Die Erfindung betrifft einen Metallgussformkörper mit wenigstens einem eingegossenen
Hartstoffkörper, eine Verwendung des Metallgussformkörpers und ein Verfahren für
seine Herstellung.
Für die Bearbeitung von Materialien und Werkstücken werden verschleißfeste
Bearbeitungskörper benötigt. Insbesondere für die Zerkleinerung von Materialien,
beispielsweise zum Mahlen von granulatförmigen Stoffen, werden Bearbeitungskörper,
d.h. Einwirkkörper, benötigt, die zumindest an ihrer Bearbeitungsfläche oder mehreren
Bearbeitungsflächen verschleißfest sind.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Verschleißfestigkeit von
Metallgussformkörpern, vorzugsweise von Metallgussformkörpern für die
Materialbearbeitung oder -verarbeitung, zu verbessern.
Nach der Erfindung weist ein Metallgussformkörper wenigstens eine Wirkfläche für eine
Bearbeitung oder Verarbeitung eines Materials auf, die von einem Verbundwerkstoff
gebildet wird. Wenn nachfolgend nur noch von Bearbeitung die Rede ist, soll die
Verarbeitung stets umfasst sein. Der Verbundwerkstoff weist in einer Gussmatrix aus
einem metallischen Gussmaterial wenigstens einen porösen Hartstoffkörper auf, in den
das Gussmaterial eingedrungen ist. Der wenigstens eine Hartstoffkörper ist sozusagen
mit dem Gussmaterial imprägniert. Der Hartstoffkörper weist eine höhere
Verschleißfestigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit als das Gussmaterial auf, so dass durch
den Verbund eine Wirkfläche mit einer gegenüber dem reinen Gussmaterial erhöhten
Verschleißfestigkeit erhalten wird. Der Verbundwerkstoff besitzt vorzugsweise eine
geschlossene, porenfreie Struktur.
In bevorzugten Ausführungen bildet eine verschleißfeste Eisenbasislegierung, besonders
bevorzugt verschleißfestes Gusseisen, die Matrix. Ein molybdänlegiertes und/oder
chromlegiertes Gusseisen, insbesondere hochchromlegiertes Gusseisen, stellt ein
besonders bevorzugtes Matrixmaterial dar. Als Beispiele für solches Material seien GX
300 CrNiSi 952 und GX 300 CrMoNi genannt. Ein weiteres bevorzugtes Matrixmaterial
ist beispielsweise GX 300 NiMo3Mg oder ADI (austempered ductile iron), deren Gefüge
im wesentlichen aus bainitischer bzw. accicularer Grundmasse bestehen. Gefüge mit
bainitischer bzw. accicularer Grundmasse sind Beispiele bevorzugter Gefüge. Falls die
Gussmatrix in einer Bainitstruktur oder mit Bainitstrukturanteil vorliegt, so wird der
untere Bainit mit einer Bildungstemperatur ab etwa 250 °C und bis etwa 350 °C
aufgrund seiner höheren Zähigkeit einem oberen Bainit vorgezogen, der jedoch als
Gefügestruktur nicht ausgeschlossen sein soll. Über die genannten, besonders
bevorzugten Matrixmaterialien hinaus kann jedes von Verschleißgusskörpern für die
Materialbearbeitung bekannte Gussmaterial das Matrixmaterial bilden. Das Gussmaterial
sollte allerdings eine Härte nach Vickers von wenigstens 400 HV aufweisen.
Der Metallgussformkörper wird bevorzugt für die Zerkleinerung von Materialien
verwendet und bildet dementsprechend einen Mahlkörper, Quetschkörper oder auch
Brechkörper zum Zerkleinern von granulatförmigem Aufgabegut oder auch größeren
Aufgabegütern. Verwendung finden solche Verschleißgusskörper bevorzugt in der
Nahrungsmittelindustrie, der Beschichtungsindustrie, der Zementindustrie und der
Ziegeleiindustrie, um nur Beispiele zu nennen. Insbesondere können erfindungsgemäße
Metallgussformkörper als Mahlkörper für die Kohle- und Kalkvermahlung, die
Klinkervermahlung und beispielsweise die Herstellung von Zementrohmehl verwendet
werden.
