WO2005014238A1 - Komposit-werkzeug für schlagende und/oder abrasive belastungen - Google Patents

Komposit-werkzeug für schlagende und/oder abrasive belastungen Download PDF

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WO2005014238A1
WO2005014238A1 PCT/EP2004/008648 EP2004008648W WO2005014238A1 WO 2005014238 A1 WO2005014238 A1 WO 2005014238A1 EP 2004008648 W EP2004008648 W EP 2004008648W WO 2005014238 A1 WO2005014238 A1 WO 2005014238A1
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composite tool
tool according
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base body
molded body
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PCT/EP2004/008648
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Bruno Mayer
Stephan O. Mayer
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Stahlwerke Bochum Gmbh
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D17/00—Details of, or accessories for, portable power-driven percussive tools
    • B25D17/02—Percussive tool bits
    • 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
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25D—PERCUSSIVE TOOLS
    • B25D2222/00—Materials of the tool or the workpiece
    • B25D2222/21—Metals
    • B25D2222/42—Steel

Definitions

  • the invention relates to a composite tool for impact loads.
  • Such tools are used, for example, to shred metal, rock or demolition materials.
  • the tools are exposed to extreme loads both in the area of their surfaces that come into direct contact with the material to be shredded and in the area in which they are held in the respective shredding machine.
  • a disadvantage of the simple monoblock tools explained above is that they have a consistently low base hardness or are made from impact-hardening materials. As a rule, they show insufficient wear resistance. With highly or differentiated, over several sections differently hardened monoblock tools, on the other hand, often run the risk of breaking in zones that are particularly hard and, with it, have low ductility.
  • Tools for impact loads which are produced by composite casting are also known.
  • the lock-resistant molded body is generally held in the material of the base body by a material connection.
  • a disadvantage of these tools is the high cost of their manufacture, which results from the high cost of materials and complex process control.
  • Tools of this type are known for example from DE-PS 592 580.
  • the invention proposes a composite tool for impact loads that comprises a base body produced from a highly ductile, impact-hardening iron-based alloy and at least one base body cast into the base body, largely excluding one Has cohesive connection form-fitting molded body which is arranged in the area of the composite tool directly exposed to the impact load and is prefabricated as a solid body from a highly wear-resistant metal material which differs from the iron material of the base body.
  • the tool according to the invention essentially consists of a base body which is produced from a cast, highly ductile material.
  • a shaped body is placed in the zone of this base body, which is impacted and / or abrasively during operation, and is made of a high-strength, also metallic, preferably iron-based alloy.
  • the shape of the shaped body is selected so that the shaped body is securely held in a form-fitting manner in the material of the base body surrounding it.
  • the materials of the base body and molded body are matched to one another in such a way that there is no significant material connection between the molded body and the base body. It is also not provided according to the invention that the shaped body is replaced by additional mechanically acting 'resource is held in the base body.
  • the invention provides a tool which can be used universally in comminution machines and is particularly easy to produce, which has a high wear resistance in its working zone exposed to primary wear due to the molded body arranged there and at the same time has a significantly reduced sensitivity to breakage. Since the high impact or abrasive loads are absorbed by the molded body made of hard, wear-resistant material, the base body material and the heat treatments used in its processing can be designed for the highest possible ductility of the base body regardless of the loads occurring in practical operation.
  • the heat treatment used in the production of composite tools according to the invention provides that the heat control during the manufacturing process takes into account the necessary parameters for the two materials to be combined.
  • the aim is to produce the highest possible ductility in the base body and the highest possible hardness in the molded body. This is achieved by treatment in the high temperature range of 950 - 1100 ° C. This is followed by broken liquid hardening in the range of 350 - 600 ° C, which is then followed by cooling in air and subsequent relaxation at temperatures of 300 - 400 ° C.
  • the molded body can be prefabricated in any inexpensive manner. This can be the case with the molded body cast into the tool according to the invention for example, a forged part, a stamped part, a cut part, a fired part, a sintered part or a casting.
  • the stamped part, burned or cut part can be made from a flat material.
  • the selection of the materials used for the base body and the molded body ensures that the specific mechanical-technological properties of both materials, namely on the one hand highly wear-resistant for the molded body and on the other hand highly ductile for the base body, are retained both during the manufacturing process itself and in practical use.
  • An iron alloy that (in% by weight) 8.0 - 22.0% Mn, 0.2 - 2.8% Cr, 0.5 has proven to be a suitable material for the production of the base body, which fulfills these requirements - 1.5% C and the rest contains Fe and unavoidable impurities.
  • an iron alloy that enables a high hardness of the molded body contains (in% by weight) 6.0-16.0% Cr, 0.3-1.5% Mo, 0.3-1.4% W, 0.6 - 2.2% C and the balance Fe and unavoidable impurities. Supported by a heat treatment tailored to the respective material compositions, these alloys can be used to produce particularly long-lasting, robust tools that can withstand even the toughest loads over the required service life. ' The materials of the base body and molded body can be matched to one another within the alloy specified according to the invention in such a way that the molded body is permanently clamped in the tool during and as a result of the use stress.
