NO159147B - Fremgangsmaate ved fremstilling av seigt sliteresistent formlegeme. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåte ved fremstilling av seigt sliteresistent formlegeme. Disse form-legemer kan særlig anvendes ved fremstilling av jordbe-arbeidingsmaterialer og perietreringsresistente sikkerhets-anordninger.

For jordbearbeidingsutstyr er den nyttige levetid av tennene som kommer i kontakt med formasjonen som bearbeides viktig, med hensyn til den økonomiske suksess av arbeidet som ut-føres.

Levetiden for disse tenner påvirkes av omgivelsene hvor de anvendes. Typiske betingelser som kan påtreffes er slipe-slitasje, støtbelastning, temperaturvariasjoner, vibrasjon og korrosjon ved tennenes overflate og alle disse faktorer har tendens til å nedsette den nyttige levetid for tannen eller verktøyet. De høye omkostninger mht stopptid og verk-tøyomkostninger ved erstatning av utslitt eller ødelagt verktøy har ført til utvikling av et antall forskjellige verktøyer konstruert til å gi forbedring med hensyn til deres nyttige levetid.

I visse tilfeller har disse forbedrede verktøykonstruksjoner innbefattet innbakning av karbid i verktøyets arbeids-overflate ved hjelp av støpeprosesser slik som angitt i US patentene nr. 4.024.902 og 4.140.170.

Disse støpeteknikker byr på problemer når det er ønsket å produsere støpte gjenstander med relativt tynne tverrsnitt eller når det er ønsket å plassere karbidpartikler på overflaten av et vertikalt utstikkende vedheng, så vel som på en horisontal del av støpen.

For å minimalisere oppløsning av karbidpartiklene under støping med derav følgende sprø etafase (M5C eller M-j^C karbidinnholdende wolfram og jern) dannet ved karbid-stålgrenseflaten bør de anvendte karbidartikler typisk ha en størrelse på minst 3 mm. Forøkning av partikkelstørrelsen reduserer karbid-stålgrenseflateområdet. Imidlertid for tynne støpeseksjoner med en tykkelse litt større enn karbid-størrelsen kan karbidene virke i forbindelse med støpen, og forårsake en for rask og omfattende avkjølning av det smeltede metall som strømmer mellom karbidpartiklene, og dermed forårsake ufullstendig utfylling av slike tynne seksjoner.

Det er også upraktisk å holde store sementerte karbidpartikler jevnt dispergert langs en vertikal seksjon av en støp uten å fylle opp seksjonen med karbid fra bunnen og opp, slik at karbidpartiklene holdes i posisjon under støpning. Dette kan føre til de ovenfor nevnte hulrom og/eller ufullstendig fylling som følge av for rask av-kjølning av smeiten.

I henhold til australsk patent nr. ATJ-B1-31362/77, forsøker man å unngå de ovenfor nevnte støpeproblemer ved å male et varmebearbeidbart lavlegert stålpulver sammen med et wolfram karbidpulver eller wolfram molybdæn fast oppløsning karbidpulver og deretter presse og sintre den resulterende blanding til et kompositt med full densitet. Lavlegert stål blir deretter støpt rundt den sintrede stål-karbidkompositt til å gi den ferdige bestanddel. I henhold til det nevnte patent så er dette begrenset til anvendelse av stålpulveret med lavt krominnhold.

I henhold til foreliggende oppfinnelse beskrives en fremgangsmåte ved fremstilling av et seigt, sliteresistent formlegeme med en sintret, penetreringsresistent del som utviser hardmetallpartikler som er bundet til en matrise av rustfritt stål og som i det vesentlige er anordnet innenfor denne matrise hvorved den penetreringsresistente del i det minste delvis er nedsatt i en annen matrise av støpestål og er bundet til denne ved å kompaktere en blanding av hardmetallpartiklene og et sinterstålpulver av rustfritt stål til et presslegeme, å sintre presslegeraet og å støpe en stålsmelte om presslegemet, som er kjennetegnet ved at 30 til 80 vekt# hardmetallpartikler av wolframkarbid og kobolt og/eller nikkel som bindemiddel med en partikkelstørrelse på mellom 1,68 og 3,3 mm blandes med 20 til 70 vekt% av pulverformig rustfritt stål, og at pulverblandingen kompakteres ved et trykk på mer enn 68,9 x lO^Pa og sintres ved en temperatur på mellom 1038° og 1232°C i 20 til 90 minutter.

Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse å minimalisere de sprø faser som dannes ved støpning av smeltede metaller rundt karbider. Det er også en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et produkt med utmerket slite-, korrosjons- og boreresistente egenskaper, såvel som en god seighet. En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte med hvilken jordbear-beidingsverktøy eller penetreringsresistente sikkerhet-sanordninger kan fremstilles.