Obgleich es sich bei einem erfindungsgemäßen Metallgussformkörper besonders
bevorzugt um einen Verschleißgusskörper für die Materialbearbeitung handelt, und hier
besonders bevorzugt für die Materialzerkleinerung, betrifft die Erfindung auch einen
Hartstoff-Metallgussformkörper im Allgemeinen, dessen Matrix von einer
Eisenbasislegierung gebildet wird. Besonders bevorzugt ist das Matrixmaterial auch in
diesem Falle ein Gusseisenmaterial. So kann der Verbundwerkstoff, der nur aus der
Gussmatrix und dem eingebetteten Hartstoff besteht oder zumindest im Wesentlichen
durch diese beiden Materialien gebildet wird, beispielsweise auch vorteilhaft als
Reibkörper in Bremsen verwendet werden, beispielsweise in Radfahrzeugbremsen.
Der wenigstens eine Hartstoffkörper ist vorzugsweise ein Keramikkörper, der aus einem
Keramikmaterial aus der Gruppe der Carbide, Oxide und Nitride oder einer Kombination
von mehreren dieser Materialien besteht oder eines dieser Materialien oder eine
Kombination von mehreren dieser Materialien als wesentlichen Bestandteil enthält. Von
den genannten keramischen Materialien werden die Carbide besonders bevorzugt, wobei
es sich um ein oder mehrere Carbide eines Carbidbildners oder auch um Carbide
mehrerer Carbidbildner aus der Gruppe bestehend aus Si, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti, Zr, Ta
und Hf handeln kann und der Carbidgehalt des Keramikkörpers mindestens 20 Gew.-%
und höchstens 70 Gew.-% beträgt. Vorzugsweise beträgt der Carbidgehalt mindestens 30
Gew.-% und höchstens 60 Gew.-%. Den carbidischen Anteil bildet bevorzugt SiC allein
oder auch in Kombination mit anderen Carbiden.
Die Härte des Hartstoffkörpers ist vorzugsweise größer als die des Matrixmaterials.
Während die Vickershärte des Matrixmaterials nicht größer als etwa 800 HV ist, besitzt
der Hartstoffkörper eine Vickershärte von mindestens 1000 HV und bevorzugter von
mindestens 2000 HV. Desweiteren besitzt er vorzugsweise auch eine größere
Druckfestigkeit als das Matrixmaterial. Keramische Hartstoffkörper der genannten Art
besitzen diese Eigenschaften und weisen nicht selten eine Vickershärte von bis zu etwa
3000 HV auf.
Um ein Eindringen des Gussmaterials, und noch bevorzugterweise eine vollständige
Durchdringung des Hartstoffkörpers zu fördern, ist der Hartstoffkörper offenporig, d.h.
er weist eine offene Porosität auf. Die Porendichte des Hartstoffkörpers sollte mindestens
5 ppi (Poren pro Quadratinch), aber höchstens 100 ppi betragen. Besonders bevorzugt ist
die Porendichte mindestens 10 ppi und höchstens 50 ppi. Die Poren weisen einen
Durchmesser von vorzugsweise mindestens 20 µm und vorzugsweise höchstens 1000 µm
auf. Besonders bevorzugt ist der Durchmesser der Poren mindestens 50 µm und
höchstens 500 µm.
