SE454058B - Seg, notningsbestendig formkropp samt sett att framstella densamma - Google Patents

Description

454 058 2 spröda n-fasen (M6C- eller Ml2C-karbider, som innehåller volfram och järn), bör de utnyttjade karbidpartiklarna i typiska fall ha en storlek av minst 3,2 mm. En ökning -av partikelstorleken minskar arean hos gränsytan mellan karbid och stàl. I ett gjutstyckes tunna sektioner, som har en tjocklek av endast något mera än karbidkorn- storleken, kan karbiderna tillsammans med gjutformen orsaka en snabb och omfattande kyla av den smälta me- tall, som strömmar mellan karbidpartiklarna, vilket följaktligen kan orsaka en ofullständig utfyllnad i dessa tunna sektioner.

Det är också opraktiskt att hålla stora karbidpar- tiklar likformigt fördelade längs en vertikal sektion av ett gjutstycke utan att denna sektion fylles med karbid från bottnen och upp, så att karbiden hálles i läge under gjutningen. Detta kan leda till de ovannämn- da mistorna och/eller en ofullständig utfyllnad till följd av överdriven kylning av smältan.

Den australiska patentskriften AU-Bl-31362/77 försö- ker undvika de ovannämnda gjutproblemen genom att samman- mala eller -blanda ett värmebehandlingsbart, láglege- rat stàlpulver och ett pulver, som består av volframkar- bid eller en fast lösning av volframkarbid och molybden- karbid, varpå den resulterande blandningen pressas och sintras till väsentligen full kompaktdensitet. Làglege- rat stål gjutes sedan runt den sintrade hàrdmetallpress- kroppen för att bilda en färdig komponent. Detta austra- liska patent begränsar emellertid det använda stálpulv- ret till ett pulver av stål med låg kromhalt.

Föreliggande uppfinning åstadkommer en seg, nöt- ningshärdig kropp, i vilken karbidpartiklar med en större kornstorlek än 400 mesh är inbäddade väsentligen i en första metallisk grundmassa. Den ovannämnda komposi- ten av karbidpartiklar och en första metallgrundmassa är sedan bunden medelst en andra metallgrundmassa. Före- trädesvis är de utnyttjade karbidpartiklarna hàrdmetall- partiklar, företrädesvis hàrdmetallpartiklar, som inne- 454 058 3 håller volframkarbid. Karbidpartiklarna utgör företrä- desvis 30-80 vikt% av kompositen och har en kornstor- lek över 40 mesh.

Kompositen av karbidpartiklar och den första metal- liska grundmassan är företrädesvis i huvudsak omgiven av den andra metalliska grundmassan.

Den första metalliska grundmassan består företrädes- vis av stål, helst rostfritt stål, och ännu hellre av ett austenitiskt rostfritt stål.

Den andra metalliska grundmassan består företrädes- vis av stål, företrädesvis ett låglegerat stål eller austenitiskt stål och allra helst av ett austenitiskt rostfritt stål.

Det föredrages också att de använda hårdmetallpar- tiklarna innehåller huvudsakligen volframkarbid och ett bindemedel, som valts ur kobolt, nickel, deras lege- ringar med varandra och deras legeringar med andra metal- ler.

Det har också visat sig, att när den första metal- liska grundmassan är ett austenitiskt rostfritt stål, kan den första grundmassan ha en densitet av under 90% eller så låg som 75-85%, beräknat på kompaktdensiteten.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommes också ett förfarande, vid vilket karbidpartiklarna blandas med ett pulver av den första metalliska grundmassan, varpå denna blandning pressas isostatiskt och sintras.

En andra metallisk grundmassa eller smält metall bindes sedan vid nämnda presskropp. Den smälta metallen kan gjutas i huvudsak runt presskroppen, eller beroende pà användningsändamålet, på ett sådant sätt att man erhåller en nötningsbeständig yta, varvid den smälta me- tallen inte behöver fullständigt inkorporera kompositen.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att minska mängden spröda faser, som alstras vid gjut- ning av smält metall runt karbider.

