WO2000032335A1 - Verbundgussteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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WO2000032335A1
WO2000032335A1 PCT/DE1999/003886 DE9903886W WO0032335A1 WO 2000032335 A1 WO2000032335 A1 WO 2000032335A1 DE 9903886 W DE9903886 W DE 9903886W WO 0032335 A1 WO0032335 A1 WO 0032335A1
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WO
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insert
composite casting
matrix
casting according
composite
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PCT/DE1999/003886
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French (fr)
Inventor
Andreas Güntner
Jürgen SCHÄDLICH-STUBENRAUCH
Jens Schreiner
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Otto Junker Gmbh
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Priority to DE19982528T priority patent/DE19982528D2/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Definitions

  • the invention relates to a composite casting with a metallic matrix and at least one purely metallic, metallurgically manufactured insert located in the matrix.
  • Such a composite casting is known from EP 0 419 684 AI.
  • the friction surface has a regular microrelief, which is formed by the matrix and the front end of the framework projecting above its surface.
  • the scaffold can be designed in the form of a cell structure or a corrugated band, among other things. It is disclosed to make these structures by forming massive metal strips. This procedure is very complex, particularly in the case of the cell structure, in particular in the case of cell sizes of the order of a few millimeters. Brittle and high-strength metals or metal alloys are not suitable for this at all.
  • composite castings are known (DE 42 11 199 AI), in which the insert consists of hard metal balls or hard material particles enclosed between perforated sheets.
  • a so-called alloy box which contains hard material particles, can also be produced and cast from such sheets by inserting welding spots.
  • the prior art using building blocks, support cores and perforated metal sheets has the particular disadvantage that the contour of the composite casting cannot be represented at all or only with great difficulty, and the inserts have to be constructed from several individual parts and connected to one another.
  • DE 39 17 033 C1 discloses porous, open-pore metallic sponge structures. It is disclosed to use these structures to produce an implant as a bone replacement or within filters. Such a structure is also known from DE 28 43 316 AI, in which it is disclosed, this for heat exchangers, mixers or separators for liquids and / or gases, sound absorption or insulating material, damper material, catalysts, flame extinguishing materials, wick materials for heat pipes, To use decorative materials etc. The use of such structures within composite castings is neither known nor suggested from the aforementioned publications.
  • composite bodies with a metallic matrix and a sponge-structured ceramic insert are known (DE 197 28 358 AI). These have the disadvantage in particular that the expansion coefficients of the materials connected to one another are very different, which can lead to problems with regard to the stability of the composite body. In addition, there is no material connection between the insert and the matrix material.
  • Metal foams are also known (J. Banhart et al .; Aluminum 1994 3/4; p. 209), which are produced from a mixture of a metal powder with a blowing agent. For this purpose, the pressed and shaped mixture is brought to a temperature above the melting point of the metal. The blowing agent releases a gas, which creates the foam structure of the material. In contrast to the sponge structure, the foam structure is characterized by closed pores. The pores located within the foam body can therefore not be filled by another material to form a composite material.
  • the present invention is based on the object of providing a composite casting of the type mentioned at the outset, in which the above-described disadvantages of the prior art can largely be avoided, and of performing a process for its production.
  • the at least one insert has at least part of an open-pore sponge structure and the pores of the insert are essentially completely filled with the material of the matrix.
  • the sponge structure of the insert essentially consists of webs that are statistically distributed in the room and converge at nodes.
  • the very large surface area of the insert part in relation to the volume and the good heat transfer between the insert part and the liquefied matrix material when the insert part is poured around enable an intensive material connection between the insert part and the matrix. But even without a material connection, a stable anchoring of the insert in the matrix can be ensured in the case of a pure positive fit due to the large number of webs and the small pore size.
  • the use of the porous sponge structures in particular enables the use of high-strength metal alloys as the material for the insert.
  • the inserts can be made in almost any shape and therefore hardly limit the possible shapes of the composite castings.
  • the properties of the composite casting are to be influenced in the desired manner with the insert.
  • the statistical distribution of the webs of the insert part in space means that the influence of the insert part can be designed independently of spatial directions, that is, for example, an isotropic material reinforcement can be achieved.
  • the composite casting according to the invention can also be used as a starting product for castings with locally limited alloy areas, in that the insert is completely melted in the matrix.
  • the open-pore sponge structure of the insert ensures one largely uniform alloying.