Den eksakte natur av foreliggende oppfinnelse vil fremkomme klarere under henvisning til den etterfølgende beskrivelse og under henvisning til de vedlagte tegninger, hvor

fig. 1 viser et isometrisk bilde av en støpt låseboks fremstilt i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser et tverrsnitt av utførelsesformen vist i fig. 1 sett langs pilene II - II. Fig. 3 viser et tverrsnitt gjennom et støpehulrom anvendt ved å fremstille utførelsesformen ifølge fig. 1. Fig. 4 viser et tverrsnitt gjennom en utførelsesform av en gravetann fremstilt i henhold til oppfinnelsen.

Det er funnet at sintrede kompositter inneholdende cementerte karbidpartikler innen det mest foretrukne størrelses-område på 1,68 til 3,3 mm er resistente mot penetrering ved boring.

Ytterligere forbedringer i sliteresistensen og borepenetre-ringsresistensen kan oppnås ved å anvende karbidpartikler med en bimodal størrelsesfordeling. I denne utførelsesform av oppfinnelsen velges størrelsen av de mindre karbidpartikler slik at de passer inn i hulrommene dannet mellom større karbidpartikler for derved å forøke sliteresistensen.

Den sementerte karbid kan ha et metallmindemiddel så som kobolt og/eller nikkel. Knust og siktet skrapsementkarbid er også funnet nyttig ved foreliggende fremgangsmåte.

Stålpulveret som anvendes ved foreliggende oppfinnelse er austenitiske rustfritt stål på grunn av deres høye slite- og støtresistens fra romtemperatur ned til kryogene tempera-turer. Av de austenitiske rustfrie stål er AISI typene 301, 302, 304 og 304L gradene fortrukket på grunn av deres høye arbeidsherdingshastigheter.

I tillegg til karbid- og stålpulveret i satsen, kan også organiske bindemidler være tilsatt for å forhindre segre-gering og for å gi en jevn fordeling av karbidene under blandingen og for bibeholdelse av den jevne blanding etter blandingsoperasj onen.

Etter blanding blir pulverblandingen ved uniaksiell pressing i en dyse eller ved isostatisk pressing i en forformet form, fortrinnsvis ved ca. 241,3 x lO^Pa, men ikke ved et trykk mindre enn 68,9 x 10<6>Pa.

Etter kompaktering blir den kompakterte bestanddel sintret ved en temperatur som fortrinnsvis er mindre enn smelte-punktet for stålet, og fortrinnsvis i området 1038° til 1232°C i 20 - 90 min. for derved å unngå dannelse av etafaser ved grenseflaten mellom den sementerte karbid og stålet, men likevel tilveiebringe en sterk metallurgisk

binding mellom det sementerte karbid og stålet.

I de fleste tilfeller vil bindingen mellom stål og sementert karbid innta formen av et legert lag av den sementerte karbidstål grenseflate. Dette lag utgjøres hovedsakelig av kobolt og jern, og er typisk mindre enn 40 pm tykk. Dette bånd eller binding er viktig for å sikre retensjon av grovere sementerte karbidpartikler inne i stålmatrisen.

Det er funnet at i de sintrede kompositter hvor i anvendes austenitiske rustfrie stålpulvere generelt utviser en sammenhengende mikroporøsitet og har et stålbindemiddels-tetthet på mindre enn 90$ av den teoretiske og mere typiske 75 - 85$ av den teoretiske. For å forøke densiteten av kom-paktene, kan anvendes varm isostatisk pressing, infiltrering eller forøket kompakteringstrykk. Disse prosesser vil også resultere i forbedret karbidretensjon i kompositten. Infiltreringsmidlet som anvendes kan bruke hvilken som helst av de kobberbaserte eller sølvbaserte slagloddematerialer som fukter både rustfritt stål og karbid.

Det sintrede kompakterte legeme blir deretter plassert i en form, og smeltet metall helles rundt dette for å gi en støpe. Den anvendte støpemetode kan være av en hvilken som helst type. Imidlertid foretrekkes støpemetoden beskrevet i US patent nr. 4.024.902. For oppvarming av det kompakterte legeme kan anvendes før ihelling av det smeltede metall i formen.

Det smeltede metall kan være en jern- eller ikke-jernbasert legering og er fortrinnsvis stål. Den anvendte ståltype behøver ikke være identisk med den som inneholdes i det kompakterte legeme. Når støt-, styrke- og korrosjonsegen-skaper er viktige, er støpestålet fortrinnsvis et austenitisk rustfritt stål. Lavlegerte og austenitiske manganstål kan anvendes.

Støpestålet danner en metallurgisk binding med stålbinde-midlet i det kompakterte legeme med en minimal reaksjon med de sementerte karbider. Dannelse av etafase på overflate-arealet av karbidene som kommer i kontakt med det smeltede stålet blir således minimalisert.

