WO2009015642A2 - Hartstoffkörper für formgussteile und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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    • C04B38/0051—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof characterised by the pore size, pore shape or kind of porosity

Definitions

  • the invention relates to a hard material body for molded cast parts to be produced, which are to be formed with wear resistant active surfaces in at least a portion of their contours and a method for producing such Hartstoff emotions, which are used in the mold cavity of the mold casting corresponding mold arresting and molded parts / components are produced, the high and subject to shock loads and high wear.
  • the hard material body should, according to the information in WO 0032335 A 1, be able to be produced in virtually any shape, without, however, making any statements regarding the shaping of the initially produced PUR foam body.
  • These polyurethane foam bodies are coated with ceramic slip; after subsequent burning out of the PUR foam, the ceramic mold is fired for the hard material body.
  • the stated possibilities of internal design of the hard material body are therefore doubted for manufacturing reasons.
  • a brake disc is known in which a consisting of a conventional cast iron or cast steel disk-shaped support body serving as a friction surface layer of a ceramic material, which consists of micro- or macroscopic broken down areas of at least two different materials.
  • the regions of the one material consist of an at least approximately pure ceramic material and the regions of the other material or of the other materials of a metal, metal sintered or Metallkeramiksinter- material.
  • the said layer preferably consists of an open-pored ceramic sponge with metal filling, the pore size of which may amount to approximately 5 to 10 mm.
  • the support body and the metal filling may consist of the same metal material.
  • one or more hard material bodies formed from open-pored ceramic sponge are inserted into the casting mold for the support body per friction surface, which fill with the metal during casting of the support body.
  • one or more of metal-filled ceramic sponge existing hard material body can be inserted, which are poured during the casting process of the support body in this.
  • a casting having at least one wear-resistant effective surface formed by a composite material for comminuting a feedstock is known.
  • the composite consists here of at least one open-pore hard material body in a casting matrix of a metallic casting material.
  • the hard material body consists of a ceramic material from the group of carbides, oxides and nitrides or a combination of several of these materials. Ceramic bodies in the form of commercially available cast filters for cast iron material and with a structure known from such cast filters may be used as the hard material body.
  • a wear-resistant iron-base alloy is preferred, for example, a molybdenum-alloyed and / or chromium-alloyed cast iron.
  • MMC metal-matrix composites
  • CMC ceramic matrix composites
  • MMC metal-matrix composites
  • the porous precursor shaped body is produced by sintering by means of local heating, wherein the local heating in this case takes place in particular by laser beams, electron beams, plasma jets or one or more arcs, whereby a fast sintering process is to be ensured.
  • local heating in this case takes place in particular by laser beams, electron beams, plasma jets or one or more arcs, whereby a fast sintering process is to be ensured.
  • the invention has for its object to provide a hard material body and a method for its production, which can be used in molds for the production of molded parts and so wear-resistant active surfaces are formed on the outer contours of the molded parts.
  • carbide alloys with embedded NiSF hard phases producing nickel-based metal powders
  • WSC producing ceramic tungsten carbide-based ceramic parts
  • the invention proposes that the use / the use These hard alloys for the generation of porous Eing mankör- pern / Hartstoffkörpeni, these are produced by the generative electron beam melting technique.
  • the pouring of porous bodies from the hard material alloys with embedded hard phases whereby it is possible to produce almost any hard material body having the shaped surface of the molded part, this is adapted and a solid material bond with
  • a hard material body which is formed as an open-pored metalloceramic hard material body, which is insertable as insert into a casting mold and from the main components 92 to 80 mass% of one or more carbides of the strong carbide formers W, Ti, Ta, Nb, V, Mo and Cr and 8 to 20% by mass of Co or 85 to 60% by mass of the above carbides and 15 to 40% by mass of Ni.
  • the open-pored metalloceramic hard material body it is also possible to use oxides or nitrides of the abovementioned materials instead of the carbides, an essential feature of the invention being that the hard material body (s) is produced by means of electron beam melting of metallic and non-metallic powdery components of the abovementioned materials. This in such a way that is formed by a suitable electron beam guidance of the hard material body generative by electron beam melting of metallic and non-metallic powdery components of these materials, taking into account the surface structure of the molded part to be produced or a portion of the outer contour of the molded part.
  • the shape and dimensions of the hard material body to be produced, its porosity, the geometry of the cavities and the wall thicknesses of the hard material body are adapted to the stresses of the molded part to be cast.
  • the porosity and the geometry of the cavity structure of the hard material body are formed so that a uniform infiltration of the casting material / matrix material in the entire volume of the hard material body is given.
  • FIG. 2 shows a honeycomb structure of the cavities of the hard material body in FIG.
  • FIG. 3 shows a diamond-shaped structure of the cavities of the hard material body in FIG.
  • Figure 4 the formation and arrangement of a hard body on the wear-stressed surface of a component.