  • the finely branched open-pore sponge structure contributes significantly to the fact that the matrix material forms an intimate connection with it without the insert having to be preheated or coated. This behavior is also guaranteed with thin-walled composite castings to be reinforced.
  • the volume proportion of the insert in the composite casting can be from 3% to 95%.
  • the composite casting according to the invention can advantageously be used for the production of grate bars, shredder hammers, grinding plates, sliding bushes, bearing shells, machine guides and the like.
  • the composite casting according to the invention can also be designed such that it is composed of 3% to 15% by volume of the material of the insert and 85% to 97% by volume of the pore-filling material of the matrix in the area of the open-pore sponge structure of the insert.
  • the composite casting according to the invention can also be designed such that the at least one insert passes through the surface of the composite casting at least in partial areas. This can be advantageous in particular when the surface of the composite casting is exposed to increased stress.
  • the composite casting according to the invention can be designed such that the at least one insert part is arranged close to the surface, at least in some areas, the surface above being formed solely by the material of the matrix.
  • the material of the insert part can be protected, for example, against harmful influences of the environment, for example corrosion. It can be useful to influence the properties of the areas near the surface by the insert alone, for example to increase the rigidity of the material if the properties of the matrix material are required on the surface itself.
  • the at least one insert part consists of a wear-resistant metal or a wear-resistant metal alloy and the matrix consists of a metal which is ductile relative to the at least one insert part or a ductile metal alloy.
  • the composite casting still has a certain ductility, but on the other hand the structures of the insert ensure a high wear resistance of the composite casting surface, for example in the case of abrasive stress or when used under high temperatures or strong temperature changes.
  • an insert made of a soft metal such as nickel or copper
  • the matrix made of a hard material for example wear-resistant steel
  • An insert made of a hard metal, for example stellite can also be combined with a hard matrix, for example made of wear-resistant or heat-resistant steel.
  • the choice of related materials for the insert and the matrix can be very advantageous for casting around the sponge structure.
  • the composite casting according to the invention can advantageously also be designed such that the at least one insert is positioned alone in certain areas of the composite casting.
  • the material composite can be limited to areas of the composite casting that are particularly stressed, for example to an area with a friction surface. As a result, costs and procedures can be reduced.
  • the composite casting according to the invention can be designed such that the transitions between the at least one insert and the matrix are graded.
  • Various combinations of metals or metal alloys allow an essentially continuous transition from the matrix material to the material of the insert part, ie starting from a web of the insert part, an alloy of insert material and matrix material follows, in which the concentration of the matrix material increases with increasing distance from the web, until the latter is largely in pure form.
  • a suitable temperature and quantity of the material to be poured in this can already result from the pouring process.
  • a grading of the transitions could be achieved, for example, by briefly melting the insert surface when pouring the matrix material.
  • the strength of the graded transition can be influenced by tempering the insert and / or controlling the cooling of the freshly cast composite casting.
  • a graded matrix transition together with possibly small pore sizes of a few millimeters or smaller ensures that stresses, for example due to different coefficients of thermal expansion, are minimized.
  • the composite casting according to the invention can also be designed such that the insert is partly solid.
  • the composite casting according to the invention can also be designed in such a way that at least one area of increased wear resistance is provided, in which the pore size in the insert is smaller on average and / or the web thickness is larger on average than in the remaining portion of the insert. Due to the spatial variation of the pore size and / or the web thickness, local differences in the stress on the composite casting can be taken into account.
  • the pore size and / or the web thickness can vary in degrees.
  • the composite casting according to the invention can also be designed such that the melting temperature of the matrix material exceeds the melting temperature of the material of the insert. It is a surprising effect that even with a proportion of the matrix material of up to 95% by volume in the area of the sponge structure and with melting temperature differences of up to 200 ° C., the insert is not melted when the matrix material is cast around it. Possibly protective shells made of the matrix material form around the webs when the insert is cast around due to the high temperature differences. In any case, microscopic analyzes show the stock of the webs in the finished composite casting, even with the material and quantity combinations mentioned above.
  • the composite casting according to the invention can be produced in that the material of the matrix is introduced into the insert by casting.
  • the known investment casting, gravity casting, low pressure casting and die casting processes are used.
  • Fig. 5 a composite casting similar to Figure 1 with a solid surface of the insert.
  • Figure 1 shows a composite casting 1, which is shown partly in section, partly in an oblique view.
