WO2010149379A1 - Verschleissbeständiger einsatz für ein schneid- oder brechwerkzeug - Google Patents

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WO2010149379A1
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wear
coating
resistant insert
insert according
metallic
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PCT/EP2010/003870
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Axel HÖFTER
Andreas Packeisen
Markus Karlson
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Köppern Entwicklungs Gmbh
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C2204/00—End product comprising different layers, coatings or parts of cermet

Definitions

  • the invention relates to a wear-resistant insert for a cutting or breaking tool with a metallic base body and a coating applied to the metallic base body coating.
  • Corresponding cutting or crushing tools are particularly suitable for opencast mining or mining of tar sands or oil sands.
  • inserts can be used in a variety of other applications that have particularly high demands on the toughness and strength of the inserts.
  • Two long shafts are equipped with rotor disks of a geometry designed depending on the task.
  • the rotor disks are equipped in the circumferential direction with tooth-like gripping tools (teeth).
  • tooth-like gripping tools tacth.
  • a special drive system allows the two shafts to rotate in opposite directions at lower peripheral speeds and high rotor torques, so that the large-volume feed material is picked up by the opposite rotor teeth and pulled between the rollers. In doing so, the teeth introduce punctually high forces into the mineral feed material so that it breaks and is thus crushed.
  • the teeth are replaceable wearing parts that need to be replaced at regular intervals when processing wear-intensive goods depending on the wear resistance of their surface. While the teeth generally have good strength, their toughness is often insufficient to withstand mechanical stress during comminution. As a result, teeth can break off.
  • a high wear resistance and a high mechanical strength are therefore the leading properties to avoid maintenance-related machine downtime.
  • Longer tool life increases equipment uptime while reducing the amount of spare parts required and maintenance.
  • As a result of a longer service life of the tooth-type wearing parts considerable operating costs can be saved.
  • a material improvement suggestion consists e.g. in the coating of the teeth.
  • the coating of the teeth In order to obtain a more wear-resistant surface one has gone over to provide pre-contoured body of the tooth-like inserts with a coating.
  • the build-up welding is currently used, so as to apply to the body a layer that particularly resists the wear causing mineral or comminuted material.
  • corresponding inserts with an armor have a significantly increased life, there is still a need for improved inserts that can be used equally well in a wide variety of applications over wide temperature ranges, without the coating dissolves from the body.
  • Object of the present invention is to provide an insert for a cutting or breaking tool available, which is characterized by a particularly long service life, and at the same time in a variety of applications, even at very different temperatures, can be used.
  • an insert for a cutting or breaking tool with a metallic base body and a coating applied to the metallic base body in that the coating is a hot isostatically applied powder metallurgical coating with embedded hard phases.
  • a corresponding use is characterized by particularly high strength with a particularly high toughness, with a high wear resistance against mineral attack during use can be achieved via the embedded hard phases in the applied by HIP coating. Since the coating is applied to the base body by hot isostatic pressing (HIP), the coating can be adapted particularly well to the contour of the metallic base body, so that hardly any additional final process steps are necessary to achieve the pre-contour of the insert. At the same time, a particularly good connection of the coating with the base body is created.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the base body after application of the coating and optionally followed by heat treatment carried out in a working range of +60 0 C to -40 0 C may have a tensile strength of at least 700 N / mm 2 and a notched impact strength of at least 15 J (ISO V) , Since it is possible to achieve the corresponding strength and toughness values in the base during the coating process or by a combination of the coating process with an additional heat treatment, the production time of the insert is considerably reduced, so that the use can be made more favorable. Surprisingly, it has been found here that the strength and toughness values can be set for a very wide temperature range, so that the insert is suitable for a very wide variety of applications in the most diverse geographical areas.
  • the coating comprises at least one metallic powder component and a ceramic powder component.
  • carbides, borides, nitrides or oxides have been found to be particularly suitable with respect to the ceramic powder component.
  • Corresponding materials are characterized by a particularly high hardness.
  • hard materials such as cubic boron nitride, boron carbide, silicon carbide, titanium nitride, titanium carbonitride, aluminum oxide, zirconium oxide and aluminum zirconium oxide. These materials are characterized by a particularly high hardness.
  • the metallic powder component preferably comprises an iron, nickel or cobalt alloy.
  • the ceramic components are preferably completely surrounded by a metallic matrix in order to increase the breaking strength.
  • the incorporated hard materials may consist of a pure ceramic powder component or of a mixture of 1 to 30% by weight of metallic phase and 70 to 99% by weight of ceramic phase.
  • the embedded hard materials may preferably consist of a pure ceramic powder component or of a mixture of 1 to 25% by weight of metallic phase and 75 to 99% by weight of ceramic phase.
  • the aforementioned materials for the metallic powder component and the ceramic powder component can be used. The aforementioned ranges have proven to be preferred in practice.
  • the coating may comprise from 20 to 80% by weight of the metallic powder component.
  • the metallic portion should in this case be chosen such that an encasing of the ceramic particles is ensured in the interior of the coating.
  • the coating may consist of a composite of individual powder metallurgical components with different performance properties.
  • This embodiment also makes it possible to determine the properties of the coating in a targeted manner.
  • the coating in contrast to a powder bed, the coating is assembled from powder-metallurgically produced components that are already solid or present as a powder compact and provided with a capsule. Then follow as usual the evacuation and the HIP treatment. In this way it is possible to adjust the properties of the coating particularly accurately and homogeneously.