  • the invention is characterized in that in the area in which the iron material of the base material laterally surrounds the molded body, the ratio of the average thickness of the base material measured in a first axis to the average thickness of the cast molded body measured in the same axis is 0.2 to 1.0 If this range of strength ratios is taken into account, a high level of security against breakage is guaranteed, even with strongly changing loads in the area of the clamping and storage zone of the tool.
  • a tool according to the invention is deliberately produced in such a way that there is no substantial metallic bond between the molded body and the base body at least partially surrounding it.
  • the molded body is rather designed such that the molded body is embedded in a form-fitting manner in the material of the base body.
  • the molded body can have a shape tapering from a base surface in the direction of its end surfaces opposite the base surface and the end surface can be assigned to the area of the composite tool that is directly exposed to the impact.
  • Such a shape is given, for example, when the shaped body has the basic shape of a truncated pyramid. In the case of such a shape tapering essentially conically from the base to the end face, it is ensured in a simple manner that the molded body is held securely in the base body even after a long operating time.
  • the form-fitting hold of the shaped body can also be achieved in that depressions are formed in the side surfaces of the shaped body. Alternatively or in addition, elevations can be formed on the side surfaces of the shaped body.
  • the composite tools 1, 11, 21, 31 shown in FIG. 1 each have a cuboid-shaped base body 2, which is cast from a highly ductile iron material. Starting from its one narrow end face 2a, the base body 2 is in a working section 2b, which in practical use is exposed to direct contact with the material to be shredded and extends over about a third of the total length L of the base body 2, a clamping section adjoining the working section 2b 2c, on which, when the composite tool 1, 11, 21, 31 is mounted, the clamping device (not shown) of a comminution machine, also not shown, engages and divides a bearing section 2d adjoining the clamping section 2c, on which the tool 1 in the assembled position in the comminution machine is supported.
  • a molded body 3 made of a high-strength, hard iron material is cast into the working section of the base body 1.
  • the molded body 3 has a hexagonal base surface 3a with two opposing long sides, which are connected at their ends by two short sides meeting at an obtuse angle that is open towards the inner surface. Based on that shaped base 3a, the molded body 3 tapers in the direction of the end face 2a of the base body 2.
  • a shape of the molded body 3 that tapers conically starting from the base surface 3a in the direction of the end surface 3b of the molded body 3 assigned to the end surface 2a of the base body 2 is formed.
  • the shaped body 3 shaped in this way is completely surrounded laterally in the new state of the tool 1 and in the area of its base 3a by the material of the base body 2.
  • the mean thickness d G ⁇ of the wall 2f of the base body 2, which extends parallel to the end face 2a in the direction of the wider side faces of the base body 2 and is oriented perpendicularly to the measurement body X, is selected such that the The ratio of the average thickness d G ⁇ to the average thickness d F ⁇ of the shaped body 3 measured in the same measuring axis X is approximately 0.3.
  • the thickness d G2 of the wall 2e of the base body 2 which is laterally surrounding the shaped body 3 in the width direction and measured in a measuring axis Y oriented transversely to the measuring axis X, is selected such that the ratio of the average thickness d G2 to the average thickness measured in the same measuring axis Y d F2 of the shaped body 3 is approximately 0.2.
  • a molded body 13 made from a high-hard iron material.
  • the material of the base body 2 completely surrounds the molded body 2 when the tool 11 is new.
  • the molded body 13 of the tool 11 has a tapering shape, starting from its base 13a in the direction of its front side 13b assigned to the front side 2a of the base body 2.
  • the base surface 13a and, accordingly, the end face 13b of the molded body are also hexagonal, the surfaces 13a, 13b in this case being delimited by two short, mutually opposite sides, each of which is opened by a blunt one to the respective surface 13a, 13b Longer sides that meet at angles are connected to one another.
  • the essentially conical shape of the solid molded body 13, which tapers from the base surface 13a and the embedding of the molded body 13 in the material of the base body 12 ensures that the molded body 13 is still securely in the base body even after a long period of operation 2 held and is able to absorb the striking load directly striking the tool 11 just as securely.
  • the working section 2b of the base body 2 is in turn off cast a solid metal material produced, solidly formed molded body 23.
  • the material of the base body 2 completely surrounds the molded body 23 when new.
  • the molded body 23 has a truncated pyramid-shaped basic shape, which has four side surfaces 23c, 23d, 23e, 23f, the base surface 23a of which is larger than its end surface 23b assigned to the end surface 2a of the base body 2.
  • channel-like depressions 23g are formed at regular intervals and extending over the length of the molded body 23, while knob-like projections 23h are formed on the two other opposite side surfaces 23e, 23f in an irregular arrangement.
  • the depressions 23g and the projections 23h in combination with the shape of the shaped body 23 tapering starting from the base area 23a in the direction of the end face 23b, support its secure, form-fitting hold in the material of the base body 2.
  • the composition of the iron material of the base body 2 is so matched to the composition of the iron material from which the molded body 23 is made, that the molded body 23 is additionally non-positively held in the base body 2 under tension after the completion of the composite tool 21 due to the different thermal expansion behavior of the two materials.