  • this composite casting 1 contains an insert 2, the structure of which penetrates the surface 3 of the composite casting 1.
  • the insert 2 consists of a hard cobalt stellite, which increases the abrasion resistance of the surface 3.
  • the matrix 4 of the composite casting 1 consists of an austenite, so that even after its manufacture, the composite casting still has a ductility which is sufficient for any necessary forming.
  • Figure 2 shows an insert 2, which is composed of a solid part 5 and a sponge-structured part 6.
  • FIG. 3 shows the structure of the open-pore sponge structure of the metallic insert 2.
  • the open-pore structure of the structure ensures that cast-in metal can penetrate the insert 2 well.
  • a mutual alloy takes place. Discontinuous transitions can also be achieved.
  • the connection between the matrix 4 and the insert 2 is stable, since the large number of webs 7 and possibly also the sharpness of the web edges can ensure a good positive fit.
  • FIG. 4 shows a section of a composite casting 9 with an insert 10, in which a surface 11 has a regular lattice structure. This surface 11 simultaneously forms a partial area of the surface 12 of the composite casting 9. The remaining part of the insert part has the open-pore sponge structure already described above.
  • FIG. 5 shows a composite cast part 13 in which an insert part 14 which is positioned in a manner corresponding to FIG. 4 is arranged. However, instead of the grid-structured surface 11 (FIG. 4), this insert part 14 has a solid surface 15 made of the material of the insert part 14.
  • Inserts with a metallic, open-pore sponge structure can also be easily manufactured for high-temperature resistant materials such as cobalt stellite.
  • a polyurethane foam with broken cell membranes i.e. with an open-pore sponge structure, serves as the starting material. If necessary, this foam can be thickened with wax or a two-component synthetic resin.
  • the model made of polyurethane is surrounded by a ceramic molding material, for example a silicate-bonded ceramic slip, or finished molding compounds based on phosphate. After the molding material has set, the polyurethane foam is burned out and then the necessary strength is given by firing the ceramic mold. The ceramic mold can then be cast with the metallic high-temperature material. Differential pressure or centrifugal casting processes can be used for this.
  • the ceramic form can be removed mechanically by water jet, sandblast or ultrasound or removed by chemical attack.
  • the sponge structure of the insert is encapsulated with the matrix material.
  • investment casting, gravity, low pressure and die casting processes can be used for casting.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
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Abstract

Es soll ein Verbundgussteil (1) bereitgestellt werden, bei dem eine stabile Verbindung zwischen Matrix (4) und Einlegeteil (2) gewährleistet ist. Das Einlegeteil (2) weist zumindest zum Teil eine poröse offenporige Schwammstruktur auf. Dabei kann das Matrixmaterial eine bis zu 200 °C höhere Schmelztemperatur als das Material des Einlegeteils (2) aufweisen. Ein vollständiges Aufschmelzen der Stege des Einlegeteils (2) findet beim Eingiessen des Matrixmaterials in die Schwammstruktur auch dann nicht statt, wenn das Matrixmaterial im Bereich der Schwammstruktur bis zu 97 Vol.-% ausmacht.

Description

Verbundgußteil und Verfahren zu seiner Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verbundgußteil mit einer metallischen Matrix und mindestens einem in der Matrix befindlichen, rein metallischen, schmelzmetallurgisch hergestellten Einlegeteil.
Ein solches Verbundgußteil ist aus der EP 0 419 684 AI bekannt. Darin ist ein als Friktionselement einer Reibpaarung vorgesehenes Gußteil offenbart, bei dem das Einlegeteil ein dreidimensionales Gerüst aus verschleißfestem Werkstoff ist, welches mindestens in der Zone der Reibfläche angeordnet ist. Die Reibfläche weist ein regelmäßiges Mikrorelief auf, welches durch die Matrix und das über deren Oberfläche ragende Stirnende des Gerüstes gebildet ist. Gemäß diesem Stand der Technik kann das Gerüst unter anderem in Form einer Zellenstruktur oder eines gewellten Bandes ausgebildet werden. Es ist offenbart, diese Strukturen durch Formung massiver Metallbänder herzustellen. Insbesondere bei der Zellenstruktur ist diese Vorgehensweise, insbesondere im Falle von Zellengrößen in der Größenordnung von einigen Millimetern, sehr aufwendig. Spröde und hochfeste Metalle bzw. Metallegierungen sind hierfür erst gar nicht geeignet.