Ein keramischer Hartstoffkörper weist vorzugsweise eine Schaumstruktur auf. Solch ein
Keramikschaumkörper kann aus einem Keramikmaterial bestehen und eine Struktur
aufweisen, wie sie von Gießfiltern für Metallschmelzen, insbesondere von Gießfiltern für
Gusseisenmaterialien, bekannt sind. Ein Gießfilter stellt sogar unmittelbar einen
besonders bevorzugten Hartstoffkörper dar. Der Hartstoffkörper muss daher nicht erst
eigens für die Erfindung hergestellt, sondern kann vorteilhafterweise sozusagen von der
Stange bezogen werden. Eine bevorzugte Struktur ist schwammartig.
In der nachfolgenden Tabelle 1 wird ein bevorzugtes Keramikschaummaterial mit
bevorzugten Wertebereichen von Materialkennwerten angegeben, wobei besonders
bevorzugte Wertebereiche in Klammern eingetragen sind:
Schaumkeramischer Hartstoffkörper |
Porendichte | 5 - 100 ppi (10 - 50 ppi) |
Porendurchmesser | 20 - 1000 µm (50 - 500 µm) |
Oberfläche/Volumen | 0,01 - 10 m2/m3 (0,05 - 1,5 m2/m3) |
Vickershärte | 1000 - 3000 HV (> 2000 HV) |
Carbidanteil | 20 - 70 Gew.-% (30 - 60 Gew.-%) |
oxidischer Anteil (Oxide und Oxidverbindungen) | 10 - 60 Gew.-% (10 - 50 Gew.-%) |
Bindemittel (anorganisch, feuerfest) | 10 - 30 Gew.-% (10 - 30 Gew.-%) |
Der in vorstehender Tabelle angegebene oxidische Anteil setzt sich vorzugsweise aus
keramischen Oxiden und Dioxiden zusammen. Der Oxidanteil beträgt vorzugsweise
zwischen 10 und 40 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 30 Gew.-%, und der
Dioxidanteil macht vorzugsweise 2 bis 20 Gew.-% aus. In der Tabelle ist der oxidische
Anteil als Summe sämtlicher Oxidanteile angegeben. Als Oxid ist insbesondere
Aluminiumoxid Al2O3 und als Dioxid ist insbesondere Siliziumdioxid SiO2 geeignet. Der
Anteil des Oxids liegt vorzugsweise zwischen 10 und 40 Gew.-%, und der Anteil des
Dioxids liegt vorzugsweise zwischen 2 und 20 Gew.-%.
Der wenigstens eine Hartstoffkörper kann seiner Form nach an die Wirkfläche des
erfindungsgemäßen Metallgussformkörpers angepasst, sozusagen maßgeschneidert sein.
In ebenfalls bevorzugter Ausführung wird der Verbundwerkstoff mit einer Mehrzahl von
Hartstoffkörpern gebildet, die an der Wirkfläche des Metallgussformkörpers
nebeneinander, vorzugsweise so dicht als möglich nebeneinander angeordnet und in der
Gussmatrix eingebettet sind. Jeder einzelne der Mehrzahl von Hartstoffkörpern weist
vorzugsweise folgende Abmessungen auf: Die größte Länge beträgt mindestens 10 mm
und höchstens 200 mm, die größte Breite beträgt mindestens 10 mm und höchsten 100
mm und die größte Dicke beträgt mindestens 5 mm und höchstens 50 mm. Die
Hartstoffkörper können die Form von einfachen Quadern, Prismen und/oder
zylindrischen Körpern aufweisen.
Schließlich ist auch darauf hinzuweisen, dass ein erfindungsgemäßer
Metallgussformkörper nur lokal einen oder mehrere eingebettete Hartstoffkörper
aufweisen kann, insbesondere in einem Bereich, in dem ein gegenüber anderen Bereichen
erhöhter Verschleiß zu befürchten ist. Darüber hinaus kann besonders bevorzugt auch die
Verschleißfestigkeit der gesamten Wirkfläche des Metallgussformkörpers durch den
Verbund des oder der Hartstoffkörper mit der Gussmatrix verbessert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Metallgussformkörpers mit
wenigstens einer verschleißfesten Oberfläche umfasst zumindest die beiden folgenden
Schritte: Es wird wenigstens ein poröser Hartstoffkörper in einer Gussform an einer
Gussformfläche befestigt, beispielsweise mittels einem oder mehreren Formnägeln. Die
Gussformfläche, an welcher der wenigstens eine Hartstoffkörper befestigt wird, weist
vorzugsweise die Form der verschleißfesten Oberfläche des Metallgussformkörpers auf.