Ett annat ändamål med uppfinningen är därför att åstadkomma en produkt, som har utmärkt nötning, korro- 454 D58 4 sion och borrhärdighet samt även har god seghet. Ännu ett ändamâl med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande, genom vilket man kan framställa ett mark- eller bergbearbetningsverktyg eller en penetra- tionsmotståndskraftig säkerhetsanordning.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas under hänvisning till de bifogade ritningarna. Pig 1 visar en isometrisk vy över en gjuten làskista enligt föreliggande uppfinning. Fig 2 visar en tvärsektion längs linjen II-II i fig 2. Fig 3 visar en tvärsektion genom en formhålighet, som utnyttjas vid framställning av den i fig l visade utföringsformen av uppfinningen.

Fig 4 visar en tvärsektion genom en utföringsform av en grävverktygstand enligt föreliggande uppfinning.

Enligt föreliggande uppfinning blandas 30-80 vikt% karbidpartiklar med 70-20 vikt% stàlpulver för att bilda en väsentligen likformig blandning av karbid och stål.

De utnyttjade karbidpartiklarna är företrädesvis på volframkarbid grundade hårdmetallpartiklar med en storlek av 400 mesh eller företrädesvis över 40 mesh. Företrä- desvis bör dessa hârdmetallpartiklar ha en storlek av -6+l2 mesh (US standardsiktserie) eller mellan 0,13 och 0,066 tum (1,7-3,3 mm).

Det har visat sig, att sintrade kompositer, som innehåller hàrdmetallpartiklar inom detta mest föredrag- na storleksområde, är motståndskraftiga mot penetration av borrar.

Ytterligare förbättringar av nötningshärdigheten och borrpenetrationsmotgtåndsförmágan kan uppnås om man utnyttjar karbidpartiklar med en bimodal kornstor- leksfördelning. Vid denna utföringsform av uppfinningen väljes storleken hos de mindre karbidpartiklarna på ett sådant sätt, att de passar i mellanrummen mellan de större karbidpartiklarna, varigenom en ytterligare ökning av nötningståligheten uppnås.

Den bundna karbiden eller hàrdmetallen kan ha ett lO 454 058 metalliskt bindemedel, som valts bland kobolt, nickel eller Co-Ni-legeringar. Förutom volframkarbid kan härd- metallen innehålla mindre mängder av andra karbider, såsom tantalkarbid, niobkarbid, hafniumkarbid, zirkonium- karbid och vanadinkarbid. Krossat och siktat hàrdmetall- avfall har visat sig vara lämpligt för utnyttjande vid föreliggande uppfinning. Även om volframkarbidpartiklar med en storlek av över -400 mesh kan utnyttjas i stället för alla eller en del av hârdmetallpartiklarna i kompositen, är volfram- karbidpulver inte föredraget eftersom det inte lika lätt binder vid stålet, har större brottbenägenhet och i allmänhet ger lägre nötnings- och stöthärdighet än bundna volframkarbider med samma partikelstorlek.

Det stàlpulver, som utnyttjas i föreliggande uppfin- ning, kan vara ett legerat stål men är företrädesvis ett rostfritt stål pà grund av dessa stàls större mot- stàndsförmàga mot korrosion. De mest föredragna rostfria stàlen är emellertid austenitiska rostfria stål, eftersom de har hög motståndsförmàga mot nötning och stötar vid temperaturer från rumstemperaturer ned till kryogena temperaturer. Av de austenitiska rostfria stàlen föredra- ges AISI-stålen 301, 302, 304 och 304L på grund av deras höga bearbetningshärdbarhet.

Förutom att chargen innehåller karbid och stálpul- ver kan den innehålla organiska bindemedel för att hindra segring och ge likformig fördelning av karbiderna under blandningen och ge retention av den likformiga bland- ningen efter sammanblandningen av komponenterna.

Efter blandningen pressas pulverblandningen uniaxiellt i en pressform eller isostatiskt i en förform, företrä- desvis vid ca 25 kp/mmz men inte under 7 kp/mmz.