Aus der DE 23 657 47 AI sind Verbundgußteile bekannt, deren verschleißbeanspruchte Zonen durch Hartstoffteilchen gepanzert sind. Zur Herstellung dieser Verbundgußteile ist es offenbart, die Hartstoffteilchen in der Gußform nahe der verschleißbeanspruchten Oberfläche des Gußstük- kes mit Abstand voneinander unverschiebbar zu befestigen und mit dem Matrixwerkstoff zu umgießen. Zur Anordnung der Hartstoffteilchen ist ein winkelförmiger Träger aus Lochblech vorgesehen, auf dem die Hartstoffteilchen befestigt sind. Um Hartstoffteilchen anordnen zu können, ist es des weiteren bekannt, eine diese Teilchen enthaltende Schicht auf Teile der Formoberflä- che aufzutragen (DE 35 23 412 AI) oder mit einem Bindemittel zu vermischen und Konturen des Formhohlraumes damit zu bestreichen (DE 35 15 164 AI). Bei dem vorgenannten Stand der Technik unter Verwendung von Hartstoffteilchen ist es insbesondere nachteilig, daß mit vernünftigem Aufwand nur geringe und/oder ungleichmäßige Schichtdicken erreicht werden können. Zudem wird meist nur eine formschlüssige und keine stoffschlüssige Verbindung erzielt. Es sind des weiteren Verbundgußteile bekannt (DE 41 12 000 AI und DE 42 14 522 AI), zu deren Herstellung aus HartstofF- oder Hartmetallteilchen bestehende Bausteine paketartig zusammengesetzt, in der Gießform arretiert und anschließend mit verflüssigten Basis Werkstoffen umgössen werden. Aus der DE 41 07 416 AI ist ein Verbundgußteil bekannt, bei dem ein oder mehrere mit Hartstoffen und/oder Metallteilchen bewehrte Trägerkerne vorgesehen sind. Die Hartstoff- bzw. Hartmetallteilchen sind dabei durch ein Bindemittel untereinander und mit dem Trägerkern verbunden. Zur Herstellung des Verbundgußteiles, bei dem die Trägerkerne in die Gießform eingesetzt werden, sind thermisch beständige Kleber oder Bindemittel erforderlich.
Des weiteren sind Verbundgußteile bekannt (DE 42 11 199 AI), bei denen das Einlegeteil aus zwischen perforierten Blechen eingeschlossenen Hartmetallkugeln oder Hartstoffteilchen besteht. Aus solchen Blechen kann auch durch Setzen von Schweißpunkten eine sogenannte Legierbox, die Hartstoffteilchen enthält, als Einlegeteil hergestellt und umgössen werden. Der Stand der Technik unter Verwendung von Bausteinen, Trägerkernen und perforierten Blechen hat insbesondere den Nachteil, daß die Kontur des Verbundgußteiles nicht oder nur aufwendig beliebig dargestellt werden kann und die Einlegeteile aus mehreren Einzelteilen aufgebaut und miteinander verbunden werden müssen.
Aus der DE 39 17 033 Cl sind poröse, offenporige metallische Schwammstrukturen bekannt. Es wird offenbart, diese Strukturen zur Herstellung eines Implantates als Knochenersatz oder auch innerhalb von Filtern einzusetzen. Eine solche Struktur ist des weiteren aus der DE 28 43 316 AI bekannt, in der es offenbart ist, diese für Wärmetauscher, Mischer oder Separatoren für Flüssigkeiten und/oder Gase, Schallabsorptions- oder Isoliermaterial, Dämpfermaterial, Katalysatoren, Flammenlöschmaterialien, Dochtmaterialien für Wärmerohre, Verzierungsmaterialien etc. zu verwenden. Der Einsatz derartiger Strukturen innerhalb von Verbundgußteilen ist aus den vorgenannten Druckschriften weder bekannt noch nahegelegt.