Falls der wenigstens eine Hartstoffkörper nur einen Bereich dieser Oberfläche mitbildet,
die betreffende Oberfläche aber über einen größeren Bereich besonders verschleißfest
sein soll, werden mehrere solcher Hartstoffkörper dicht an dicht nebeneinander an der
Gussformfläche angeordnet und befestigt. Nach der Befestigung des wenigstens einen
Hartstoffkörpers oder der mehreren Hartstoffkörper wird die Gussform mit einer
Schmelze eines im erstarrten Zustand verschleißfesten Eisenbasismaterials ausgegossen,
so dass das Gussmaterial den oder die Hartstoffkörper einbettet und in den oder die
Hartstoffkörper eindringt. Das Eisenbasismaterial ist vorzugsweise ein Gusseisenmaterial
der bereits als bevorzugt genannten Art. Der wenigstens eine Hartstoffkörper ist ein
Keramikkörper aus einem von Gießfiltern für Eisenbasislegierungen bekannten Material
und mit einer von diesen Gießfiltern bekannten Struktur. Vorzugsweise handelt es sich
um einen Keramikschaumkörper. Die in Bezug auf erfindungsgemäße
Metallgussformkörper gemachten Ausführungen über den oder die Hartstoffkörper und
das Gussmaterial gelten auch in Bezug auf das Verfahren, zumal das Verfahren
besonders bevorzugt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Verschleißgusskörpers für
die Materialbearbeitung betrifft.
Der Hartstoffkörper behält seine Struktur bei dem Gießvorgang bei, d.h. er ist bei der
Gießtemperatur strukturbeständig. Im Falle von bevorzugten Eisenbasislegierungen ist
der Hartstoffkörper bis wenigstens 1400 °C, vorzugsweise bis wenigstens 1500 °C,
strukturbeständig. Keramische Materialien weisen eine gute
Temperaturwechselbeständigkeit auf, wodurch zum einen eine gute Beständigkeit gegen
Ausbrüche bei Temperaturwechseln während des Herstellungsprozesses und zum anderen
auch eine gute Beständigkeit gegen wechselnde Temperaturen im betrieblichen Einsatz
der Metallgussformkörper gewährleistet ist. Keramische Hartstoffkörper sind darüber
hinaus mit den üblichen Gusswerkstoffen gut benetzbar, so dass die Herstellung von
Metallgussformkörpern mit wunschgemäß geschlossener, porenfreier Struktur des
Verbundwerkstoffs möglich ist. Da in einer bevorzugten Verwendung als Mahlkörper die
Wirkfläche bzw. Arbeitsfläche des Mahlkörpers in erster Linie auf Druck beansprucht
wird und die Druckfestigkeit bevorzugter Hartstoffkörper höher als diejenige des
Matrixmaterials ist, wird das Matrixmaterial durch den oder die Hartstoffkörper gegen
Abrieb und sonstige Zerstörung geschützt, so dass die Druckfestigkeit des Mahlkörpers
oder eines vergleichbar beanspruchten Metallgussformkörpers an der Wirkfläche oder
allgemeiner an der verschleißfesten Oberfläche insgesamt deutlich erhöht wird.