Efter pressningen sintras presskroppen vid en tem- peratur, som företrädesvis är under stålets smältpunkt een helst ligger i omradet 1o4ø-123o°c, unde: en tia av 20-90 min, varigenom alstring av n-faser undvikas vid gränsytan mellan hàrdmetall och stål och varvid 454 058 6 man fortfarande erhåller ett starkt metallurgiskt förband mellan hârdmetallen och stålet. .

I de flesta fall har förbandet mellan stålet och hàrdmetallen formen av ett legeringsskikt vid gränsytan mellan hårdmetall och stål. Detta skikt består huvud- ' sakligen av kobolt och järn och har i typiska fall en tjocklek under 40 um. Detta förband är viktigt för att säkerställa kvarhàllning eller retention av grova hårdme- tallpartiklar i stålgrundmassan.

Det har visat sig, att de sålunda sintrade press- kropparna, som utnyttjar austenitiskt rostfritt stål- pulver, i allmänhet uppvisar en inbördes förbunden el- ler öppen mikropßrositet och har en stålbindemedelsdensi- tet av under 90% av den teoretiska maximidensiteten och i typiska fall 75-85% av den teoretiska maximiden- siteten. För att öka densiteten hos presskropparna, kan man utnyttja isostatisk varmpressning, infiltration eller ökade presstryck. Dessa förfaranden kommer också att resultera i en förbättrad karbidretention i kompo- siten. Det använda infiltreringsmedlet kan väljas bland vilken som helst kopparbaserad eller silverbaserad löd- metall, som har förmåga att väta såväl rostfritt stål som karbid. _Den sintrade presskroppen placeras sedan i en form, och smält metall gjutes runt presskroppen för att bilda ett gjutstycke. Det använda gjutförfarandet kan vara vilket som helst gjutningsförfarande, som är välkänt för fackmannen. Företrädesvis utnyttjas emellertid den gjutmetod, som beskrives i US-patentet 4 024 902. Förvärm- ning av presskroppen kan utnyttjas före gjutningen av den smälta metallen i gjutformen.

Den smälta metallen kan vara en järnbaserad eller icke-järnbaserad legering och är företrädesvis stàl.

Den utnyttjade typen av stål behöver inte vara identisk med den stålsort, som utnyttjas i presskroppen. När stöthärdighet, styrka och korrosionshärdighet är viktiga, är det gjutna stålet företrädesvis ett austenitiskt 454 058 7 rostfritt stål. Làglegerade stål och austenitiska mangan- stàl kan också utnyttjas.

Det gjutna stålet bildar ett metallurgiskt för- band med stålbindemedlet i presskroppen, varvid en mini- mal grad av reaktion uppstår med hàrdmetallen. Alstringen av n-fas blir därigenom minimal, eftersom ytarean hos de karbider, som kommer i beröring med det smälta stålet, har gjorts minsta möjliga.

Utnyttjandet av de av hárdmetall och stål bildade presskropparna möjliggör också att karbiden bindes i varierande koncentrationer och orienteringslägen rela- tivt ytan och under gjutstyckenas yta.

Sättet och produkterna enligt föreliggande uppfin- ning kommer att i det följande exemplifieras med några utföringsexempel.