Des weiteren sind Verbundkörper mit metallischer Matrix und einem schwamm strukturierten Einlegeteil aus Keramik bekannt (DE 197 28 358 AI). Diese haben insbesondere den Nachteil, daß in der Regel die Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Materialien sehr unterschiedlich sind, was zu Problemen hinsichtlich der Stabilität der Verbundkörper führen kann. Außerdem ist die stoffliche Verbindung zwischen Einlegeteil und Matrixmaterial nicht gegeben. Ferner sind Metallschäume bekannt (J. Banhart et al.; Aluminium 1994 3/4; S. 209), die aus einer Mischung eines Metallpulvers mit einem Treibmittel hergestellt werden. Die gepreßte und in eine gewünschte Form gebrachte Mischung wird hierfür auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls gebracht. Dabei setzt das Treibmittel ein Gas frei, wodurch die Schaumstruktur des Materials entsteht. Die Schaumstruktur kennzeichnet sich im Gegensatz zur Schwammstruktur durch geschlossenen Poren. Die innerhalb des Schaumkörpers befindlichen Poren können somit nicht zur Bildung eines Materialverbundes durch ein anderes Material gefüllt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Aufgabe, ein Verbundgußteil der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die vorbeschriebenen Nachteile des Standes der Technik weitgehend vermieden werden können, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aufzuführen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verbundgußteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das zumindest eine Einlegeteil zumindest zum Teil eine offenporige Schwamm Struktur aufweist und die Poren des Einlegeteils im wesentlichen vollständig vom Material der Matrix ausgefüllt sind. Die Schwammstruktur des Einlegeteiles besteht im wesentlichen aus statistisch im Räume verteilten Stegen, die in Knotenpunkten zusammenlaufen. Insbesondere die im Verhältnis zum Volumen sehr große Oberfläche des Einlegeteils sowie der gute Wärmeübergang zwischen dem Einlegeteil und dem verflüssigten Matrixmaterial beim Umgießen des Einlegeteils ermöglichen eine intensive stoffliche Verbindung zwischen Einlegeteil und Matrix. Doch auch ohne stoffliche Verbindung kann im Falle des reinen Formschlusses aufgrund der Vielzahl der Stege und der geringen Porengröße eine stabile Verankerung des Einlegeteils in der Matrix gewährleistet werden. Der Einsatz der porösen Schwammstrukturen ermöglicht insbesondere die Verwendung hochfester Metallegierungen als Material für das Einlegeteil. Die Einlegeteile können in nahezu beliebigen Formen hergestellt werden und beschränken daher kaum die möglichen Formen der Verbundgußteile. Mit dem Einlegeteil sollen die Eigenschaften des Verbundgußteils in gewünschter Weise beeinflußt werden. Die statistische Verteilung der Stege des Einlegeteils im Raum bewirkt, daß der Einfluß des Einlegeteils unabhängig von Raumrichtungen gestaltet werden kann, also beispielsweise eine isotrope Werkstoffverstärkung erreichbar ist. Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann auch als Ausgangsprodukt für Gußteile mit lokal begrenzten Legierungsbereichen verwendet werden, indem die Einlage komplett in der Matrix aufgeschmolzen wird. Die offenporige Schwammstruktur des Einlegeteils gewährleistet ein weitgehend gleichmäßiges Auflegieren. Die feinverzweigte offenporige Schwammstruktur trägt wesentlich dazu bei, daß das Matrixmaterial mit ihr eine innige Verbindung eingeht, ohne daß hierfür das Einlegeteil vorgeheizt oder beschichtet werden müßte. Dieses Verhalten ist auch bei dünnwandigen zu verstärkenden Verbundgußteilen gewährleistet. Der Volumenanteil des Einlegeteils am Verbundgußteil kann von 3% bis zu 95% betragen.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann vorteilhaft für die Herstellung von Roststäben, Schredderhämmern, Mahlplatten, Gleitbuchsen, Lagerschalen, Maschinenführungen und dergleichen verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann auch so ausgebildet sein, daß es im Bereich der offenporigen Schwammstruktur des Einlegeteils zu 3Vol% bis 15Vol% aus dem Material des Einlegeteils und zu 85Vol% bis 97Vol% aus dem die Poren ausfüllenden Material der Matrix zusammengesetzt ist.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann auch so ausgebildet sein, daß das zumindest eine Einlegeteil zumindest in Teilbereichen die Oberfläche des Verbundgußteils durchsetzt. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn vornehmlich die Oberfläche des Verbundgußteils einer erhöhten Beanspruchung ausgesetzt ist.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbundgußteil so ausgebildet sein, daß das zumindest eine Einlegeteil zumindest in Teilbereichen oberflächennah angeordnet ist, wobei die darüberlie- gende Oberfläche allein vom Material der Matrix gebildet ist. Durch die Abdeckung mittels des Matrixmaterials kann das Material des Einlegeteils beispielsweise gegen schädliche Einflüsse der Umgebung, zum Beispiel Korrosion, geschützt werden. Es kann sinnvoll sein, durch das Einlegeteil allein die oberflächennahen Bereiche in ihren Eigenschaften zu beeinflussen, zum Beispiel die Steifigkeit des Materials zu erhöhen, wenn an der Oberfläche selbst die Eigenschaften des Matrixmaterials benötigt werden.