Gegenüber einem metallurgischen Zulegieren von Carbiden weist der erfindungsgemäß
gebildete Verbund als Vorteil auf, dass die mechanischen Eigenschaften des
Metallgussformkörpers nicht durch gewöhnlich spießige Carbide gestört werden, da
aufgrund der glattwandig porösen Struktur des Hartstoffkörpers keine innere
Kerbwirkung im erstarrten Gussmaterial, d.h. in der Werkstoffgrundstruktur, auftritt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln
und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche vorteilhaft weiter. Es
zeigen:
- Figur 1
- einen Metallgussformkörper mit eingebetteten Hartstoffkörpern in einem
Querschnitt,
- Figur 2
- eine Gießform mit darin ausgelegten Hartstoffkörpern für eine Herstellung
eines Metallguss-Probekörpers und
- Figur 3
- den gegossenen Metallguss-Probekörper.
In Figur 1 ist in einem Querschnitt ein Metallgussformkörper 1 dargestellt, der im
Ausführungsbeispiel ein Mahlplattensegment für ein Mahlwerk für die Vermahlung von
granulatförmigen Stoffen, beispielsweise Kohle, Kalk, Klinker oder Zementrohmehl, ist.
Der Metallgussformkörper 1 kann als Zylinderringsegment, wie beispielsweise der in
Figur 3 dargestellte Metallguss-Probekörper, ausgebildet sein. Auch ein Guss als voller
Zylinderring oder auch jeder anderen Mahlkörperform ist denkbar. Der Guss erfolgt
statisch unter Schwerkraft in einer Gussform mit einem Überkopfspeiser 5.
Der Metallgussformkörper 1 weist an einer Stirnfläche, die eine plane Arbeits- bzw.
Wirkfläche 2 bildet, einen Verbundwerkstoff in einer über die gesamte Wirkfläche
gleichmäßig dicken Schicht 3 von etwa 20 mm Schichtdicke auf. Der Verbundwerkstoff
dieser Schicht besteht aus einer Mehrzahl von dicht nebeneinander angeordneten
Hartstoffkörpern 7 (Fig. 2), die von dem erstarrten Gussmaterial durchdrungen sind. Das
Gussmaterial bildet eine Gussmatrix 4, in der die Hartstoffkörper 7 eingebettet sind und
im Verbund mit dem Gussmaterial die Wirkfläche 2 bilden. Um eine möglichst
vollkommene Durchdringung zu ermöglichen, weisen die Hartstoffkörper 7 eine offene
Porosität auf. Die Hartstoffkörper 7 bestehen aus einer hochtemperaturfesten
Schaumkeramik, die bei dem Gießvorgang, d.h. bei der Gießtemperatur der
Metallschmelze ihre offenporige Struktur beibehält.
Im Ausführungsbeispiel werden die Hartstoffkörper 7 durch eine Schaumkeramik
gebildet, wie sie von Gießfiltern für Eisenbasisschmelzen, vorzugsweise Gusseisen,
bekannt sind. Die in ppi (Poren pro Quadratinch) gemessene Porendichte der
Hartstoffkörper 7 wird dem Gussmaterial angepasst gewählt. Als Filter für die
betreffende Schmelze verwendbare Schaumkeramik weist von Hause aus bereits eine für
die möglichst vollkommene Durchdringung günstige Porosität auf, so dass die Anpassung
grundsätzlich keine Probleme bereitet. Da an Gießfilter wegen der bei
Filteranwendungen höheren Verstopfungsgefahr auch höhere Anforderungen an die
Durchströmbarkeit und damit die Durchdringbarkeit gestellt werden, ist die Forderung
nach vollkommener Durchdringbarkeit bei Verwendung von Gießfiltermaterialien leicht
erfüllt. Da für die Herstellung des Metallgussformkörpers 1 die Hartstoffkörper 7 nur ein
einziges Mal durchströmt, d.h. durchdrungen werden müssen, kann davon ausgegangen
werden, dass sämtliche Gießfilter, die zum Filtern von Eisenbasisschmelzen verwendet
werden, auch als Hartstoffmaterial für den Verbundwerkstoff des Metallgussformkörpers
1 geeignet sind. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Porendichte der
Hartstoffkörper 7 für den Metallgussformkörper 1 sogar größer sein kann als die
Porendichten der üblichen Gießfilter für Eisenbasisschmelzen.