  • three molded bodies 33 ', 33''and33''' are cast in.
  • the shaped bodies 33 ', 33'',33''' are each formed in the shape of a truncated pyramid and run from their rectangular base surface 33a in Direction of the end face 2a of the base body 2 of the tool 31 assigned and in the new state flush with this aligned end face 33b.
  • the length of the shaped body 33 '' arranged between the two outer shaped bodies 33 ', 33''' is approximately . half the length of the other two shaped bodies 33 'and 33'''.
  • the shaped bodies 33 ', 33''and33''' are arranged at a distance that both the ratio of the average thickness d Gi measured in the direction of the measuring axis X of the shaped bodies 33 ', 33''and33''' in each case in the thickness direction of the material of the base body 2 to the mean thickness d F ⁇ of the shaped bodies 33 ', 33'',33''' measured in the same measuring axis X and the ratio of the mean thickness d G2 measured in the direction of the measuring axis Y of the shaped bodies 33 ', 33''and33''' in the width direction of the material of the base body 2 in relation to the average thickness d F2 of the shaped bodies 33 ', 33'',33''' measured in the same measuring axis Y in the range from 0.2 to 1 , 0 lies.
  • this allows the wall thicknesses d G ⁇ bz to be matched to the thickness d F ⁇ , d F ⁇ of the shaped body 33 ', 33'',33''' , ' d G2 ensures that the molded bodies 33', 33 '', 33 '''are held in the ductile iron material of the base body 2 in the tool 31 in a manner which is sufficiently elastic for a permanently secure hold, even under the hard loads occurring in practical use ,
  • An important advantage of the composite tool 31 shown in FIG. 4 is that with the introduction of several harder shaped bodies 33 ', 33'',33''' into the highly ductile base body 2 by the between the individual shaped bodies 33 ', 33'',33''' existing ductile base material, the risk of breakage in practical use is significantly minimized.
  • the different length of the Shaped body 33 ', 33'',33''' takes into account the limitation of the desired increased wear resistance to zones of the main wear stress.

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Abstract

Mit der Erfindung steht ein in Zerkleinerungsmaschinen universell einsetzbares, besonders einfach herstellbares Werkzeug zur Verfügung, das in seiner dem primären Verschleiß ausgesetzten Arbeitszone durch den dort angeordneten Formkörper einen hohen Verschleißwiderstand besitzt und gleichzeitig eine deutlich reduzierte Bruchempfindlichkeit aufweist. Zu diesem Zweck ist ein erfindungsgemäßes Komposit-Werkzeug für schlagende und/oder abrasive Belastungen mit einem aus einer hochduktilen, schlaghärtenden Eisenbasis-Legierung erzeugten Grundkörper (2) und mindestens einem in den Grundkörper (2) eingegossenen, im Grundkörper (2) unter weitestgehendem Ausschluss einer stoffschlüssigen Verbindung formschlüssig gehaltenen Formkörper (3,13,23,33',33'',33''') ausgestattet, der im der schlagenden Belastung direkt ausgesetzten Bereich des Komposit-Werkzeugs (1,11,21,31) angeordnet und aus einem vom Eisenwerkstoff des Grundkörpers (2) abweichenden, hochverschleißfesten Metallwerkstoff als massiver Körper vorgefertigt ist.

Description

KOMPOSIT-WERKZEUG FÜR SCHLAGENDE UND/ODER ABRASIVE BELASTUNGEN
Die Erfindung betrifft ein Komposit-Werkzeug für schlagende Belastungen. Derartige Werkzeuge werden beispielsweise zum Zerkleinern von Metall-, Gesteins- oder Abbruchmaterialien eingesetzt. Dabei sind die Werkzeuge extremen Belastungen sowohl im Bereich ihrer direkt mit dem zu zerkleinernden Gut in Kontakt kommenden Flächen als auch in dem Bereich ausgesetzt, in dem sie in der jeweiligen Zerkleinerungsmaschine gehalten sind.
Aus der Praxis bekannt und in der DE-OS 28 29 847 beschrieben sind im Einsatz schlagend und / oder abrasiv belastete Werkzeuge, die als so genannter "Monoblock" ausgeführt sind. Einfache Ausführungen dieser aus einem einzigen Metallmaterial bestehenden, blockartigen Werkzeuge weisen in der Regel eine über ihren Querschnitt und ihre Länge gleichmäßige Härte auf. Besser an die jeweils auftretenden Belastungen angepasste Monoblock-Werkzeuge weisen dagegen üblicherweise mindestens zwei Zonen unterschiedlicher Härte auf, von denen die härtere der direkten schlagenden Belastung ausgesetzt wird, während im Bereich der zäheren, weniger harten Zone die Einspannung des Werkzeugs in der jeweiligen Maschine vorgenommen wird.
Ein Nachteil der voranstehend erläuterten einfach ausgeführten Monoblock-Werkzeuge ist, dass sie eine durchgehend niedrige Basishärte besitzen oder aus schlaghärtenden Materialien hergestellt sind. Sie weisen in der Regel einen zu geringen Verschleißwiderstand auf. Bei hoch- bzw. differenziert, über mehrere Abschnitte unterschiedlich gehärteten Monoblock-Werkzeugen besteht dagegen häufig das Risiko eines Bruchs in den Zonen, die eine besonders hohe Härte und, damit einhergehend, eine niedrige Duktilität besitzen.