Anvendelse av sementerte karbidstålkompositter tillater også at karbidene bindes over et vidt konsentrasjonsområde, posisjoner og orientering både på overflaten og under overflaten av støpen.

Oppfinnelsen vil fremgå klarere av de etterfølgende eksempler.

EKSEMPLER

Eksempel 1

Et antall slite- og støtresistente gravetenner 1 (se flg. 4) med kompositter 3 ble fremstilt. En jevn blanding bestående av 60 vektsé 1,68 - 3,3 mm kobolt-sementerte wolfram karbid-granuler og 40 vektÆ - < 0,149 mm atomisert 304L austenitisk rustfritt stålpulver (fremstilt av Hoeganaes Corporation of New Jersey) ble fremstilt ved tørrblanding med 1,25 vekt% parafin og 0,75 vekt£ etylcellulose. Blandingen ble manuelt kompaktert i et støpehulrom av elastomert polyuretan med den ønskede kompaktform (25 mm lang x 19 mm bred x 6 mm tykk) dimensjonert for kald isostatisk pulverkompaktering pluss 1% krympning ved sintring. Etter isostatisk kompaktering ved 241,3 x lO^Pa ble det kompakterte forformede legeme fjernet fra støpe-formen og vakuumsintret ved 1150°C i 60 min. De sintrede legemer ble deretter plassert i en sandform som hadde 8 fordypninger dannet til å gi den ønskede gravetannform. Bestanddelene til å gi et AISI 4340 lavlegert stål ble smeltet i en induksjonsovn, de kompakterte legemer forvarmet og stålet støpt i formen ved 1675" - 1732°C til å gi grave-tannen vist i fig. 4 i hvilken 4340 stålet 5 er bundet til to i vinkel til hverandre dannede flater av det kompakterte legeme 3.

Metallurgisk undersøkelse viste at den rustfrie stålmatrise inneholdt en austenitisk struktur med noen intergranulære kromkarbider betegnet som sensitisering, hvilket er typisk for langsomt avkjølte austenitisk rustfritt stål etter sintring. Sensitisering kan elimineres ved en etterfølgende oppløsningsvarmebehandling. Med grenseflatene mellom sementert karbid-rustfrie stålmatrise inneholdt en kontinuerlig bindesone med en tykkelse på ca. 15 pm av en legering i det vesentlige bestående av jern og kobolt. De dispergerte sementerte karbidpartikler synes frie for termisk sprekking og mer enn minimal mengde oppløsning, smelting eller degradering av den dispergerte karbidfase eller nær de indre grenseflater. Det kunne observeres en viss smeltning eller blanding av rustfritt stål og en viss degradering av karbidene hvor det smeltede metall var kommet i kontakt med karbidene på overflaten av kompositten. Imidlertid under komposittens overflate var de indre grenseflater generelt skarpe bortsett fra den ovenfor nevnte jern-kobolt leger-ingsdiffusjonssone. Ingen potensielt skadelige konsentra-sjoner av etafaser ble observert.

Prøvestykket ble gjentatte ganger (fem og seks ganger) slått mot en kule-"peen"-hammer ved romtemperatur og ved tempera-turer for flytende nitrogen (-195°C) og ble funnet å ha god støtresistens med lite tegn på sprøhetsstrekning. Det bør bemerkes at med en noe høyere vektprosentandel av sementerte karbider i kompositten kan støtmotstandsevnen nedsettes noe, mens motstandsevnen mot slitasje og borepenetrering vil forøkes.

Mikrohårdhetsmålinger av en seksjon av den støpte gravetann viste midlere hårdheter (fordypninger) på hhv. 75 R"C" , 29 R"C" og 38 R"C" innen en tverrlinje av den sementerte karbid, del 304L rustfrie stål og 4340 stål (3,2 mm fra de rustfrie stålgrenseflater).

Eksempel 2

En boreresistent låseboks 10 vist i fig. 1, ble fremstilt ved å støpe smeltet 4340 lavlegert stål rundt sintrede 304L rustfrie stål-karbid plater (100 mm lange x 64 mm brede x 3-4,7 mm tykke) og plater (82 mm lange x 64 mm brede x 3-4,7 mm tykke). Posisjonen for hver av de sintrede plater 12 er vist med stiplede linjer. Platene ble fremstilt ved jevnt å blande en blanding av 50 vekt# 1,68 - 3,3 mm kobolt sementerte wolfram karbidbiter, 50 vekt56 < 0,149 mm AISI 304L rustfritt stålpulver og 10,0 vekt£ bindemidler (Chloruthene NU og 0,75 etylcellulose).

Matrisen av rustfritt stålpulver inneholdende den dispergerte hård-karbidfase ble plassert i en polyuretan-

form tilpasset platedimensjonene. Formen ble deretter forseglet, plassert i en gummipose som ble evakuert og forseglet og deretter presset isostatisk ved 241,3 x lO^Pa. Den kompakte flate ble etterat den var fjernet fra gummi-posen og formen sintret I en vakuumovn ved 1150°C i 60 min.