Es kann auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verbundgußteil so auszubilden, daß das zumindest eine Einlegeteil aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metallegierung und die Matrix aus einer gegenüber dem zumindest einen Einlegeteil duktilen Metall oder einer duktilen Metallegierung besteht. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß das Verbundgußteil zum einen noch eine gewisse Duktilität aufweist, zum anderen aber die Strukturen des Einlegeteils eine hohe Verschleißfestigkeit der Verbundgußteiloberfläche, zum Beispiel bei abrasiver Beanspruchung oder beim Einsatz unter hohen Temperaturen oder starken Temperaturwechseln, gewährleisten.
Je nach Bedarf können auch nahezu beliebige andere Eigenschaftskombinationen ausgewählt werden, zum Beispiel ein Einlegeteil aus einem weichen Metall, wie beispielsweise Nickel oder Kupfer, und die Matrix aus einem harten Material, zum Beispiel verschleißbeständigem Stahl. Ein Einlegeteil aus einem harten Metall, zum Beispiel Stellit, kann auch mit einer harten Matrix, zum Beispiel aus verschleißbeständigem oder hitzebeständigem Stahl, kombiniert werden. Die Wahl artverwandter Materialien für das Einlegeteil und die Matrix kann für das Umgießen der Schwammstruktur sehr vorteilhaft sein.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann vorteilhaft auch so ausgebildet sein, daß das zumindest eine Einlegeteil allein in bestimmten Bereichen des Verbundgußteils positioniert ist. Der Materialverbund kann sich allein auf besonders beanspruchte Bereiche des Verbundgußteils beschränken, zum Beispiel auf einen Bereich mit einer Reibfläche. Hierdurch können Kosten- und Verfahrensaufwand reduziert werden.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbundgußteil so ausgebildet sein, daß die Übergänge zwischen dem zumindest einen Einlegeteil und der Matrix gradiert sind. Diverse Kombinationen von Metallen oder Metallegierungen erlauben einen im wesentlichen stetigen Übergang vom Matrixmaterial zum Material des Einlegeteils, d.h. von einem Steg des Einlegeteils ausgehend schließt sich zunächst eine Legierung von Einlegeteilmaterial und Matrixmaterial an, bei der mit zunehmender Entfernung zum Steg die Konzentration des Matrixmaterials steigt, bis letzteres in weitgehend reiner Form vorliegt. Dies kann sich bei geeigneter Temperatur und Menge des einzugießenden Materials bereits allein durch den Eingießvorgang ergeben. Alternativ könnte eine Gradierung der Übergänge zum Beispiel durch ein kurzzeitiges Aufschmelzen der Ein- legeteiloberfläche beim Eingießen des Matrixmaterials erreicht werden. Die Stärke des gradierten Übergangs kann über ein Temperieren des Einlegeteils und/oder eine Steuerung der Abküh- lung des frisch gegossenen Verbundgußteils beeinflußt werden. Ein gradierter Matrixübergang gewährleistet zusammen mit gegebenenfalls geringen Porengrößen von wenigen Millimetern oder kleiner, daß Spannungen zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten minimiert werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbundgußteil auch so ausgebildet sein, daß das Einlegeteil zum Teil massiv ist.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann auch so ausgebildet sein, daß mindestens ein von einem Teilbereich des Einlegeteils gebildeter Bereich erhöhter Verschleißbeständigkeit vorgesehen ist, in dem im Einlegeteil die Porengröße im Durchschnitt kleiner und/oder die Stegdicke im Durchschnitt größer ist als im übrigen Teilbereich des Einlegeteils. Durch die räumliche Variation der Porengröße und/oder der Stegdicke können lokale Unterschiede in der Beanspruchung des Verbundgußteils berücksichtigt werden. Die Porengröße und/oder die Stegdicke kann dabei gradiert variieren.