der Elektrode gelieferten Grundwerkstoff.
Das Herstellverfahren kann bei entsprechender Ausbildung der Kokille 1 (vergl. dazu insbesondere Fig. 1), unter Verwendung geeignet angeordneter Magnetfelderzeuger, auch in der Weise ausgeführt werden, daß der durch Elektroschlackeumschmelzen erzeugte Verbundkörper die Gestalt der in Fig. 5 dargestellten Platte 15 aufweist und mit zwei hochverschleißbeständigen Bereichen 15a bzw. 15b ausgestattet ist, die in Längsrichtung der Platte verlaufend deren Ober- bzw. Unterseite begrenzen. Der Mittelbereich 15c der Platte kann, bei entsprechender Auswahl des Grundwerkstoffs, als welche Zwischenlage ausgebildet sein; diese gestattet es, den plattenförmigen Verbundkörper 15 durch eine Warmverformung in seine Endform zu überführen.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß sich durch Elektroschlackeumschmelzen unter Einwirkung zumindest eines Magnetfeldes Verbundkörper mit zumindest einem hochverschleißbeständigen Bereich herstellen lassen, der parallel zur Erstarrungsachse des Elektroschlackeumschmelz-Blocks verläuft. Durch geeignete Gestaltung des Querschnitts der Kokille kann erforderlichenfalls sichergestellt werden, daß der hergestellte Verbundkörper endkonturnah ausgebildet ist, also keiner Nachbearbeitung bzw. Nachbehandlung mehr bedarf.
Die Erzeugung zumindest eines geeigneten Magnetfeldes gestattet es nicht nur, die Einlagerung der Hartstoffteilchen in den Grundwerkstoff zu optimieren; vielmehr kann dadurch der Querschnitt und Verlauf des mit Hartstoffteilchen angereicherten Bereichs in weitem Umfang variiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung metallischer, hochverschleißbeständige Bereiche aufweisende Verbundkörper, die aus zumindest zwei unterschiedlichen Werkstoffen mit mindestens einer daraus gebildeten Mischzone bestehen, unter Anwendung des Elektroschlackeumschmelzens, wobei in den Block, der sich währenddessen durch Aufschmelzen einer Elektrode in einer Kokille aufbaut, kontinuierlich von oben durch die Schlackeschicht hindurch zugeführte Hartstoffteilchen zum Anlösen an den aus dem Elektrodenwerkstoff gebildeten Grundwerkstoff des Blocks eingelagert werden, dadurch gekennzeichnet, daß während des Elektroschlackeumschmelzens zumindest auf einem Teil des Kokillenumfangs ein nach innen gerichtetes Magnetfeld erzeugt wird, durch welches eine Einlagerung der Hartstoffteilchen in zumindest einem Randabschnitt und über die Höhe in Kokillenlängsrichtung des sich aufbauenden Blocks hervorgerufen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld während des Elektroschlackeumschmelzens in Anpassung an die Aufbaugeschwindigkeit des Blocks mitbewegt wird.

3. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld während des Elektroschlackeumschmelzens hinsichtlich seiner Stärke verändert wird.

4. Verfahren nach zumindest einem den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroschlackeumschmelzen in einer Kokille mit endkonturnah ausgebildetem Querschnitt durchgeführt wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektroschlackeumschmelzen in einer Kokille mit einem geometrisch einfachen Querschnitt ausgeführt und der Verbundkörper durch eine sich anschließende Warmverformung in seine Endform überführt wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der Hartstoffteilchen in Anpassung an die Umschmelzgeschwindigkeit beim Elektroschlackeumschmelzen derart erfolgt, daß die Masse der eingelagerten Hartstoffteilchen zwischen 20 % und 95 % der Masse des umgeschmolzenen Grundwerkstoffs ausmacht.

7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Elektroschlackeumschmelzens zugeführten Hartstoffteilchen eine Korngröße zwischen 0,5 mm und 10 mm aufweisen.