WO1981001673A1 - Process for manufacturing shell-moulded metal pieces and utilisation thereof - Google Patents

Process for manufacturing shell-moulded metal pieces and utilisation thereof Download PDF

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B Kos
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Ver Edelstahlwerke Ag
B Kos
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools

Definitions

  • the invention relates to a method for producing metal chilled castings with areas of increased wear resistance, which are created by introducing a local alloy effect with the melting material-supplying molded bodies in the mold.
  • Another measure with the same objective is to embed hard material parts in the hollow volume of the casting mold, which are encased in the molded part by the matrix of the casting material and bring about a corresponding reduction in wear.
  • this solution cannot be considered completely satisfactory either, because additional precautions have to be taken, for example by using wire mesh or according to another suggestion of suction pressure, in order to separate the individual hard material grains or to fix pieces in the hollow volume of the casting mold in such a way that the intended uniform distribution in the casting is generally ensured.
  • the object of the invention is therefore to avoid these disadvantages and to provide a method with which it is possible to produce wear-resistant castings with a combination of hardness and toughness which can be easily adapted to the respective requirements, and thus in the best possible way, inexpensively.
  • the method according to the invention is characterized in that a base metal melt made of high manganese steel and Porous moldings are used which have been formed by foaming finely divided ferroboron, preferably in core boxes, mixed with an aqueous alkali silicate solution and optionally additional hard materials.
  • Fine-grain ferroboron (grain size 0.02 - 0.075 mm) was mixed with 30 tiger soda water glass and a very tough paste was formed. This porridge was then called Filling used about half of the hollow volume of core boxes, which were modeled on the tooth shape of excavator teeth.
  • the core boxes were then heated at 120 ° C. for 2 hours, during which time porous shaped bodies were formed whose pore size averaged 0.7 mm and whose pore volume was approximately 50%.
  • These moldings were inserted into a so-called "green" casting mold made of quartz sand for producing the excavator teeth and fastened there with shaped nails in such a way that - based on the surface of the tooth flank - about 50% of the tooth flank was laid out.
  • the casting was carried out with a melt of high manganese steel at a casting temperature of 1530 ° C.
  • the excavator teeth produced in this way showed excellent stability in practical use.
  • Fig. 1 shows such a structure with the boride eutectic, using ferrobor molded bodies with a pore volume of 20%, 90% of the ground surface having a hardness of 820-860 HV.
  • the pore volume of the shaped bodies was 40%; the area share with 800 - 860 HV is reduced to about 50%, while the basic mass (boron-containing Mn austenite) is 300 HV.
  • Fig. 3 shows a structure, the pore volume was 60%; the surface area with 800 - 860 HV is 30%, the hardness of the base material is also 300 HV.
  • Fig. 4 shows the structure of the base metal matrix, ie of manganese high-carbon steel at the same enlargement ratio; its hardness is 240 HB.