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verbundgußteil auch so ausgebildet sein, daß die Schmelztemperatur des Matrixmaterials die Schmelztemperatur des Materials des Einlegeteils übersteigt. Es ist ein überraschender Effekt, daß selbst bei einem Anteil des Matrixmaterials bis 95Vol% im Bereich der Schwammstruktur und bei Schmelztemperaturunterschieden bis 200°C das Einlegeteil nicht beim Umgießen mit dem Matrixmaterial aufgeschmolzen wird. Möglicherweise bilden sich beim Umgießen des Einlegeteils aufgrund der hohen Temperaturunterschiede durch Abschreckung schützende Schalen aus dem Matrixmaterial um die Stege herum. Jedenfalls zeigen mikroskopische Schliffanalysen den Bestand der Stege im fertigen Verbundgußteil auch bei den oben erwähnten Material- und Mengenkombinationen.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann dadurch hergestellt werden, daß das Material der Matrix durch Gießen in das Einlegeteil eingebracht wird. Dabei können z.B. die an sich bekannten Feingieß-, Schwerkraftgieß-, Niederdruckgieß- und Druckgießverfahren genutzt werden.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundgußteils sowie die Möglichkeit seiner Herstellung anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt schematisch
Fig. 1 : ein Verbundgußteil im Schnitt sowie in Schrägaufsicht,
Fig. 2: ein Einlegeteil aus einem schwammstrukturierten und einem massiven Teil, Fig. 3: die offenporige Schwammstruktur eines Einlegeteils,
Fig. 4: ein Verbundgußteil ähnlich zu Figur 1 mit einer gitterstrukturierten Oberfläche des Einle- geteils und
Fig. 5: ein Verbundgußteil ähnlich zu Figur 1 mit einer massiven Oberfläche des Einlegeteils.
Figur 1 zeigt ein Verbundgußteil 1, das teils im Schnitt, teils in der schrägen Aufsicht dargestellt ist. Dieses Verbundgußteil 1 enthält in einem begrenzten Bereich ein Einlegeteil 2, dessen Struktur die Oberfläche 3 des Verbundgußteiles 1 durchsetzt. Diese Oberfläche 3 ist im Einsatz des Verbundgußteiles 1 einer erhöhten Beanspruchung, zum Beispiel durch Reibung, ausgesetzt. Das Einlegeteil 2 besteht aus einem harten Kobaltstellit, der die Abrasivbeständigkeit der Oberfläche 3 erhöht. Die Matrix 4 des Verbundgußteiles 1 besteht aus einem Austenit, so daß das Verbundgußteil auch nach seiner Fertigung noch eine Duktilität aufweist, die für gegebenenfalls erforderliche Umformungen hinreichend ist.
Figur 2 zeigt ein Einlegeteil 2, das aus einem massiven Teil 5 und aus einem schwammstrukturierten Teil 6 zusammengesetzt ist.
Figur 3 zeigt den Aufbau der offenporigen Schwammstruktur des metallischen Einlegeteiles 2. Eine Vielzahl im Räume statistisch verteilter Stege 7 treffen sich in Knotenpunkten 8. Die Of- fenporigkeit der Struktur gewährleistet, daß eingegossenes Metall das Einlegeteil 2 gut durchdringen kann. Bei gradierten Übergängen zwischen dem Einlegeteil 2 und dem Material der Ma- trix 4 (Fig. 1) erfolgt eine wechselseitige Legierung. Es können auch unstetige Übergänge erreicht werden. Auch in diesem Falle ist die Verbindung zwischen Matrix 4 und Einlegeteil 2 stabil, da die Vielzahl der Stege 7 und gegebenenfalls auch die Schärfe der Stegkanten einen guten Formschluß gewähren können.
Die Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein Verbundgußteil 9 mit einem Einlegeteil 10, bei dem eine Oberfläche 11 eine regelmäßige Gitterstruktur aufweist. Diese Oberfläche 11 bildet gleichzeitig einen Teilbereich der Oberfläche 12 des Verbundgußteiles 9. Der übrige Teil des Einlegeteils weist die bereits oben beschriebene offenporige Schwammstruktur auf. Figur 5 zeigt ein Verbundgußteil 13, in dem ein zu Figur 4 in entsprechender Weise positioniertes Einlegeteil 14 angeordnet ist. Dieses Einlegeteil 14 weist jedoch anstatt der gitterstrukturierten Oberfläche 11 (Figur 4) eine massive Oberfläche 15 aus dem Material des Einlegeteils 14 auf.