De boreresistente plater ble deretter plassert i front, bak og sidene av låsbokshulrommet i formen.

Fig. 3 viser et snitt gjennom en sandform 30 med et hulrom dannet mellom overkassen 32 og underkassen 34. De sintrede plater 12 er vist holdt i stilling I sidevegghulrommene ved hjelp av spikre 36 og 40 som er innbakt i underkassedelen av støpeformen 30. Sementerte karbidpartikler 42 er lagt på bunnoverflaten av hulrommet. Før påsetting av overkassen 32 på underkassen 34 ble de sementerte karbidpartikler 42 og platene 12 forvarmet. Overkassen 32 ble deretter lagt på underkassen 34 og smeltet 4340 lavlegert stål ble hellet i formens hulrom.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse ved denne sikkerhets-utførelse er å tilveiebringe en låsboks med 3 mm tykke sintrede rustfrie stål-sementerte karbldplater innelukket I stål for beskyttelse mot borepenetrering.

Det er en ytterligere hensikt og nytt trekk ved foreliggende oppfinnelse at når det fremstilles en låsboks at platen eller platene vil bibeholde sin form og at karbidpartiklene forblir jevn dispergert i platene når smeltet stål støpes rundt dem for å gjenfylle resten av vegghulrommene for låseboksen. Etter ødeleggelse av to betong 3 mm borehoder var frontseksjonen 14 av låseboksen 10 vist i fig. 1 ikke gj ennomtrengt.

Et snitt tatt langs låseboksen inneholdende den karbid-rustfrie stålplate er vist i fig. 2. Det var liten smeltning av det rustfrie stål når den smeltede stållegering ble støpt rundt den sintrede rustfrie stål/karbidplate og karbiden forblir jevnt dispergert i platen 12. Det var svært liten karbidnedbrytning og et minimum av sprø fase ved grenseflatene mellom karbid og 4340 stålet. En metallurgisk binding ble dannet mellom den austenitiske struktur i det rustfrie stål og 4340 støpestålstrukturen. Karbidpartiklene 42 I bunnen av veggen 20 i boksen kan erstattes med plate identiske eller tilsvarende vist i sideveggene 22.

Eksempel 3

Bore- og støtresistente 4 mm tykke plater ble fremstilt.

15 plater besto av en jevnt blandet blanding av 60 vektsk 2,4 - 3,2 mm koboltsementerte wolframkarbidspon, 40 vekt#

< 0,149 mm 304L rustfritt stålpulver, 2 vekt#

"Chloruthene NU", 1 vekt& etylcellulose og 0,25 vekt£ armidovoks. En annen gruppe av 15 plater ble fremstilt med 70 vekt$ (2,4 - 3,2 mm) cementerte karbidspon og 30 vekt#

(< 0.149 mm) 304L rustfritt stålpulver ble tilsvarende blandet. Armidvoksen og etylcellulosen ble tilsatt pulverblandingen under blanding som pressesmøremiddel for å forhindre segresjon av karbidpartiklene under blanding og ved fylling av formen. Deretter ble matrisepulverblandingen inneholdende den dispergerte harde karbidfase pakket i en forform fremstilt av polyuretan. Den pakkede form med et egnet dekkende deksel ble deretter forseglet og plassert i en gummipose eller ballong som ble evakuert, forseglet og presset isostatisk ved ca. 241,3 x lO^Pa. Platene ble deretter sintret i en vakuumovn i 1150"C i 60 min. Disse plater kan nu innarbeides i en støp under anvendelse av de tidligere beskrevne støpeteknikker eller ved hvilken som helst annen kjent støpemetode.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av et seigt, sliteresistent formlegeme med en sintret, penetreringsresistent del som utviser hardmetallpartikler som er bundet til en matrise av rustfritt stål og som i det vesentlige er anordnet innenfor denne matrise , hvorved den penetreringsresistente del i det minste delvis er nedsatt i en annen matrise av støpestål og er bundet til denne, ved å kompaktere en blanding av hardmetallpartiklene og et sinterstålpulver av rustfritt stål til et presslegeme, å sintre presslegemet og å støpe en stålsmelte om presslegemet, karakterisert ved at 30 til 80 vekt# hardmetallpartikler av wolframkarbid og kobolt og/eller nikkel som bindemiddel med en partikkelstørrelse på mellom 1,68 og 3,3 mm blandes med 20 til 70 vekt# av pulverformig rustfritt stål, og at pulverblandingen kompakteres ved et trykk på mer enn 68,9 x lO^Pa og sintres ved en temperatur på mellom 1038" og 1232'C i 20 til 90 minutter.