  • the illustration shown in FIG. 1 clarifies, on the one hand, the formation of the hard material body 2, which corresponds to the surface structure of the molded part 1 to be formed.
  • the reference number T denotes the part of the hard material body 2 which has not yet been infiltrated with the casting material / casting matrix 3.
  • the reference numeral 4 denotes the region of the hard material body 2, which is already infiltrated with the casting material, the casting matrix 3.
  • a molded part 1 to be produced in this way can be used, for example, as a metallic component for conveying and / or processing, for example, soil, coal, overburden, cement, ore, mineral salt, rock and other substances, as well as for recycling valuable materials and the like.
  • the filling of the required mold is carried out by gravity over the sprue 5.
  • For the purpose of density feed of the casting 1 die 6 are arranged. From the illustration of Figure 1 also shows that the molded part to be produced
  • the hard material body 2 is connected on its curved and partially planar active surface with the hard material body 2, which can be formed both with a uniform layer thickness of 15 to 25 mm, but also on particularly stressed areas with a reinforcement of the layer.
  • the surface layer of the molded part 1 to be produced is formed by the inserted hard material body 2 whose cavity structure has been formed by a large number of cavities 8, which are completely penetrated by the casting material / casting matrix 3.
  • the hard material body 2 is largely embedded in this casting matrix 3 and forms with the casting material / the casting matrix 3 the active surfaces 7 of the molded part 1 produced.
  • the cavities 8 of the cavity structure of the hard material body 2 are formed with ⁇ ffhungsplainen in the range of 1.0 to 8.0 mm and designed with different cross-sectional shapes.
  • the cavities 8 may have a square, rectangular, honeycomb-like, diamond-shaped, latticed, spongy or organic cells similar structures and a so executed cavity structure of the Hartstofl stressess 2 ensures complete filling of the cavities 8 with the casting matrix 3 - Figures 2 and 3 -.
  • a hard material body 2 thus created consists of metalloceramic materials, as stated above, which are kept in their structure with molten metals or metal alloys, such as nickel and cobalt or only one of these elements, and retain these during casting.
  • the hard material body 2 is fastened in the mold with pins customary in foundry practice (also referred to as "core nails") and secured in position against displacement by flow pressure of the inflowing casting metal, the casting matrix 3.
  • the hard material body 2 is formed by electron-beam-melted hard material.
  • the dimensioning of the cavities 8 of the hard material body 2 is carried out in dependence on the casting metal in such a way that always a complete penetration of the cavities 8 of the hard material body 2 is ensured. It is desirable in the casting process that there is a solid material bond between the hard material body 2 and the metallic casting matrix 3 of the casting material, which counteracts the breaking out of hard material parts in the external stress by the substances to be conveyed or processed.
  • FIG. 2 shows a hard material body 2 with a honeycomb-shaped structure of the cavities 8 in two different cut-out enlargements.
  • This design allows a very low flow resistance during penetration of the liquid metal and thus promotes complete penetration.
  • the honeycomb-like structure also ensures a very uniform distribution of hard material over the entire active surface 7.
  • the technique of electron beam melting used for the production of the hard material body 2 also allows the targeted reinforcement of the wall thicknesses within the hard material body 2 under particularly strong local stress.
  • further suitable hollow structures for the hard material bodies 2 are available. These are, for example, the diamond-shaped structures shown in FIG. 3 or structures similar to lattice-shaped, spongy or organic cells. It is also possible to make the size of the cavities 8 within a Hartstof ⁇ emotionss 2 according to the requirements.
  • the dimensions of the hard material bodies 2 exceed the dimensions of the working spaces of the electron beam systems, then it is possible to bring the hard material body 2 to the required level by mechanical or thermal joining of individual pieces.
  • the casting matrix 3 is formed, for example, by the material GS - 42 CrMo 4.
  • the following table indicates, in addition to this material for the exemplary embodiment, further preferred materials for the casting matrix 3 in other castings according to the invention.
  • the production of a hard material body 2 is effected by the layered construction of the materials used from the powdered components of the metallic and non-metallic materials, which are melted by means of electron beam melting, wherein the electron beam is guided on the basis of three-dimensional CAD data models, thereby the immediate overall shape of the hard material body 2 is formed including its Hohlraurn Modell.
  • the electron beam which has a specific power density distribution, has a beam deflection with a frequency of 10 6 Hz and the deflection amplitude of the electron beam is determined by the size of the hard material body 2 to be produced ,
  • the production of the hard material body 2 is carried out under vacuum and the pulverförmi- materials are applied with layer thicknesses in the range of 0.1 to 0.3 mm on a platform and then fused together by means of an electron beam.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention. Shown is a molded part 1, which is formed on a partial surface, the surface, which is subject to high and shock loads, with a hard material body 2.