EXEMPBL l Ett antal nötnings- och slaghärdiga grävskopstän- der 1 (se fig 4) med presskroppar 3 framställdes. En likformig blandad blandning, som bestod av 60 vikt% hårdmetallkorn, som bildats av koboltbunden volfram- karbid och som hade en kornstorlek av 3,2-4,75 mm, och 40 vikt% sprutförstoftat austenitiskt rostfritt stàlpul- ver, som hade en kornstorlek under 100 mesh (149 um) och bestod av rostfritt stål av typ AISI 304L samt fram- ställts av Hoeganaes Corporation of New Jersey) fram- ställdes genom torrblandning tillsammans med 1,25 viktå' paraffin och 0,75 vikt% etylcellulosa. Blandningen pres- sades manuellt i en av polyuretanelast bildad formhä- lighet med den önskade presskroppsformen (50,8 x 19,1 x 6,4 mm), varvid formháligheten dimensioneras för att ge utrymme för krympning genom isostatisk pulverkall- pressning plus 1% sintringskrympning. Efter den isosta- tiska kallpressningen vid 24,6 kp/mmz avlägsnades den pressade förformkroppen från gjutformen och utsattes sedan för vekuumsintring vid 11so°c under eo min. ne sintrade kropparna placerades sedan i en sandform, som hade åtta urtagningar, som formats till den önskade 454 058 8 formen för grävskopstanden. Bestándsdelarna för att bilda ett låglegerat stål av typ AISI 4340 smältes i en induktionsugn, presskropparna förvärmdes och stålet görs i gjutformen via 1s7s-113o°c för att biiaa gräv- skopstanden i fig 4, i vilken stàlmaterialet 5 av typ AISI 4340 var bundet till tvâ i vinkel mot varandra ställd ytor hos presskroppen 3.

En metallografisk undersökning visade, att den rostfria stàlgrundmassan innehöll en austenitisk struktur med en viss mängd intergranulära kromkarbider, som kan kallas sensibilisering, som är typiskt för långsamt kylda austenitiska rostfria stål efter sintring. Sensi- biliseringen kan elimineras genom en efterföljande upp- lösningsbehandling. Gränsytorna mellan hârdmetallen och den rostfria stálgrundmassan innehöll en kontinuer- lig bindezon, som var ungefär 15 um tjock och bestod av en legering, som huvudsakligen utgjordes av järn och kobolt. De i grundmassan fördelade hàrdmetallpar- tiklarna synes vara fria från termisk sprickning med en minimal mängd upplösning, smältning eller nedbryt- ning av den dispersa karbidfasen vid eller nära gräns- skiktet. Det förekom en viss smältning eller blandning av rostfritt stål och en viss nedbrytning av karbiderna, där den smälta metallen kommit i beröring med karbiderna vid presskroppens yta. Under presskroppens yta var karbid- partiklarnas gränsytor väsentligen skarpa med undantag för den ovannämnd diffusionszonen av järnkoboltlege- ring. Inga potentiellt skadliga koncentrationer av n-fa- ser observerades.

Provexemplaren utsattes upprepade gånger (fem och sex gånger) för slag med en kulhammare vid rumstempe- ratur och även vid temperaturen för flytande kväve (-l96°C) och visade sig ha god stötmotstàndsförmàga med ringa tecken till brott av spröd typ. Det bör emel- lertid observeras, att stötmotstándsförmàgan vid en högre procentuell andel hàrdmetallkarbider i kompositen kan minskas något men att kompositens motstàndsförmága 454 058 9 mot slitage och borrpenetration skulle öka i ett sådant fall.

Mikrohárdhetsmätningar på en sektion av den i det gjutna tillståndet föreliggande grävskopstanden visade en medelhárdhet av ca 75 HRC, 29 HRC resp 38 HRC inom ett snitt genom hârdmetallen, det rostfria stålet av typ 304L respektive stålet av typ 4340 (3,2 mm från gränsytorna för rostfritt stål).

EXEMPEL 2 , En borrmotstàndskraftig làskista 10, som visas i fig l, framställdes genom gjutning av en smält lagle- gerad stàllegering av typ AISI 4340 runt en härdmetall- skiva, som bestod av en sintrad blandning av karbidpar- tiklar och rostfritt stål av typ 304L och som hade läng- den 102 mm, bredden 63,5 mm een tjocklek-en 3,2-4,7s mm, och likadant uppbyggda skivor med längden 82,5 mm, bred- den 63,5 mm och tjockleken 3,2-4,75 mm. Läget för en av de sintrade skivorna 12 visas med streckade linjer.