Einlegeteile mit metallischer, offenporiger Schwammstruktur können ohne weiteres auch für hochtemperaturfeste Materialien, wie Kobaltstellit, hergestellt werden. Als Ausgangsmaterial dient dabei ein Polyurethan-Schaum mit gesprengten Zellmembranen, das heißt mit einer offenporigen Schwammstruktur. Dieser Schaum kann bei Bedarf durch Wachs oder einen zweikom- ponentigen Kunstharz aufgedickt werden. Das Modell aus Polyurethan wird mit einem keramischen Formstoff, zum Beispiel einem silikatgebundenen keramischen Schlicker, oder fertigen Formmassen auf Phosphatbasis, umgeben. Nach dem Abbinden des Formstoffes wird der Polyurethan-Schaum ausgebrannt und anschließend durch Brennen der Keramikform die nötige Festigkeit verliehen. Die Keramikform kann dann mit dem metallischen Hochtemperaturwerkstoff abgegossen werden. Hierfür können Differenzdruck- oder Schleudergußverfahren eingesetzt werden. Die Keramikform kann mechanisch durch Wasserstrahl, Sandstrahl oder Ultraschall entfernt oder durch chemischen Angriff beseitigt werden. Zur Herstellung des Verbundgußteiles wird die Schwammstruktur des Einlegeteils mit dem Matrixmaterial umgössen. Zum Gießen können insbesondere Feingieß-, Schwerkraft-, Niederdruck- und Druckgießverfahren genutzt werden.
Bezugszeichenliste
1. Verbundgußteil
2. Einlegeteil
3. Oberfläche
4. Matrix
5. massiver Teil des Einlegeteils
6. schwammstrukturierter Teil des Einlegeteils
7. Steg
8. Knotenpunkt
9. Verbundgußteil
10. Einlegeteil
11. Oberfläche des Einlegeteils
12. Oberfläche des Verbundgußteils
13. Verbundgußteil
14. Einlegeteil
15. Oberfläche des Einlegeteils

Claims

Ansprüche
1. Verbundgußteil mit einer metallischen Matrix (4) und mindestens einem in der Matrix (4) befindlichen, rein metallischen, schmelzmetallurgisch hergestellten Einlegeteil (2,10,14), dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) zumindest zum Teil eine offenporige Schwammstruktur aufweist und die Poren des Einlegeteils (2,10,14) im wesentlichen vollständig vom Material der Matrix (4) ausgefüllt sind.
2. Verbundgußteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der offenporigen Schwammstruktur des Einlegeteils (2,10,14) zu 3Vol% bis 15Vol% aus dem
Material des Einlegeteils (2,10,14) und zu 85Vol% bis 97Vol% aus dem die Poren ausfüllenden Material der Matrix (4) zusammengesetzt ist.
3. Verbundgußteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2, 10,14) zumindest in Teilbereichen die Oberfläche (12) des
Verbundgußteils durchsetzt.
4. Verbundgußteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) zumindest in Teilbereichen oberflächennah angeordnet ist, wobei die darüberliegende Oberfläche (3) allein vom Material der Matrix (4) gebildet ist.
5. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metallegierung und die Matrix (4) aus einem gegenüber dem zumindest einen Einlegeteil (2, 10,14) duktilen Metall oder einer duktilen Metallegierung besteht.
6. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (4) aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metallegierung und das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) aus einem gegenüber der Matrix (4) duktilen Metall oder einer duktilen Metallegierung besteht.
7. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) allein in bestimmten Bereichen des Verbundgußteiles positioniert ist.
8. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen dem zumindest einen Einlegeteil (2,10,14) und der Matrix (4) gradiert sind.
9. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil (2,10,14) zum Teil massiv ist.
10. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein von einem Teilbereich des Einlegeteils (2,10,14) gebildeter Bereich erhöhter
Verschleißbeständigkeit vorgesehen ist, in dem im Einlegeteil (2,10,14) die Porengröße im Durchschnitt kleiner und/oder die Stegdicke im Durchschnitt größer ist als im übrigen Teilbereich des Einlegeteils (2,10,14).
11. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Matrixmaterials die Schmelztemperatur des Materials des Einlegeteils (2,10,14) übersteigt.
12. Verfahren zu Herstellung eines Verbundgußteils gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Matrix (4) durch Gießen in das Einlegeteil (2,10, 14) eingebracht wird.
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