Es ist versucht worden, die Nachteile der Monoblock- Werkzeuge durch Werkzeuge aus Materialien mit von einander abweichenden mechanisch-technologischen Eigenschaften zu beseitigen. Die verschleißfesten, die hohen. mechanischen Schlagbelastungen aufnehmenden Formteile sind dabei durch mechanische Hilfsmittel in dem jeweiligen Grundkörper eingespannt. Im praktischen Einsatz zeigt sich allerdings, dass die mechanischen Verbindungen zwischen den miteinander verkoppelten Elementen anfällig gegen Ermüdung in Folge der im Betrieb auftretenden hohen Belastungen sind.
Auch sind Werkzeuge für schlagende Belastungen bekannt, die durch Verbundguss erzeugt worden sind. Bei diesen Werkzeugen wird der verschließfeste Formkörper in der Regel durch eine stoffschlüssige Verbindung in dem Material des Grundkörpers gehalten. Nachteilig an diesen Werkzeugen sind allerdings die hohen Kosten ihrer Herstellung, die sich durch einen hohen Aufwand an Material und eine komplexe Prozessführung ergeben. Darüber hinaus besteht im Betrieb laufend das Risiko eines Bruchs der metallischen Verbindung zwischen verschleißbeständigem Formelement und Grundkörper. Werkzeuge dieser Art sind beispielsweise aus der DE-PS 592 580 bekannt.
Schließlich sind Komposit-Werkzeuge bekannt, bei denen ein schwammartiges, porös ausgebildetes Insert, das aus Metall oder einer Keramik bestehen kann, in den Werkstoff des Grundkörpers eingegossen ist. Im Zuge des Abgießens dringt der Grundkörper-Werkstoff in die Öffnung und Höhlungen des Inserts ein, so dass sich eine intensive Verklammerung des Grundkörpers mit dem Inlay ergibt. Problematisch beim Einsatz solcherart hergestellter Werkzeuge ist jedoch, dass sich die Sprödigkeit der als Werkstoff für den Inlay- Werkstoff eingesetzten Metall-Oxide bei bestimmten Anwendungen nachteilig auf das Einsatzverhalten der Werkzeuge auswirkt.
Die Erfindung schlägt zur Beseitigung der voranstehend erläuterten, beim Stand der Technik festgestellten Nachteile ein Komposit-Werkzeug für schlagende Belastungen vor, dass einen aus einer hochduktilen, schlaghärtenden Eisenbasis-Legierung erzeugten Grundkörper und mindestens einem in den Grundkörper eingegossenen, im Grundkörper unter weitestgehendem Ausschluss einer stoffschlüssigen Verbindung formschlüssig gehaltenen Formkörper aufweist, der im der schlagenden Belastung direkt ausgesetzten Bereich des Komposit-Werkzeugs angeordnet und aus einem vom Eisenwerkstoff des Grundkörpers abweichenden, hochverschleißfesten Metallwerkstoff als massiver Körper vorgefertigt ist.
Das erfindungsgemäße Werkzeug besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper, der aus einem gegossenen, hochduktilen Werkstoff erzeugt ist. In der im Betrieb schlagend und / oder abrasiv belasteten Zone dieses Grundkörpers ist ein Formkörper platziert, der aus einer hochfesten, ebenfalls metallischen, bevorzugt eisenbasierten Legierung gefertigt ist. Die Form -des Formkörpers ist dabei so gewählt, dass der Formkörper im ihn umgebenden Material des Grundkörpers sicher formschlüssig gehalten ist. Gleichzeitig sind die Werkstoffe von Grundkörper und Formkörper so aufeinander abgestimmt, dass es zu keiner nennenswerten stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Formkörper und dem Grundkörper kommt. Ebenso wenig ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Formkörper durch zusätzliche mechanisch wirkende ' Hilfsmittel in dem Grundkörper gehalten ist.
Mit der Erfindung steht ein in Zerkleinerungsmaschinen universell einsetzbares, besonders einfach herstellbares Werkzeug zur Verfügung, das in seiner dem primären Verschleiß ausgesetzten Arbeitszone durch den dort angeordneten Formkörper einen hohen Verschleißwiderstand besitzt und gleichzeitig eine deutlich reduzierte Bruchempfindlichkeit aufweist. Da die hohen schlagenden oder abrasiven Belastungen durch den aus hartem, verschleißfestem Material bestehenden Formkörper aufgenommen werden, können der Grundkörperwerkstoff und die bei seiner Verarbeitung angewendeten Wärmebehandlungen ohne Rücksicht auf die im praktischen Betrieb auftretenden Belastungen auf eine möglichst hohe Duktilität des Grundkörpers ausgerichtet sein.