  • the hard material body 2 is designed in accordance with the invention and adapted in its outer structure and shape of the wear-stressed surface of the molded part 1, whose cavity structure is completely penetrated by the casting material / casting matrix 3 during the casting process and the hard material body 2 is largely penetrated into the Casting matrix 3 is embedded.
  • the material of the hard impact body 2 consists of hard material alloys with embedded hard phases of the type WSC / NiSF in a ratio of 70: 30 and as cast matrix a material GS-42 CrMo 4 is used.
  • Material composition of the hard material body 88% by mass of WC and 12% by mass of Co.
  • Material composition of the hard material body 78% by mass of WC and 22% by mass of Co.
  • Material composition of the hard material body 80% by mass of WC and 20% by mass of Ni.
  • the material composition of the hard material bodies 2 to be produced is not limited to those in the abovementioned embodiments, but rather there are further material-related embodiments of the hard material bodies 2 which lie in the ranges of the stated mass% components, in particular taking into account the stresses on the molded cast parts to be produced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartstoffkörper für herzustellende Formgussteile, die mit verschleißfesten Wirkflächen im Bereich ihrer Konturen auszubilden sind sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartstoffkörpers. So wurde ein Hartstoffkörper mit einer offenporigen metallokeramischen Struktur geschaffen, wobei der Hartstoffkörper (2) einen mit der Kontur der Wirkfläche des herzustellenden Formgussteiles (1) übereinstimmenden Konturbereich besitzt, aus pulverförmigen Komponenten metallischer und nichtmetallischer Materialien besteht, dessen Hauptbestandteile 92 bis 80 Masse-% eines oder mehrerer Karbide der starken Karbidbildner W, Ti, Ta, Nb, V, Mo sowie Cr und 8 bis 20 Masse-% Co oder 85 bis 60 Masse-% der vorstehenden Karbide und 15 bis 40 Masse-% Ni sind.

Description

Hartstoffkörper für Formgussteile und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Hartstoffkörper für herzustellende Formgussteile, die mit verschleißfesten Wirkflächen in mindestens einem Bereich ihrer Konturen auszubilden sind sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Hartstoffkörper, die im Formhohlraum einer dem Formgussteil entsprechenden Gießform arretierend eingesetzt werden und Formgussteile/Bauteile hergestellt werden, die hohen und stoßhaften Beanspruchungen sowie einem hohen Verschleiß unterliegen.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung eines Formgussteils mit einer verschleißfesten Wirkfläche in mindestens einem Bereich seiner Kontur bekannt. So ist z. B. in der WO 0032335 A 1 ein Verbundgussteil mit einer metallischen Matrix und mindestens einem in der Matrix befindlichen, rein metallischen, schmelzmetallurgisch hergestellten Hartstoffkörper in Form eines Einlegeteils beschrieben. Der vorzugsweise aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metalllegierung bestehende Hartstoffkörper weist zumindest zum Teil eine offenporige Schwammstruktur auf, wobei die Poren während des Gießvorgangs im Wesentlichen vollständig vom Material der Matrix ausgefüllt werden. Als Gießverfahren können z. B. die bekannten Feingieß-, Schwerkraftgieß-, Niederdruckgieß- und Druckgießverfahren genutzt werden.
Die Fertigung des Hartstoffkörpers erfordert einen sehr aufwändigen mehrstufigen Pro- zess. In diesem Prozess sind Schwierigkeiten zu erwarten bei der Zerstörung der keramischen Form für den Hartstoffkörper und das Entfernen der Formreste.
Der Hartstoffkörper soll nach den Angaben in der WO 0032335 A 1 in nahezu beliebigen Formen hergestellt werden können, ohne dass jedoch Aussagen zur Formgebung der zunächst erzeugten PUR -Schaumkörper getroffen werden. Diese PUR -Schaumkörper werden mit Keramik - Schlicker beschichtet; nach anschließendem Ausbrennen des PUR-Schaums erfolgt das Brennen der keramischen Form für den Hartstoffkörper. Die angeführten Möglichkeiten der inneren Gestaltung der Hartstoffkörper werden deshalb aus fertigungstechnischen Gründen angezweifelt. Aus der DE 4322113 Al ist eine Bremsscheibe bekannt, bei der ein aus einem üblichen Gusseisen oder Stahlguss bestehender scheibenförmiger Tragkörper eine als Reibfläche dienende Schicht aus einem Keramikwerkstoff enthält, die aus mikro- oder makroskopisch aufgegliederten Bereichen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Werkstoffen besteht. Die Bereiche des einen Werkstoffes bestehen aus einem zumindest annähernd reinen Keramikwerkstoff und die Bereiche des anderen Werkstoffs bzw. der anderen Werkstoffe aus einem Metall-, Metallsinter- oder Metallkeramiksinter- Werkstoff. Die genannte Schicht besteht vorzugsweise aus einem offenporigen Keramikschwamm mit Metallfüllung, dessen Porengröße bis ca. 5 - 10 mm betragen kann. Der Tragkörper und die Metallfüllung können aus dem gleichen Metall werkstoff bestehen. Zur Herstellung der Bremsscheibe werden in die Gießform für den Tragkörper je Reibfläche ein oder mehrere aus offenporigem Keramikschwamm gebildete Hartstoffkörper eingelegt, die sich beim Gießen des Tragkörpers mit dessen Metall füllen. Alternativ können in die Gießform für den Tragkörper je Reibfläche ein oder mehrere aus metallgefulltem Keramikschwamm bestehende Hartstoffkörper eingelegt werden, die beim Gießvorgang des Tragkörpers in diesen eingegossen werden.