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Abstract

To obtain castings having areas with improved wear resistance, substances which cause with the melt a local alloy effect are introduced in the mould. A base metal is used which is comprised of manganese austenitic steel and porous bodies of ferroboron. To this effect, the finally divided ferroboron is mixed with an aqueous solution of alkaline silicate and optionally with other hard materials, and the mixture is foamed by heating preferably in core boxes, and the hardened bodies are introduced in the mould areas where they are to cause a local alloy effect. The use of such hard castings for bucket tip s and/or edges of power shovels has given very good results.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON METALLISCHEN HARTGUSS-FORMTEILEN UND DEREN VERWENDUNGMETHOD FOR THE PRODUCTION OF METALLIC DIE-CAST MOLDED PARTS AND THE USE THEREOF
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Hartguß-Formteilen mit Bereichen erhöhter Verschleißfestigkeit, die durch Einbringung von einen örtlichen Legierungseffekt mit dem Schmelzen werkstoff liefernden Formkörpern in die Gußform geschaffen sind.The invention relates to a method for producing metal chilled castings with areas of increased wear resistance, which are created by introducing a local alloy effect with the melting material-supplying molded bodies in the mold.
Sie bezieht sich ferner auf die Verwendung derartiger Hartguß-Formteile als Baggerzähne und/oder Bagger lippen von Löffelbaggern.It also relates to the use of such chilled castings as excavator teeth and / or excavator lips from excavators.
Bei der Förderung bzw. Zerkleinerung von Erzen, Steinen oder sonstigen natürlichen oder künstlichen Stoffen bestehen erhebliche technische Pronleme hinsichtlich der Werkstoffe für die Verschleißteile der dabei eingesetzten Werkzeuge. Besondere Probleme treten insbesondere dann auf, wenn das zu zerkleinernde Material neben einer hohen Härte auch noch eine hohe Zähigkeit aufweist. Bei derartigen Materialien, bei denen bisher die üblichen Zerkleinerungswerkzeuge aus Manganhartstahl nur geringe Standzeiten aufweisen, ist die für die Weiterverarbeitung erforderliche Zerkleinerung wirtschaftlich nur dann vertretbar, wenn der Wert des Produktes erheblich höher ist als die entstehenden Verschleißkosten, bezogen auf eine entsprechende Menge des Gutes. Die Schwierigkeiten bei den Zerkleinerungsmaschinen bzw. deren Verschleißteilen ergeben sich insbesondere deshalb, weil neben der reibenden Beanspruchung durch das Brechgut in erheblichem Maße auch stoßende, schlagende oder prallende Beanspruchungen an Verschleißteilen auftreten. Um die Standzeit hochbeanspruchter Gußteile zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, durch Aufbringung von Legierungspasten ari bestimmten Flächen der Form vor dem Guß einen oberflächlichen Härtungseffekt an den besonders verschleißbeanspruchten Stellen zu erreichen. Diese Maßnahme beim Gießen hat jedoch wesentliche Nachteile; sie ist umständlich in der Handhabung, unsicher bzw. ungenau hinsichtlich des Ausmaßes der technologischen Verbesserung und gering hinsichtlich der Tiefenwirkung des Legierungseffektes, weil nur dünne Pastenschichten angewendet werden können.When mining or crushing ores, stones or other natural or artificial substances, there are considerable technical pronouns with regard to the materials for the wearing parts of the tools used. Particular problems arise particularly when the material to be shredded is not only extremely hard but also has a high level of toughness. With materials of this type, for which the usual crushing tools made of manganese hard steel have only a short service life, the crushing required for further processing is economically justifiable only if the value of the product is considerably higher than the resulting wear costs, based on a corresponding amount of the goods. The difficulties with the shredding machines and their wear parts arise in particular because, in addition to the rubbing stress caused by the crushed material, there are also considerable impact, impact or impact stresses on wear parts. In order to improve the service life of highly stressed castings, it has already been proposed to achieve a superficial hardening effect at the areas subject to particularly high wear by applying alloy pastes to certain surfaces of the mold before casting. However, this measure when casting has major disadvantages; it is cumbersome to use, uncertain or imprecise with regard to the extent of the technological improvement and low in terms of the depth effect of the alloy effect, because only thin layers of paste can be used.
Eine andere Maßnahme mit gleicher Zielsetzung besteht darin, Hartstoffteile in das Hohlvolumen der Gußform einzubetten, die im gegossenen Formteil von der Matrix des Gußwerkstoffes umhüllt sind und eine entsprechende Verschleißminderung bewirken. Wenngleich die Tiefenwirkung dabei gegenüber der Anwendung von Legierungspasten wesentlich verstärkt ist, kann auch diese Lösung nicht als vollauf zufriedenstellend angesehen werden, denn es müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werdetr, etwa durch Anwendung von Maschendraht oder nach einem anderen Vorschlag von Saugdruck, um die einzelnen Hartstoffkörner bzw. -stücke derart im Hohlvolumen der Gußform zu fixieren, daß die im Regelfall beabsichtigte gleichmäßige Verteilung im Gußteil sichergestellt wird.Another measure with the same objective is to embed hard material parts in the hollow volume of the casting mold, which are encased in the molded part by the matrix of the casting material and bring about a corresponding reduction in wear. Although the depth effect is significantly increased compared to the use of alloy pastes, this solution cannot be considered completely satisfactory either, because additional precautions have to be taken, for example by using wire mesh or according to another suggestion of suction pressure, in order to separate the individual hard material grains or to fix pieces in the hollow volume of the casting mold in such a way that the intended uniform distribution in the casting is generally ensured.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, mit dem es gelingt, verschleißfeste Gußteile mit einer den jeweiligen Anforderungen leicht anzupassenden Kombination von Härte und Zähigkeit, somit also in bestmöglicher Weise kostengünstig herzustellen.The object of the invention is therefore to avoid these disadvantages and to provide a method with which it is possible to produce wear-resistant castings with a combination of hardness and toughness which can be easily adapted to the respective requirements, and thus in the best possible way, inexpensively.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundmetallschmelze aus Manganhartstahl und poröse Formkörper verwendet werden, die durch Aufschäumen von feinteiligem, mit einer wässerigen Alkalisilikatlösung und gegebenenfalls zusätzlichen Hartstoffen vermischtem Ferrobor, vorzugsweise in Kernkästen, gebildet worden sind.The method according to the invention is characterized in that a base metal melt made of high manganese steel and Porous moldings are used which have been formed by foaming finely divided ferroboron, preferably in core boxes, mixed with an aqueous alkali silicate solution and optionally additional hard materials.