Die Gussmatrix 4 wird beispielsweise von dem Werkstoff GX 300 CrNiSi 952 gebildet.
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind neben diesem Werkstoff weitere besonders
bevorzugte Werkstoffe für die Gussmatrix 4 des Ausführungsbeispiels und jeden anderen
erfindungsgemäßen Metallgussformkörper angeführt.
Gussmatrix-Werkstoffe |
Kurzzeichen | Werkstoffnummer/Handelsname DIN 1695 | Gefüge |
G-X 300 NiMo 3 Mg | 0.9610 | Bainit und/oder Martensit, Kugelgraphit, Gefüge im allgemeinen frei von Carbiden |
G-X 260 NiCr 4 2 | 0.9620 Ni-Hard 2 | Zementit in überwiegend martensitischer Grundmasse |
G-X 330 NiCr 4 2 | 0.9625 Ni-Hard 1 |
G-X 300 CrNiSi 9 5 2 | 0.9630 Ni-Hard 4 | Vorwiegend Chrom-Carbide in martensitischer Grundmasse gegebenenfalls mit Restaustenit. |
G-S 300 CrMo 15 3 | 0.9635 Legierung 15-3 | Vorwiegend Chrom-Carbide in einer Grundmasse, die je nach Zu- sammensetzung und Wärmebe- handlung überwiegend aus Perlit, Martensit oder Austenit besteht. |
G-X 300 CrMoNi 15 2 1 | 0.9640 -"- 15-2-1 |
G-X 260 CrMoNi 20 2 1 | 0.9645 -"- 20-2-1 |
G-X 260 Cr 27 | 0.9650 |
G-X 300 CrMo 27 1 | 0.9655 |
Figur 2 zeigt eine ringsegmentförmige Gießform 6 von oben, an deren Bodenfläche
nebeneinander Hartstoffkörper 7 dicht nebeneinander gelegt sind. Die Hartstoffkörper 7
werden je durch Quader mit einer Länge von 75 mm, einer Breite von 50 mm und einer
Dicke von 20 mm gebildet. Die Hartstoffkörper 7 werden in dieser Anordnung mit
Formnägeln an der Bodenfläche der Gießform 6 befestigt. Für den Abguss des
Probekörpers wurden exakt quaderförmige Hartstoffkörper 7 verwendet, wie sie
unmittelbar als Keramikschaum-Gießfilterkörper erhältlich sind. Zur vollkommen
gleichmäßigen Überdeckung der Bodenfläche der Gießform 6, und damit zur Ausbildung
einer vollkommen gleichmäßigen Verbundstruktur in der Verbundwerkstoffschicht 3
(Figur 1), können selbstverständlich auch der Form der Wirkfläche 2 des
Metallgussformkörpers 1 exakter angepasste Hartstoffkörper 7 verwendet werden.
Insbesondere kann die Verbundwerkstoffschicht 3 auch mit einem einzigen, homogenen
Hartschichtkörper gebildet werden.
Figur 3 zeigt den gegossenen Probekörper nach der Entnahme aus der Gießform 6. Der
Probekörper ist im Bereich einer Ringsegmentfläche 8 angeschliffen worden. Die von
dem Verbundwerkstoff gebildete Oberfläche des Probekörpers ließ sich extrem schwierig
schleifen. Der Abtrag lag hauptsächlich in der Schleifscheibe und nicht am
Probegusskörper. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Fertigungsmethode, d.h. einem
Metallgussformkörper nur mit der Gussmatrix 4 und ohne die Verbundwerkstoffschicht
3, konnte ein deutlicher Anstieg der Verschleißbeständigkeit der Gussoberfläche
beobachtet werden, wie dies für einen Metallgussformkörper 1 zur Materialbearbeitung
vorteilhaft ist.