Aus der DE 10122886 B4 ist ein Gussteil mit wenigstens einer von einem Verbundwerkstoffgebildeten verschleißfesten Wirkfläche für die Zerkleinerung eines Aufgabeguts bekannt. Der Verbundwerkstoff besteht hier aus wenigstens einem offenporigen Hartstoffkörper in einer Gussmatrix aus einem metallischen Gussmaterial. Der Hartstoffkörper besteht aus einem Keramikmaterial aus der Gruppe der Carbide, Oxide und Nitride oder einer Kombination von mehreren dieser Materialien. Als Hartstoffkörper sind bevorzugt Keramikkörper in Form handelsüblicher Gießfilter für Gusseisenmaterial und mit einer von solchen Gießfiltern bekannten Struktur verwendbar. Als metallisches Gussmaterial wird eine verschleißfeste Eisenbasislegierung bevorzugt, z.B. ein molybdänlegiertes und/oder chromlegiertes Gusseisen. Diese Lösung ist wegen der Verwendung handelsüblicher Gießfilter, die nur als scheibenförmige Körper vorliegen, nur für geometrisch einfache Hartstoffkörper mit ebenen Flächen (z.B. Mahlplatten) verwendbar. Weitere Nachteile bestehen in der begrenzten Beanspruchbarkeit wegen des fehlenden stofflichen Verbundes zwischen Matrix und Hartstoffkörper sowie der Gefahr der Zerstörung der Hartstoffkörper durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Hartstoffkörper und Matrix und damit durch Spannungen im Ergebnis von Wärmebehandlungsprozessen.
Bekannt sind ferner Lösungen, die sich auf die Ausbildung von verschleißfesten Oberflächen von Bauteilen beziehen und aus Metall-Matrix- Verbundstoffen (MMC) bestehen, die mit winzigen Einschlüssen eines anderen Materials verstärkt sind, wodurch das Risswachstum gehemmt und die Leistung verbessert werden soll - DE 695 34 107 T2. In dieser Druckschrift wird femer ausgeführt, dass die beschriebene Erfindung alle Arten von Metall-Keramik- Verbundstoffen, einschließlich Keramik-Matrix- Verbundstoffen (CMC) betrifft und die Erfindung doch insbesondere anwendbar sei auf Metall-Matrix- Verbundwerkstoffen (MMC) mit einem größeren Volumenbruchteil an Metall als Keramik. Es wird dann ausgeführt, dass diese MMCs aus vielen verschiedenen Komponenten von Matrixmaterial und verstärkten Teilchen hergestellt werden können, um möglichst eine umfassende Anwendung zu realisieren.
Grundlage dieser Verbundwerkstoffe bilden die Werkstoffe Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan und so genannte Superlegierungen Molybdän und Wolfram. Derart ausgebildete Verbundstoffe sind in ihrer Herstellung sehr kostenaufwändig und verfügen nur über sehr eng begrenzte Festigkeits- und Verschleißeigenschaften.
Es wird ferner auf die DE 101 13 590 A l verwiesen, mit der ein Verfahren zum Herstellen eines Konstruktionsteiles bekannt geworden ist, bei dem ein poröser Precursor-Form- körper aus einem Metalloxid-Keramik-Material hergestellt und mit einer Metallschmelze aus Aluminium, Magnesium oder einer Aluminium- oder Magnesium-Legierung infiltriert wird.
Gemäß der Erfindung wird der poröse Precursor-Formkörper durch Sintern mittels lokaler Erhitzung hergestellt, wobei die lokale Erhitzung hierbei insbesondere durch Laserstrahlen, Elektronenstrahlen, Plasmastrahlen oder einem oder mehreren Lichtbogen erfolgt, wodurch ein schneller Sintervorgang gewährleistet werden soll. Nachteilig bei dieser Lösung ist der nicht unerhebliche Aufwand für das Sintern und die Einschränkung des vorgestellten Verfahrens darauf, dass die Metalloxid-Keramikkörner eine von Aluminium reduzierbare Metalloxid- Verbindung aurweisen, die zur Herstellung hochbelasteter Bauteile ungeeignet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hartstoffkörper und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, welcher in Gießformen zur Herstellung von Formgussteilen einsetzbar ist und so verschleißfeste Wirkoberflächen auf den äußeren Konturen der Formgussteile herausgebildet werden.
Erfϊndungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und besondere Lösungen der Erfindung angegeben.
In Erkenntnis dessen, dass Hartstofflegierungen mit eingelagerten Hartphasen des Typs NiSF (Erzeugen von Eingießteilen aus Pulver von Metallen auf der Basis von Nickel) und WSC (Erzeugung von Eingießteilen mit Keramikteilen auf der Grundlage von Wolfram-Schmelzkarbiden) zur Verschleißminderung durch Plasma-Pulver- Auftragsschweißen oder laserunterstütztes Plasma-Pulver- Auftragsschweißen auf Stahl- und Eisenwerkstoffe aufgetragen werden können und auch das Eingießen von porösen keramischen Körpern (z. B. Gießfilter aus verschiedenen keramischen Stoffen) zur Verschleißminderung von Gussstücken und den damit verbundenen Nachteilen bekannt ist: Nämlich des hohen Nickelanteiles bei den Hartstofflegierungen mit eingelagerten Hartphasen sowie der fehlenden stofflichen Bindung zwischen porösen keramischen Körpern und der metallischen Matrix mit der Beschränkung des Einsatzes von Gießfiltern auf ebene Körper, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Einsatz/die Verwendung dieser Hartstofflegierungen für die Generierung von porösen Eingießkör- pern/Hartstoffkörpeni, diese mit der generativen Elektronenstrahlschmelztechnik hergestellt werden. Dabei erfolgt das Eingießen von porösen Körpern aus den Hartstofflegierungen mit eingelagerten Hartphasen, wodurch es möglich ist, nahezu jeden Hartstoffkörper herzustellen, der die gestaltete Oberfläche des Formgussteiles aufweist, dieser angepasst ist und ein fester stofflicher Verbund mit dem Matrixwerkstoff erreicht wird.
So wurde ein Hartstoffkörper geschaffen, der als ein offenporiger metallokeramischer Hartstoffkörper ausgebildet ist, welcher als Einlegeteil in eine Gießform einsetzbar ist und aus den Hauptbestandteilen 92 bis 80 Masse-% eines oder mehrerer Karbide der starken Karbidbildner W, Ti, Ta, Nb, V, Mo sowie Cr und 8 bis 20 Masse-% Co oder 85 bis 60 Masse-% der vorstehenden Karbide und 15 bis 40 Masse-% Ni hergestellt ist.
In einer bevorzugten Ausführung des offenporigen metallokeramischen Hartstoffkörpers können anstelle der Karbide auch Oxide oder Nitride der genannten Materialien verwendet werden, wobei ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der/die Hartstoffkörper mittels Elektronenstrahlschmelzen von aus metallischen und nichtmetallischen pulverförmigen Komponenten der vorgenannten Materialien hergestellt wird. Dies in der Art und Weise, dass durch eine geeignete Elektronenstrahlführung der Hartstoffkörper generativ durch Elektronenstrahlschmelzen von aus metallischen und nichtmetallischen pulverförmigen Komponenten dieser Materialien herausgebildet wird, dies unter Beachtung der Oberflächenstruktur des herzustellenden Formgussteiles bzw. eines Teilstückes der äußeren Kontur des Formgussteiles.
Die Gestalt und Abmessungen des herzustellenden Hartstoffkörpers, dessen Porosität, die Geometrie der Hohlräume sowie die Wandstärken des Hartstoffkörpers sind dabei den Beanspruchungen des zu gießenden Formgussteiles angepasst.
Dabei gehört auch zur Erfindung, dass die Porosität und die Geometrie der Hohlraumstruktur des Hartstoffkörpers so ausgebildet sind, dass eine gleichmäßige Infiltration des Gusswerkstoffes/Matrixwerkstoffes im gesamten Volumen des Hartstoffkörpers gegeben ist.
Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. Die im Ausführungsbeispiel offenbar werdenden Merkmale bilden einzeln und in jeder Merkmalskombination den Gegenstand der Erfindung vorteilhaft weiter. Die dazugehörige Zeichnung zeigt in Figur 1 : die Ausbildung eines Hartstoffkörpers und dessen Einsatz in einer Gießform mit eingesetztem Formgussteil in einer prinziphaften Anordnung,
Figur 2: eine wabenförmige Struktur der Hohlräume des Hartstoffkörpers in
Schnittansichten A - A nach Figur 1,
Figur 3 : eine rautenförmige Struktur der Hohlräume des Hartstoffkörpers in
Schnittansichten A - A nach Figur 1.
Figur 4: die Ausbildung und Anordnung eines Hartstoff körpers an der verschleißbeanspruchten Fläche eines Bauteiles.