Der Umstand, daß pulverförmiges Ferrobor mit einer wässerigen Alkalisilikatlösung unter Aufschäumen und Ausbildung eines porösen Formkörpers reagiert, ist durchaus überraschend und findet im Verhalten anderer Ferrolegierungen, z.B. Ferromangan unter analogen Verhältnissen keine Parallele. Die Reaktion wird durch Erwärmen beschleunigt, so daß es für die Herstellung der Formkδrper angezeigt erscheint, das Aufschäumen bei einer Temperatur von zumindest etwa 80° C vorzunehmen. Wenngleich es bevorzugt wird, die für die porösen Formkörper gewünschte Formgebung durch die Anwendung entsprechender Formkästen bei der Erstarrung der geschäumten Masse vorzusehen, kann natürlich auch eine Formgebung nach der Erstarrung des Schaumes vorgenommen werden. Daß das resultierende Porenvolumen primär vom Formfüllungsgrad sowie der Konzentration der Silikatlösung beeinflußt wird, versteht sich wohl von selbst. Wenngleich der Reaktionsmechanismus für das Aufschäumen noch nicht eindeutig geklärt ist, kann jedenfalls ausgesagt werden, daß es sich dabei nicht um eine pyrolytische Zersetzung handelt.The fact that powdery ferroboron reacts with an aqueous alkali silicate solution with foaming and formation of a porous molded body is quite surprising and is found in the behavior of other ferroalloys, e.g. Ferromanganese under analog conditions no parallel. The reaction is accelerated by heating, so that it appears appropriate for the production of the molded body to carry out the foaming at a temperature of at least about 80 ° C. Although it is preferred to provide the shape desired for the porous moldings by using appropriate mold boxes during the solidification of the foamed mass, it is of course also possible to shape the foam after it has solidified. It goes without saying that the resulting pore volume is primarily influenced by the degree of mold filling and the concentration of the silicate solution. Although the reaction mechanism for the foaming has not yet been clearly clarified, it can in any case be said that this is not pyrolytic decomposition.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The method according to the invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
Beispiel 1:Example 1:
Feinkörniges Ferrobor (Körnung 0,02 - 0,075 mm) wurde mit 30 tigern Natronwasserglas vermischt und ein sehr zäher Brei gebildet. Dieser Brei wurde sodann als Füllung etwa der Hälfte des Hohlvolumens von Kernkästen verwendet, die der Zahnform von Baggerzähnen nachgebildet waren. Die Kemkästen wurden dann 2h lang auf 120°C erwärmt, wobei sich poröse Formkörper aus bildeten, deren Porengröße im Mittel 0,7 mm und deren Porenvolumen etwa 50 % betrug. Diese Formkörper wurden in eine aus Quarzsand hergestellte sogenannte "grüne" Gußform zur Herstellung der Baggerzähne derart eingesetzt und dort mit Formnägeln befestigt, daß - auf die Oberfläche der Zahnflanke bezogen - etwa 50 % derselben ausgelegt wurden. Der Abguß wurde mit einer Schmelze aus Manganhartstahl bei einer Gießtemperatur von 1530°C vorgenommen. Die so hergestellten Baggerzähne zeigten im praktischen Einsatz eine hervorragende Standfestigkeit.Fine-grain ferroboron (grain size 0.02 - 0.075 mm) was mixed with 30 tiger soda water glass and a very tough paste was formed. This porridge was then called Filling used about half of the hollow volume of core boxes, which were modeled on the tooth shape of excavator teeth. The core boxes were then heated at 120 ° C. for 2 hours, during which time porous shaped bodies were formed whose pore size averaged 0.7 mm and whose pore volume was approximately 50%. These moldings were inserted into a so-called "green" casting mold made of quartz sand for producing the excavator teeth and fastened there with shaped nails in such a way that - based on the surface of the tooth flank - about 50% of the tooth flank was laid out. The casting was carried out with a melt of high manganese steel at a casting temperature of 1530 ° C. The excavator teeth produced in this way showed excellent stability in practical use.
Beispiel 2:Example 2:
Aus einer breiartigen Mischung eines innigen Gemenges aus 80 Gew . -% des im Beispiel 1 beschriebenen Ferrobors und 20 Gew.-% Korund (Körnung 0,05 - 0,1 mm) mit 30 %-igem Natronwasserglas wurden in einem Keimkasten ähnlich wie im Beispiel 1 Formkörper mit einem Porenvolumen von etwa 50 % in der Abmessung 100 x 100 x 15 mm hergestellt. Diese Formkörper wurden im Kantenbereich der Lippe von Baggereimern im gleichmäßigen Abstand von etwa 20 mm in die Gußform eingelegt und dort mit Formnägeln befestigt. Der Abguß erfolgte mit einer auf 1540°C erhitzten Schmelze aus Manganhartstahl.From a mush-like mixture of an intimate mixture of 80 wt. % of the ferroboron described in Example 1 and 20% by weight of corundum (grain size 0.05-0.1 mm) with 30% sodium water glass were molded in a germ box similar to Example 1 with a pore volume of about 50% in the dimensions 100 x 100 x 15 mm. These shaped bodies were placed in the edge area of the lip of excavator buckets at a uniform distance of about 20 mm into the mold and fastened there with shaped nails. The casting was carried out with a melt of high manganese steel heated to 1540 ° C.
Die Standzeiten dieser als Löffelbagger in Zinnminen eingesetzten und dabei einer besonders hohen Verschleißbeanspruchung ausgesetzten Baggereimer konnten auf diese Weise um ein Mehrfaches verbessert werden. Zur Demonstration der primär vom Porenvolumen der in die Gußform eingebrachten porösen Ferrobor-Formkörper bestimmten Härteverhältnisse bei erfindungsgemäß hergestellten Gußteilen werden abschließend durch Ätzung mit 2 % HNO3 enthaltene Schliffbilder der randlegierten Zonen erläutert, die sich auf das in 250-facher Vergrößerung dargestellte Rahdzonen-Gefüge (Abb.1 - 3) bzw. das Gefüge der Grundmetallmatrix von Mangahhartstahl (Abb. 4) beziehen.The lifespan of these excavator buckets, which were used as backhoe excavators in tin mines and were exposed to particularly high wear, could be improved many times over. To demonstrate the hardness ratios of castings produced according to the invention, which are primarily determined by the pore volume of the porous ferrobor molded bodies introduced into the casting mold, micrographs of the edge-alloyed zones containing 2% HNO 3 are explained, which refer to the framework zone structure shown in 250 times magnification (Fig.1 - 3) or the structure of the base metal matrix of mahogany steel (Fig. 4).
Abb. 1 zeigt ein solches unter Verwendung von Ferrobor- Formkörpern mit einem Porenvolumen von 20 % sich ergebendes Gefüge mit dem Borideutektikum, wobei 90 % der Schliff-Fläche eine Härte von 820 - 860 HV aufweisen. Beim Gefüge von Abb. 2 betrug das Porenvolumen der Formkörper 40 %; der Flächenanteil mit 800 - 860 HV ist auf etwa 50 % verringert, während die Grundmasse (borhältiger Mn-Austenit) 300 HV aufweist.Fig. 1 shows such a structure with the boride eutectic, using ferrobor molded bodies with a pore volume of 20%, 90% of the ground surface having a hardness of 820-860 HV. In the structure of Fig. 2, the pore volume of the shaped bodies was 40%; the area share with 800 - 860 HV is reduced to about 50%, while the basic mass (boron-containing Mn austenite) is 300 HV.
Abb. 3 zeigt ein Gefüge, wobei das Porenvolumen 60 % betrug; der Flächenanteil mit 800 - 860 HV beträgt 30 %, die Härte der Grundmasse ebenfalls 300 HV.Fig. 3 shows a structure, the pore volume was 60%; the surface area with 800 - 860 HV is 30%, the hardness of the base material is also 300 HV.
Schließlich ist in Abb. 4 das Gefüge der Grundmetallmatrix, also von Manganhartstahl im gleichen Vergrößerungsverhältnis dargestellt; seine Härte beträgt 240 HB. Finally, Fig. 4 shows the structure of the base metal matrix, ie of manganese high-carbon steel at the same enlargement ratio; its hardness is 240 HB.