Die bei der Erzeugung erfindungsgemäßer Komposit-Werkzeuge angewendete Wärmebehandlung sieht vor, dass die Wärmeführung während des Herstellprozesses die notwendigen Parameter für die beiden zu kombinierenden Werkstoffe berücksichtigt. Ziel ist es dabei, im Grundkörper eine möglichst hohe Duktilität und im Formkörper eine möglichst hohe Härte zu erzeugen. Dies wird erreicht durch eine Behandlung im Hochtemperaturbereich von 950 - 1100 °C. Dann erfolgt eine gebrochene Flüssigkeitshärtung im Bereich von 350 - 600 °C, an die sich wiederum eine Abkühlung an Luft und ein nachträgliches Entspannen bei Temperaturen von 300 - 400 °C anschließen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Formkörper in beliebiger, kostengünstiger Weise vorgefertigt werden kann. So kann es sich bei dem in das erfindungsgemäße Werkzeug eingegossenen Formkörper beispielsweise um ein Schmiedeteil, ein Stanzteil, ein geschnittenes Teil, ein gebranntes Teil, ein Sinterteil oder ein Gussstück handeln. Dabei kann das Stanzteil, gebrannte bzw. geschnittene Teil aus einem Flachmaterial hergestellt sein.
Erfindungsgemäß wird durch die Auswahl der für den Grundkörper und den Formkörper verwendeten Werkstoffe sichergestellt, dass die spezifischen mechanischtechnologischen Eigenschaften beider Werkstoffe, nämlich einerseits hochverschließfest für den Formkörper und andererseits hochduktil für den Grundkörper, sowohl während des Herstellungsprozesses selbst als auch im praktischen Einsatz erhalten bleiben. Als für die Herstellung des Grundkörpers geeigneter Werkstoff, der diese Anforderungen erfüllt, erweist sich eine Eisenlegierung, die (in Gew.-%) 8,0 - 22,0 % Mn, 0,2 - 2,8 % Cr, 0,5 - 1,5 % C und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält. Eine eine hohe Härte des Formkörpers ermöglichende Eisenlegierung enthält dagegen (in Gew.-%) 6,0 - 16,0 % Cr, 0,3 - 1,5 % Mo, 0,3 - 1,4 % W , 0,6 - 2,2 % C und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Unterstützt durch ein auf die jeweiligen Werkstoff-Zusammensetzungen abgestimmte Wärmebehandlung lassen sich mit diesen Legierungen besonders langlebige, robuste Werkzeuge erzeugen, die auch härtesten Belastungen über die jeweils geforderte Einsatzdauer standhalten.' Dabei können innerhalb der erfindungsgemäß vorgegebenen Legierung die Werkstoffe von Grundkörper und Formkörper so aufeinander abgestimmt werden, dass der Formkörper während und in Folge der Nutzungsbeanspruchung permanent im Werkzeug verspannt ist.
Eine weitere im Hinblick auf die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und die Minimierung des Risikos eines Werkzeugsbruchs besonders günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich, in dem der Eisenwerkstoff des Grundmaterials den Formkörper seitlich umgibt, das Verhältnis der in einer ersten Achse gemessenen mittleren Stärke des Grundmaterials zur in derselben Achse gemessenen mittleren Stärke des eingegossenen Formkörpers 0,2 bis 1,0 beträgt.. Bei Berücksichtigung dieses Bereichs der Stärkenverhältnisse ist eine hohe Sicherheit gegen den Bruch auch bei stark wechselnden Belastungen im Bereich der Einspann- und Lagerzone des Werkzeugs gewährleistet.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs erfolgt bewusst so, dass es zu keiner wesentlichen metallischen Bindung zwischen dem Formkörper und dem ihn zumindest teilweise umgebenden Grundkörper kommt. Um die permanente Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Formkörper zu gewährleisten, ist der Formkörper vielmehr so ausgelegt, dass der Formkörper formschlüssig im Material des Grundkörpers eingebettet ist. Zu diesem Zweck kann der Formkörper eine ausgehend von einer Basisfläche sich in Richtung seiner der Basisfläche gegenüberliegenden Stirnflächen verjüngende Form besitzen und die Stirnfläche dem der schlagenden Belastung direkt ausgesetzten Bereich des Komposit-Werkzeugs zugeordnet sein. Eine solche Form ist beispielsweise dann gegeben, wenn der Formkörper die Grundform eines Pyramidenstumpfes besitzt. Bei einer solchen im wesentlich konisch von der Basis- zur Stirnfläche zulaufenden Formgebung ist auf einfache Weise sichergestellt, dass der Formkörper auch noch nach langer Betriebszeit sicher im Grundkörper gehalten ist.
Der formschlüssige Halt des Formkörpers kann auch dadurch erreicht werden, dass in die Seitenflächen des Formkörpers Vertiefungen eingeformt sind. Alternativ oder ergänzend können zum selben Zweck an die Seitenflächen des Formkörpers Erhöhungen angeformt sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 bis 4 zeigen jeweils ein Komposit- Werkzeug in perspektivischer Darstellung.