Die in der Figur 1 gezeigte Abbildung verdeutlicht zum einen die Ausbildung des Hartstoffkörpers 2, welcher der Oberflächenstruktur des herauszubildenden Formgussteiles 1 entspricht. Mit der Bezugszahl T wird der Teil des Hartstoffkörpers 2 bezeichnet, welcher noch nicht mit dem Gusswerkstoff/Gießmatrix 3 infiltriert ist. Demgegenüber kennzeichnet die Bezugszahl 4 den Bereich des Hartstoffkörpers 2, welcher bereits mit dem Gusswerkstoff, der Gießmatrix 3, infiltriert ist.
Ein derart herzustellendes Formgussteil 1 kann beispielsweise als metallisches Bauteil zum Fördern und/oder Bearbeiten von beispielsweise Erde, Kohle, Abraum, Zement, Erz, Mineralsalz, Gestein und anderen Stoffen sowie zum Recycling von Wertstoffen und dergleichen verwendet werden. Das Füllen der benötigten Gießform erfolgt mittels Schwerkraft über den Einguss 5. Zum Zweck des Dichtspeisens des Formgussstückes 1 sind Speiser 6 angeordnet. Aus der Darstellung nach Figur 1 ergibt sich auch, dass das herzustellende Formgussteil
3 auf seiner gekrümmten und teilweise ebenen Wirkfläche mit dem Hartstoffkörper 2 verbunden ist, der sowohl mit einer einheitlichen Schichtdicke von 15 bis 25 mm, aber auch an besonders beanspruchten Partien mit einer Verstärkung der Schicht ausgebildet werden kann. Wie bereits ausgeführt, wird die Oberflächenschicht des herzustellenden Formgussteiles 1 durch den eingesetzten Hartstofϊkörper 2 herausgebildet, dessen Hohlraumstruktur, herausgebildet durch eine Vielzahl von Hohlräumen 8, welche von dem Gusswerkstoff/der Gießmatrix 3 vollständig penetriert ist. So ist der Hartstofϊkörper 2 weitest- gehend in diese Gießmatrix 3 eingebettet und bildet mit dem Gusswerkstofϊ/der Gießmatrix 3 die Wirkflächen 7 des hergestellten Formgussteiles 1 aus.
Die Hohlräume 8 der Hohlraumstruktur des Hartstoffkörpers 2 sind mit Öffhungsmaßen im Bereich von 1,0 bis 8,0 mm ausgebildet und mit unterschiedlichen Querschnittsformen gestaltet.
So können die Hohlräume 8 eine quadratische, rechteckige, wabenähnliche, rautenförmige, gitterförrnige, schwammförmige oder organischen Zellen ähnliche Strukturen besitzen und eine so ausgeführte Hohlraumstruktur des Hartstoflkörpers 2 gewährleistet die vollständige Ausfüllung der Hohlräume 8 mit der Gießmatrix 3 - Figuren 2 und 3 -. Ein so geschaffener Hartstoffkörper 2 besteht aus metallokeramischen Werkstoffen, wie weiter oben ausgeführt, die mit geschmolzenen Metallen oder Metalllegierungen, wie Nickel und Kobalt oder nur einem dieser Elemente, in ihrer Struktur gehalten werden und diese beim Gießen beibehalten. Dabei wird der Hartstofϊkörper 2 mit in der Gießereipraxis üblichen Stiften (auch als „Kemnägel" bezeichnet) in der Form befestigt und gegen Verschieben durch Strömungsdruck des einströmenden Gießmetalls, der Gießmatrix 3, in seiner Lage gesichert.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Hartstofϊkörper 2 durch elektronenstrahlgeschmolzenen Hartstoff gebildet. Die Bemessung der Hohlräume 8 des Hartstoffkörpers 2 erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Gießmetall in der Weise, dass stets eine vollständige Penetration der Hohlräume 8 des Hartstoffkörpers 2 gewährleistet ist. Es wird beim Gießvorgang angestrebt, dass es zwischen dem Hartstoffkörper 2 und der metallischen Gießmatrix 3 des Gusswerkstoffs zu einer festen stofflichen Bindung kommt, die dem Herausbrechen von Hartstoffteilen bei der äußeren Beanspruchung durch die zu fördernden oder zu bearbeitenden Stoffe entgegenwirkt.