Claims

Pat ent an sp rü ch e: Pat ent an sp uch:
1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Hartguβ Formteilen mit Bereichen erhöhter Verschleißfestigkeit, die durch Einbringung von einen örtlichen Legierungseffekt mit dem Schmelzenwerkstoff liefernden Form körpern in die Gußform geschaffen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundmetallschmelze aus Manganhartstahl und poröse Formkörper verwendet werden, die durch Aufschäumen von feinteiligem, mit einer wässerigen Alkalisilikatlösung und gegebenenfalls zusätzlichen Hartstoffen vermischtem Ferrobor, vorzugsweise in Kernkästen, gebildet worden sind.1. A process for the production of metallic hard cast parts with areas of increased wear resistance, which are created by introducing a local alloy effect with the melt material-providing mold into the mold, characterized in that a base metal melt made of manganese steel and porous moldings are used, which are foamed of finely divided ferroboron mixed with an aqueous alkali silicate solution and optionally additional hard materials, preferably in core boxes.
2. Die Verwendung von gemäß Patentanspruch 1 hergestellten Hartguß-Formteilen als Baggerzähne und/oder Baggerlippen von Löffelbaggern. 2. The use of chilled castings produced according to claim 1 as excavator teeth and / or excavator lips of backhoe excavators.
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