Die in Fig. 1 dargestellten Komposit-Werkzeuge 1, 11, 21, 31 weisen jeweils einen quaderförmig ausgebildeten Grundkörper 2 auf, der aus einem hochduktilen Eisenwerkstoff gegossen ist. Der Grundkörper 2 ist dabei ausgehend von seiner einen schmalen Stirnseite 2a in eine im praktischen Einsatz dem direkten Kontakt mit dem zu zerkleinernden Material ausgesetzten, sich etwa über ein Drittel der Gesamtlänge L des Grundkörpers 2 erstreckenden Arbeitsabschnitt 2b, eine sich an den Arbeitsabschnitt 2b anschließenden Einspannabschnitt 2c, an dem bei montiertem Komposit-Werkzeug 1, 11, 21, 31 die nicht dargestellte Spanneinrichtung einer ebenfalls nicht gezeigten Zerkleinerungsmaschine angreift, und einen sich an den Einspannabschnitt 2c anschließenden Lagerabschnitt 2d unterteilt, an dem das Werkzeug 1 in montierter Stellung in der Zerkleinerungsmaschine abgestützt ist.
Beim in Fig. 1 dargestellten Komposit-Werkzeug ist in den Arbeitsabschnitt des Grundkörpers 1 ein aus einem hochfesten, harten Eisenwerkstoff massiv hergestellter Formkörper 3 eingegossen. Der Formkörper 3 weist eine sechseckige Grundfläche 3a mit zwei einander gegenüberliegenden langen Seiten auf, die an ihren Enden jeweils durch zwei unter einem stumpfen, in Richtung der Innenfläche geöffneten Winkel aufeinander treffende kurze Seiten miteinander verbunden sind. Ausgehend von der derart geformten Grundfläche 3a verjüngt sich der Formkörper 3 in Richtung der Stirnseite 2a des Grundkörpers 2.
Auf diese Weise ist eine ausgehend von der Grundfläche 3a in Richtung der der Stirnfläche 2a des Grundkörpers 2 zugeordneten Stirnfläche 3b des Formkörpers 3 konisch zulaufende Form des Formkörpers 3 gebildet. Der derart geformte Formkörper 3 ist im Neuzustand des Werkzeugs 1 seitlich und im Bereich seiner Grundfläche 3a vom Werkstoff des Grundkörpers 2 vollständig umgeben. Die mittlere, in einer parallel zur Stirnfläche 2a in Richtung der breiteren Seitenflächen des Grundkörpers 2 verlaufenden und senkrecht zu diesen ausgerichtete Messachse X gemessene Stärke dGι der den Formkörper 3 in Dickenrichtung seitlich umgebenden Wand 2f des Grundkörpers 2 ist dabei so gewählt, dass das Verhältnis der mittleren Stärke dGι zur in derselben Messachse X gemessenen mittleren Dicke dFχ des Formkörpers 3 etwa 0,3 beträgt. In entsprechender Weise ist die in einer quer zur Messachse X ausgerichteten Messachse Y gemessene Stärke dG2 der den Formkörper 3 in Breitenrichtung seitlich umgebenden Wand 2e des Grundkörpers 2 so gewählt, dass das Verhältnis der mittleren Stärke dG2 zur in derselben Messachse Y gemessenen mittleren Dicke dF2 des Formkörpers 3 etwa 0,2 beträgt.
Durch diese Dimensionierung der den Formköper 3 seitlich umgebenden Wände 2e,2f des Grundkörpers 2 in Kombination mit der konisch sich in Richtung seiner Stirnseite 3b verjüngenden Form des Formkörpers 3 ist sichergestellt, dass der Formkörper 3 auch unter hohen in der Praxis auftretenden schlagenden Belastungen sicher in dem Werkzeug 1 gehalten ist. Dabei unterstützt die Abstimmung der Werkstoffe von Formkörper 3 und Grundkörper 2 nicht nur den festen Halt des Formkörpers 3 in dem Grundkörper 2, sondern stellt vor allen Dingen sicher, dass das Risiko eines Bruchs des Werkzeugs 1 im Bereich des Einspannabschnitts 2c oder des Lagerabschnitts 2d auf ein Minimum reduziert ist. ■
In die Arbeitszone 2b des Grundkörpers 2 des in Fig. 2 dargestellten Komposit-Werkzeugs 11 ist ebenfalls ein aus einem hochharten Eisenwerkstoff massiv gefertigter Formkörper 13 eingegossen. Anders als beim Werkzeug 1 umgibt der Werkstoff des Grundkörpers 2 den Formkörper 2 im Neuzustand des Werkzeugs 11 vollständig.
Wiederum, entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Formkörper 3, weist der Formkörper 13 des Werkzeugs 11 eine ausgehend von seiner Grundfläche 13a in Richtung seiner der Stirnseite 2a des Grundkörpers 2 zugeordneten Stirnseite 13b sich verjüngende Form auf. Die Grundfläche 13a und dementsprechend die Stirnseite 13b des Formkörpers sind ebenfalls sechseckig ausgebildet, wobei die Flächen 13a, 13b in diesem Fall durch zwei kurze, einander parallel gegenüberliegende Seiten begrenzt sind, die durch jeweils zwei unter einem stumpfen, zur jeweiligen Fläche 13a, 13b geöffneten Winkel aufeinander treffende längere Seiten miteinander verbunden sind.