Figur 2 zeigt einen Hartstoffkörper 2 mit einer bienenwabenförmigen Struktur der Hohlräume 8 in zwei verschiedenen Ausschnittvergrößerungen. Diese Ausführung ermöglicht einen sehr geringen Strömungswiderstand beim Eindringen des flüssigen Metalls und fördert damit die vollständige Penetration. Die bienenwabenähnliche Struktur gewährleistet außerdem eine sehr gleichmäßige Hartstoffverteilung über die gesamte Wirkfläche 7. Die zur Herstellung des Hartstofϊkörpers 2 verwendete Technik des Elektronenstrahlschmelzens gestattet außerdem die gezielte Verstärkung der Wanddicken innerhalb des Hartstofϊkörpers 2 bei besonders starker lokaler Beanspruchung. Neben der bienenwabenähnlichen Struktur bieten sich weitere geeignete Hohlraumstrukturen für die Hartstoffkörper 2 an. Das sind beispielsweise die in Figur 3 gezeigten rautenförmigen Strukturen oder gitterfδrmige, schwammförmige bzw. organischen Zellen ähnliche Strukturen. Es ist auch möglich, die Größe der Hohlräume 8 innerhalb eines Hartstofϊkörpers 2 den Erfordernissen entsprechend zu gestalten.
Überschreiten die Maße der Hartstofϊkörper 2 die Maße der Arbeitsräume der Elektro- nenstrahlanlagen, dann ist es möglich, den Hartstofϊkörper 2 durch mechanisches oder thermisches Fügen von Einzelstücken auf das erforderliche Maß zu bringen.
Die Gießmatrix 3 wird beispielsweise durch den Werkstoff GS - 42 CrMo 4 gebildet. Die folgende Tabelle weist neben diesem Werkstoff für das Ausführungsbeispiel auf weitere bevorzugte Werkstoffe für die Gießmatrix 3 in anderen erfindungsgemäßen Abgüssen hin.
Figure imgf000010_0001
Die Herstellung eines Hartstofϊkörpers 2 erfolgt durch den schichtweisen Aufbau der aus den pulverförmigen Komponenten der metallischen und nichtmetallischen zum Einsatz kommenden Materialien hergestellt wird, die mittels des Elektronenstrahlschmelzens aufgeschmolzen werden, wobei der Elektronenstrahl auf der Grundlage dreidimensionaler CAD-Datenmodelle geführt wird, dabei die unmittelbare Gesamtform des Hartstoffkörpers 2 einschließlich seiner Hohlraurnstruktur ausgebildet wird. In Abhängigkeit der Größe und Struktur des herzustellenden Hartstoffkörpers 2 mit seinen Hohlräumen 8 erfolgt die Führung des Elektronenstrahles, welcher eine bestimmte Leistungsdichteverteilung besitzt, eine Strahlablenkung mit einer Frequenz von 106 Hz aufweist und die Auslenkamplitude des Elektronenstrahles durch die Größe des herzustellenden Hartstoffkörpers 2 bestimmt wird.
Die Herstellung der Hartstoffkörper 2 erfolgt dabei unter Vakuum und die pulverförmi- gen Materialien werden mit Schichtdicken im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm auf eine Plattform aufgetragen und dann mittels eines Elektronenstrahles untereinander verschmolzen.
In der Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dargestellt ist ein Formgussteil 1 , welches an einer Teiloberfläche, der Fläche, die hohen und stoßhaften Beanspruchungen unterliegt, mit einem Hartstoffkörper 2 ausgebildet ist. Der Hartstoffkörper 2 ist in seinem Aufbau gemäß der Erfindung ausgeführt und in seiner äußeren Struktur und Form der verschleißbeanspruchten Fläche des Formgussteiles 1 angepasst, dessen Hohlraumstruktur während des Gießvorganges von dem Gusswerkstoff/der Gießmatrix 3 vollständig penetriert wird und der Hartstofflcörper 2 weitest- gehend in die Gießmatrix 3 eingebettet ist.
Der Werkstoff des Hartstoßkörpers 2 besteht aus Hartstofflegierungen mit eingelagerten Hartphasen des Typs WSC /NiSF in einem Verhältnis von 70 : 30 und als Gießmatrix kommt ein Werkstoff GS-42 CrMo 4 zum Einsatz.
Von besonderem Vorteil bei der Ausbildung und Anordnung eines Hartstoffkörpers 2 zu dem zu fertigenden Formgussteil 1 ist, dass der Hartstoffkörper 2 so in die entsprechende Gießform eingesetzt wird, dass am fertigen Formgussteil 1 die Wirkfläche 7 des Hart- stoffkörpers 2 mit einer geringfügigen Schicht, beispielsweise im Bereich von 1 bis 2 mm, von der Gießmatrix 3 überdeckt ist, somit den unterschiedlichen Charakteristiken der eingesetzten Werkstoffe beim Aushärt-Erstarrungsprozess entsprochen wird. Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die stoffliche Zusammensetzung von nach der Erfindung hergestellten Hartstoff körpern 2.
Erste Ausführungsvariante:
Stoffliche Zusammensetzung des Hartstoffkörpers: 88 Masse-% WC und 12 Masse-% Co.
Zweite Ausführungsvariante:
Stoffliche Zusammensetzung des Hartstoffkörpers: 78 Masse-% WC und 22 Masse-% Co.