Skivorna hade framställts genom likformig sammanbland- ning av en blandning av 50 vikt% volframkarbidspàn, som hade storleken -8+l2 mesh och utgjordes av kobolt- bunden volframkarbid, S0 vikt% rostfritt stålpulver, som hade storleken -100 mesh och utgjordes av rostfritt stål av typ AISI 304L, och 10 vikt% bindemedel (CHLORUTHENE Nu och 0,75 etylcellulosa).

Blandningen av rostfritt stàlpulver och den dispersa hàrdmetallfasen packades i en polyuretanform, som forma- des till skivornas dimensioner. Formen tillslöts, place- rades i en gummisäck, som evakuerades och tätades och sedan isostatiskt pressades vid 24,6 kp/mmz. Sedan den pressade skivan avlägsnats från gummisäcken och formen, sintrades skivan i en vakuumugn vid ll50°C under 60 min.

De borrningsmotstàndskraftiga skivorna placerades sedan i front-, bak- och sidoytorna av làskistshålig- heten i en form. Pig 3 visar en sektion genom en sand- form 30, som har en formhàlighet utformad mellan en stämpeldel 32 och en dyndel 34. De sintrade skivorna 12 visas fasthàllna i läge relativt formhàlighetens 454 058 sidoväggar med hjälp av stift 36 och 40, som är inbäddade i formens 30 dyndel 34. Hàrdmetallpartiklar 42 har pla- cerats pá formhàlighetens bottenyta. Före införingen av stämpeldelen 32 i dyndelen 34 hade hàrdmetallpartik- larna 42 och skivorna 12-förvärmts. Stämpeldelen 34 placerades sedan i dyndelen 34, och smält làglegerat stål av typ AISI 4340 göts i formháligheten. Ändamålet med föreliggande uppfinning i samband med denna säkerhetsanvändning är att ge en làskista, som är skyddad mot penetration av borrar till följd av förekomsten av de 3,2 mm tjocka skivorna av en sint- rad blandning av rostfritt stål och hårdmetallpartiklar, varvid dessa skivor är inneslutna i ett stálmaterial.

Ett ytterligare ändamål och nytt särdrag hos förelig- gande uppfinning är, att skivan eller skivorna vid fram- ställning av en làskista kommer att bibehålla sin form och att karbidpartiklarna förblir likformigt fördelade i skivorna, när det smälta stålet gjutes runt dem för att utfylla den resterande delen av formhàligheten för làskistans väggar. Efter förstöring av två hàrdmetallbor- rar med diametern 3,2 mm hade frontsektionen 14 pà läs- kistan i fig l inte kunnat genomborras eller penetreras.

En sektion, som skurits genom låskistan med skivan av hàrdmetall och rostfritt stål visas i fig 2. Ringa smältning förekom hos det rostfria stålet, när den smälta stállegeringen göts runt skivorna av hårdmetall, och karbiâkornen förblev likformigt fördelade i skivorna 12. Mycket ringa nedbrytning av karbiden och ett minimum av spröda faser vid gränsytorna mellan karbid och stålet av typ 4340 uppkom. Ett metallurgiskt förband alstra- des mellan den austenitiska strukturen hos det rostfria stålet och strukturen hos det gjutna stålet av typ 4340.

Karbidpartiklarna 42 vid láskistans bottenvägg 20 kan ersättas med skivor, som är likadana som eller liknar de skivor, som utnyttjats i sidoväggarna 22.

EXEMPEL 3 Borrbeständiga och stötmotståndskraftiga skivor med tjockleken 4 mm framställdes. Femton skivor bestod -10 454 058 ll av en likformig blandning av 60 vikti spán, som hade kornstorleken 2,38-3,2 mm (-8+l2 mesh) och bestoâ av volframbundna volframkarbidkorn, 40 vikt% rostfritt stålpulver, som bestod av stàltyp AISI 304L och hade en kornstorlek av -100 mesh (under 149 um), 2 viktâ CHLOROTHENE Nu, l vikt% etylcellulosa och 0,25 vikti ARMIDO-vax. En andra grupp om femton skivor framställdes av 70 vikt% hàrdmetallspàn (-8+l2 mesh) och 30 viktâ rostfritt stálpulver typ AISI 304L (-100 mesh), som blandats på motsvarande sätt. ARMIDO-vaxet och etylcellu- losan sattes till pulverblandningen under sammanbland- ningsförloppet och tjänstgjorde som pressmörjmedel för att hindra segring av karbidpartiklarna under blandning- en och pàfyllnaden av formen. Därefter inpackades grund- massepulvret, som innehöll den hårda dispersa karbidfa- sen, i en förform, som bestod av polyuretan. Den packa- de förformen försågs med ett lämpligt lock och tillslöts och placerades i en gummisäck- eller ballong, vilken evakuerades, tillslöts och pressades isostatiskt vid ca 24,5 kp/mmz. Skivorna sintrades därefter i en va- kuumugn vid ll50°C under 60 min.