Auch beim Werkzeug 11 ist so durch die im Wesentlichen konische, ausgehend von der Grundfläche 13a verjüngende, Formgebung des massiven Formkörpers 13 und die Einbettung des Formkörpers 13 in den Werkstoff des Grundkörpers 12 sichergestellt, dass der Formkörper 13 auch nach langer Betriebsdauer noch sicher im Grundkörper 2 gehalten und in der Lage ist, die auf das Werkzeug 11 direkt treffende schlagende Belastung ebenso sicher aufzunehmen.
Beim in Fig. 3 gezeigten Komposit-Werkzeug 21 ist in den Arbeitsabschnitt 2b des Grundkörpers 2 wiederum ein aus einem harten Metallwerkstoff erzeugter, massiv ausgebildeter Formkörper 23 eingegossen. Wie beim Werkzeug 11 umgibt der Werkstoff des Grundkörpers 2 den Formkörper 23 im Neuzustand vollständig.
Der Formkörper 23 besitzt eine pyramidenstumpfförmige, vier Seitenflächen 23c, 23d, 23e, 23f aufweisende Grundform, deren Grundfläche 23a größer ist als seine der Stirnfläche 2a des Grundkörpers 2 zugeordnete Stirnfläche 23b. In zwei der einander gegenüberliegenden Seitenflächen 23c, 23d des Formkörpers sind in regelmäßigen Abständen angeordnete, sich über die Länge des Formkörpers 23 erstreckende kanalartige Vertiefungen 23g eingeformt, während an die beiden anderen einander gegenüberliegenden Seitenflächen 23e,23f in unregelmäßiger Anordnung noppenartige Vorsprünge 23h angeformt sind. Die Vertiefungen 23g und die Vorsprünge 23h unterstützen in Kombination mit der konisch ausgehend von der Grundfläche 23a in Richtung der Stirnfläche 23b sich verjüngenden Form des Formkörpers 23 dessen sicheren, formschlüssigen Halt im Werkstoff des Grundkörpers 2. Die Zusammensetzung des Eisenwerkstoffs des Grundkörpers 2 ist dabei so auf die Zusammensetzung des Eisenwerkstoffs abgestimmt, aus dem der Formkörper 23 hergestellt ist, dass der Formkörper 23 nach der Fertigstellung des Komposit- Werkzeugs 21 in Folge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens beider Werkstoffe zusätzlich in dem Grundkörper 2 unter Spannung kraftschlüssig gehalten ist.
Beim in Fig. 4 dargestellten Komposit-Werkzeug 31 sind schließlich drei jeweils aus einem verschleißfesten, harten Eisenwerkstoff als massive Körper hergestellte Formkörper 33', 33'' und 33''' eingegossen. Die Formkörper 33', 33'', 33''' sind jeweils pyramidenstumpfför ig ausgebildet und laufen ausgehend von ihrer rechteckigen Grundfläche 33a in Richtung der Stirnfläche 2a des Grundkörpers 2 des Werkzeugs 31 zugeordneten und im Neuzustand bündig mit dieser ausgerichteten Stirnfläche 33b konisch zu. Die Länge des zwischen den beiden äußeren Formkörpern 33', 33''' angeordneten Formkörpers 33'' ist etwa. halb so groß wie die Länge der beiden anderen Formkörper 33' und 33'''. Die Formkörper 33', 33'' und 33''' sind dabei in einem Abstand angeordnet, dass sowohl, das Verhältnis der in Richtung der Messachse X gemessenen mittleren Stärke dGi des die Formkörper 33', 33'' und 33''' jeweils in Dickenrichtung umgebenden Werkstoffs des Grundkörpers 2 zur in derselben Messachse X gemessenen mittleren Stärke dFι der Formkörper 33',33'', 33''' als auch das Verhältnis der in Richtung der Messachse Y gemessenen mittleren Stärke dG2 des die Formkörper 33', 33'' und 33''' jeweils in Breitenrichtung umgebenden Werkstoffs des Grundkörpers 2 zur in derselben Messachse Y gemessenen mittleren Stärke dF2 der Formkörper 33',33'', 33''' im Bereich von 0,2 bis 1,0 liegt. Wie schon im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten Komposit- Werkzeug 1 erläutert, ist durch diese auf die Stärke dFχ,dFι des Formkörpers 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' bezogene Abstimmung der Wandstärken dGιbz . 'dG2 sichergestellt, dass auch unter den im praktischen Einsatz auftretenden harten Belastungen der Formkörper 33', 33'', 33''' in einer für einen dauerhaft sicheren Halt ausreichend elastischen Weise in dem duktilen Eisenwerkstoff des Grundkörpers 2 im Werkzeug 31 gehalten sind.
Ein wichtiger Vorteil des in Fig. 4 dargestellten Komposit- Werkzeugs 31 besteht darin, dass mit dem Einbringen mehrerer härterer Formkörper 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' in den hochduktilen Grundkörper 2 durch das zwischen den einzelnen Formkörpern 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' vorhandene duktile Grundstoffmaterial das Bruchrisiko im praktischen Einsatz wesentlich minimiert wird. Die unterschiedliche Länge der Formkörper 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' berücksichtigt dabei die Beschränkung des erwünscht erhöhten Verschleißwiderstandes auf Zonen der hauptsächlichen Verschleißbeanspruchung.