Drittes Ausführungsbeispiel:
Stoffliche Zusammensetzung des Hartstoffkörpers: 80 Masse-% WC und 20 Masse-% Ni.
Die stoffliche Zusammensetzung der herzustellenden Hartstoffkörper 2 ist nicht auf die in den vorgenannten Ausfuhrungsvarianten begrenzt, vielmehr gibt es weitere werkstoffmäßige Ausbildungen der Hartstoffkörper 2, die in den Bereichen der genannten Masse- %-Anteile liegen, dies insbesondere unter Beachtung der Beanspruchungen der herzustellenden Formgussteile.

Claims

Patentansprüche
1. Hartstoffkörper für Formgussteile, ausgebildet als Einlegeteil und einsetzbar in einer Gießform, der Hartstoffkörper eine offenporige Struktur besitzt, die beim Abgießen von Matrixmaterial infiltriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstoffkörper (2) eine offenporige metallokeramische Struktur aufweist, der Hartstoffkörper (2) einen mit der Kontur der Wirkfläche des herzustellenden Formgussteiles (1) übereinstimmenden Konturbereich besitzt, aus pulverförmigen Komponenten metallischer und nichtmetallischer Materialien besteht, dessen Hauptbestandteile 92 bis 80 Masse-% eines oder mehrerer Karbide der starken Karbidbildner W, Ti, Ta, Nb, V, Mo sowie Cr und 8 bis 20 Masse-% Co oder 85 bis 60 Masse-% der vorstehenden Karbide und 15 bis 40 Masse-% Ni sind.
2. Hartstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
dessen offenporige Struktur durch Hohlräume (8) herausgebildet wird, deren Öffnungsmaße im Bereich von 1,0 bis 8,0 mm liegen und der Hartstoffkörper (2) mit Dicke von 5 bis 25 mm ausgebildet ist, die Hohlräume (8) unterschiedliche Querschnittsformen besitzen, welche eine quadratische, rechteckige wabenähnliche, rautenförmige, gitterfb'rmige, schwammförmige oder organischen Zellen ähnliche Struktur aufweisen.
3. Hartstoffkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstoffkörper (2) hinsichtlich der Porosität, der Geometrie, einschließlich der Wanddickenbemessung und der HobJraumstruktur derart ausgebildet ist, um den Beanspruchungen des herauszubildenden Formgussteiles (1) zu entsprechen.
. Verfahren zur Herstellung eines Hartstoffkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstoffkörper (2) durch schichtweisen Aufbau aus den pulverförmigen Komponenten der metallischen und nichtmetallischen eingesetzten Materialien hergestellt wird, die in Schichtdicken im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm auf einer Plattform aufgetragen und mittels eines Elektronenstrahls untereinander verschmolzen werden, wobei der Strahl so geführt ist, dass ein offenporiger Hartstoffkörper (2) mit vorwählbaren Hohlräumen (8) in Größe und Struktur hergestellt wird und der Hartstoffkörper (2) die Form oder eine Teilform besitzt, die der Kontur der Wirkfläche (7) oder einer Teilwirkfiäche des Formgussteiles (3) entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektronenstrahl eine spezielle Leistungsdichteverteilung besitzt, eine Strahlablenkung mit einer Frequenz von 106 Hz aufweist, durch eine Auslenkamplitude in Größe des Hartstoffkörper (2) gekennzeichnet ist und die Herausbildung des Hartstoffkörpers (2) unter Vakuum erfolgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Porosität und die Geometrie der Hohlraumstruktur des Hartstoffkörpers (2) so ausgebildet sind, dass eine gleichmäßige Infiltration des Gusswerkstoffes/Gießmatrix (3) im gesamten Hohlraumvolumen des Hartstoffkörpers (2) gewährleistet ist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstofϊkörper (2) in geringem Abstand von der Oberfläche des verschleißbeanspruchten Gussteils angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hartstoffkörper (2) beim Gießvorgang zur Herstellung eines Formgussteiles (1) mit diesem verbunden wird, dies derart, dass der Hartstoffkörper (2) im Formhohlraum einer dem Formgussteil (1) angepassten Gießform so eingesetzt und arretiert ist, dass zwischen der Oberfläche des Hartstoffkörpers (2) und der Gießform ein geringfügiger Abstand, vorzugsweise zwischen 1 bis 2 mm, gegeben ist, so dass anschließend, nach dem Füllen des Formhohlraumes der Gießform mit schmelzflüssigem Metall oder einer schmelzflüssigen Metalllegierung, die Wirkfläche (7) des eingesetzten Hartstoffkörpers (2) mit dem Gusswerkstoff, der Gießmatrix (3), überzogen ist, so der Hartstoffkörper (2) in geringem Abstand von der Oberfläche des verschleißbeanspruchten Formgussteiles (1) angeordnet ist.
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