Dessa skivor kan nu insättas i ett gjutstycke under utnyttjande av den ovan beskrivna gjuttekniken eller någon annan känd gjutteknik. D .

Modifikationer är möjliga inom ramen för efterföljan- de patentkrav.

Claims (10)

454 oss 10 15 20 25 30 12 PATENTKRAV

1. l. Seg, nötningsbeständig kropp, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den omfattar dels minst en penetrationsmotståndskraftig komponent, vilken har bildats genom pulvermetallurgiska metoder under pressning och diffusionsbindning i det fasta till- ståndet via ca 1o4o-123o°c och vilken nar en första grundmassa av rostfritt stál och av denna bundna och i huvudsak inneslutna volframkarbidhârdmetallpartiklar med en partikelstorlek av minst 400 mesh (37 pm), företrädesvis minst 40 mesh (420 pm) och företrädes- vis med oregelbunden partikelform, och dels en andra metallisk grundmassa, vilken är bunden vid den penetra- tionsmotståndskraftiga komponenten och i vilken denna komponent är inbäddad.

2. Kropp enligt patentkravet 1, k ä n n e - t e c k n a d därav, att volframkarbidhårdmetall- partiklarna innehåller en bindemetall ur gruppen ko- bolt och nickel och deras legeringar med varandra och/eller med andra metaller.

3. Kropp enligt patentkravet l eller 2, k ä n - n e t e c k n a d därav, att den andra metalliska grundmassan i huvudsak omgiver den penetrationsmot- ståndskraftiga komponenten.

4. Kropp enligt patentkravet 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att den första grund- massan av rostfritt stål består av ett austenitiskt rostfritt stål, som företrädesvis har en densitet av under 90%, helst 75-85%, av den teoretiska kompakt- densiteten.

5. Kropp enligt något av patentkraven l - 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att den andra metallis- ka grundmassan består av stål.

6. Kropp enligt något av patentkraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att volframkarbidhård- 10 15 20 25 454 058 13 metallpartiklarna har bímodul partikelstorleksfördel- ning.

7. Kropp enligt något av patentkraven l - 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att den andra metalliska grundmassan är ett gjutet metallmaterial.

8. Sätt att framställa en seg, nötningsmotstánds- kraftig produkt, k ä n n e t e c k n a t därav, att en blandning av volframkarbidhårdmetallpartiklar, som har en partikelstorlek av minst 400 mesh (37 pm), företrädesvis minst 40 mesh (420 pm), och ett första rostfritt-stålpulver pressas till minst en presskropp, av vilken volframkarbidhårdmetallpartiklarna företrädes- vis utgör 30-80 vikt% och i vilken volframkarbidhàrd- metallpartiklarna företrädesvis fördelas väsentligen likformigt och företrädesvis har bimodul partikel- storleksfördelning, att presskroppen/presskropparna sintras i det fasta tillståndet vid ca l040-l230°C och att en smält metall gjutes mot eller kring denna eller dessa presskroppar för att bindas mot densamma eller desamma. -

9. Sätt enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den smälta metallen bringas väsent- ligen omgiva presskroppen eller -kropparna.

10. Sätt enligt patentkravet 8 eller 9,>k ä n - n e t e c k n a t därav, att presskroppen eller -krop- parna sintras isostatiskt.