BEZUGSZEICHEN
1,11,21,31 Komposit-Werkzeuge
2 Grundkörper
2a schmale Stirnseite des Grundkörpers 2 L Gesamtlänge des Grundkörpers 2
2b Arbeitsabschnitt des Grundkörpers 2
2c Einspannabschnitt des Grundkörpers 2
2d Lagerabschnitt des Grundkörpers 2
3,13,23,33' ,33' ' ,33' ' ' Formkörper 3a, 13a, 33a Grundfläche des jeweiligen Formkörpers 3, 13, 23, 33' , 33'', 33' " 3b, 13b, 33b Stirnfläche des jeweiligen Formkörpers 3, 13 dGι,dG2, dFι,dF2 mittlere Stärke der den Formkörper 3 seitlich umgebenden Wand 2e 2e Wände 2e des Grundkörpers 2
23c, 23d, 23e, 23f Seitenflächen des Formkörpers 23 23g kanalartige Vertiefungen
23h Vorsprünge
X,Y Messachsen

Claims

30. Juli 2004P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Komposit-Werkzeug für schlagende und/oder abrasive Belastungen mit einem aus einer hochduktilen, schlaghärtenden Eisenbasis-Legierung erzeugten Grundkörper (2) und mindestens einem in den Grundkörper (2) eingegossenen, im Grundkörper (2) unter weitestgehendem Ausschluss einer stoffschlüssigen Verbindung formschlüssig gehaltenen Formkörper (3, 13, 23, 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' ) , der im der schlagenden Belastung direkt ausgesetzten Bereich des Komposit-Werkzeugs (1,11,21,31) angeordnet und aus einem vom Eisenwerkstoff des Grundkörpers (2) abweichenden, hochverschleißfesten Metallwerkstoff als massiver Körper vorgefertigt ist.
2. Komposit-Werkzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3,13,23,33' ,33' ' ,33' '' ) ein Schmiedeteil ist.
Komposit-Werkzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3,13,23,33' ,33' ' ,33' '' ) ein Stanzteil ist.
Komposit-Werkzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3, 13, 23, 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' ) ein geschnittenes Teil ist.
5. Komposit-Werkzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3,13,23,33' ,33' ' ,33' ' ') ein gebranntes Teil ist.
6. Komposit-Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3, 13, 23, 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' ) aus einem Flachmaterial hergestellt ist.
7. Komposit-Werkzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3, 13, 23, 33 ' , 33 ' ' , 33' ' ' ) durch Sintern erzeugt ist.
8. Komposit-Werkzeug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3,13,23,33' ,33' ' ,33' ' ') ein Gussstück ist.
9. Komposit-Werkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Eisenlegierung des Grundkörpers (2) (in Gew.-%)
Mn: 8,0 - 22,0 %, Cr: 0,2 - 2,8 %, ü U/ O ~~ -L "6 und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.
10. Komposit-Werkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Metallwerkstoff des Formkörpers (3, 13, 23, 33', 33' ',33' ' ') (in Gew.-%)
Cr: 6,0 - 16,0 % Mo: 0,3 - 1,5 % W: 0,3 - 1,4 % C: 0,6 - 2,2 % und als Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen enthält .
11. Komposit-Werkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in dem Bereich, in dem der Eisenwerkstoff des Grundkörpers (2) den Formkörper (3, 13, 23, 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' ) seitlich umgibt, das Verhältnis der in einer Messachse (X,Y) gemessenen mittleren Stärke (dG2,dG2) des Grundmaterials zur jeweils in derselben Messachse (X,Y) gemessenen mittleren Stärke (dFι ,dF2) des eingegossenen Formkörpers (3, 13, 23, 33 ' ,33 ' ' , 33 ' ' ' ) 0,2 bis 1,0 beträgt.
12. Komposit-Werkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3, 13, 23, 33 ' , 33 ' ' , 33 ' ' ' ) eine ausgehend von einer Basisfläche (3a, 13a, 33a) sich in Richtung seiner der Basisfläche (3a, 13a, 33a) gegenüberliegenden Stirnflächen (3b, 13b, 33b) verjüngende Form besitzt und d a s s die Stirnfläche (3n, 13b, 33b) dem der schlagenden Belastung direkt ausgesetzten Bereich (2a) des Komposit-Werkzeugs (1,11,21,31) zugeordnet ist.
13. Komposit-Werkzeug nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Formkörper (3,13,23,33' ,33' ' ,33' " ) die Form eines Pyramidenstumpfs aufweist.
14. Komposit-Werkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a. d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in die Seitenflächen (23c, 23d, 23e, 23f) des Formkörpers (23) Vertiefungen eingeformt sind.
15. Komposit-Werkzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s an die Seitenflächen (23e,23f) des Formkörpers (23) Erhöhungen (23h) angeformt sind.
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