  • the proportion of the metallic component can change over the thickness of the layer, wherein the proportion of the metallic component preferably changes over the thickness of the coating in the direction of the surface of the coating.
  • a corresponding coating is thus formed with a gradation, wherein the proportions the two components can be selectively changed over the thickness of the layer and so the properties of the coating can be influenced as a whole advantageous. This can have an advantageous effect, for example, with regard to the connection of the coating to the base body or the strength and toughness of the outside of the coating.
  • the coating has a hardness of at least 45 HRC, preferably at least 55 HRC 1 , more preferably at least 60 HRC.
  • This hardness must be achieved after the successful coating, and represents the hardness of both powder components in the combined state (composite hardness).
  • composite hardness represents the hardness of both powder components in the combined state (composite hardness).
  • a corresponding hardness ensures that the insert according to the invention has sufficient strength and wear resistance to be used also for the treatment of highly abrasive materials.
  • the layer thickness of the coating can be 8 to 50 mm, preferably at least 10 mm, particularly preferably at least 12 mm.
  • the layer thickness can be adapted to the particular intended use, with a layer thickness of at least 10 mm ensuring sufficient wear resistance of the coating.
  • inserts with a thick coating can be provided without the risk of the coating becoming detached from the base.
  • the base body may be mushroom-shaped.
  • a corresponding shape has proven itself in practice for a replaceable use. The exact shape can be adapted to the purpose of use.
  • the mushroom-shaped body in particular the working area of the mushroom-shaped body, can be paraboloidal, paraboloidal, truncated, conical or frustoconical, cylindrical or prismatic, cubic or cuboidal.
  • the mushroom-shaped body can be formed as a hollow body or solid body with or without shank.
  • the shaft can be made detachable.
  • the insert comprising the coating and the base body may be subjected to an additional heat treatment.
  • this additional heat treatment it is possible to adjust the hardness of the powder metallurgical coating targeted, wherein However, it is of crucial importance not to violate the requirements of the strength and toughness of the body.
  • the powder metallurgical coating is free of cracks.
  • the crack-free after the performed HIP-treatment as well as any additionally performed heat treatment must be given.
  • FIGS. 1a to j show various forms of the completed insert.
  • each insert is characterized by a shaft region and a head region arranged on the shaft.
  • the shaft serves to fix the insert in the roller, so that only the head area is arranged on the surface of the roller.
  • the head region may be rotationally symmetric, as shown in Figures 1 a to d, g, either with a flattened surface (e.g., Figures 1b, d, g) or substantially tapered (e.g., Figures 1a, c).
  • the insert can also be designed symmetrically. In this case, prismatic, cubic or cuboidal inserts have proven suitable in use.
  • the inserts shown in Figures 1 i and j are formed as a hollow body, i. they are not provided with a shaft area.
  • the rollers are already provided with a corresponding shaft portion which extends beyond the surface of the roller, and the insert is placed on the shaft portion.
  • the shaft region may in this case be fixedly connected to the roller or designed to be exchangeable.
  • the present invention relates, as explained above, an insert, in particular an insert, which can be used in a crushing machine for processing a variety of materials.
  • Corresponding comminution machines are used, inter alia, in the industrial processing of oil sands.
  • the inserts can also be used for twin-shaft roller crushers (sizers) or other roll crushers which are used, inter alia, in the field of ore and rock crushing. Due to the heavy use of the teeth or inserts, they are manufactured as a separate element, so that they are easily interchangeable depending on the degree of wear.
  • a corresponding insert is made of a base body, which is made in a known manner from a metallic material.
  • a metallic material e.g. Hard and heat treatable stainless steel proven suitable.
  • the main body here already has the shape of the later use.
  • Various possible forms of use are shown in FIGS. 1 a to j.
  • the main body may be formed as a rotationally symmetrical or symmetrical body and may or may not have a shaft.
  • the main body is produced by known manufacturing processes in the desired shape.
  • the base body must have an adaptable to the respective application toughness and strength. These may optionally be adjusted by a heat treatment (hardening and tempering) tailored to the material of the base body. Similarly, it is possible to achieve the contour of the body by an additional machining.
  • this is provided with a wear-resistant powder metallurgical coating.
  • This coating is densified by hot isostatic pressing and simultaneously bonded to the base body.
  • the base body is previously connected to an encapsulation in which a powder or a previously prepared powder mixture is introduced.
  • the powder mixture of the coating in this case has at least two essential components, a ceramic and a metallic powder component, which were previously mixed together.
  • the ceramic component may in this case have only one ceramic phase or consist of a previously prepared mixture comprising metallic and ceramic particles.
  • the grain size of the two powders, the metallic and the ceramic powder can be suitably adjusted by known sieving and milling processes.
  • the powder of each constituent may be pretreated by itself, eg with respect to grain size adjustment, and then both powders are mixed together to achieve a homogeneous distribution of both constituents within the layer.
  • the finished powder is filled in the capsule and thereby surrounds the surface of the body.
  • the capsule is then closed and subjected to the HIP method in a known manner.
  • the encapsulation here consists of metallic, well-formed sheets, which are connected to each other and also to the body via a suitable welding process.
  • the coating can also be constructed with a gradient, so that in the vicinity of the main body substantially a component predominates and its proportion gradually decreases to the top of the layer.
  • the filling of the powder is preferably carried out stepwise, if necessary with introduction of a separating layer, which is removed before carrying out the HIP process.
  • HIP parameters which have proven to be particularly suitable for applying the coating, are a temperature of 800 to 1,300 0 C and a pressure of 80 to 200 MPa, with a process time of 1 to 6 hours.
  • the encapsulation is removed and the insert is near net shape.
  • the coating is firmly bonded to the main body by the HIP process and, at the same time, the powder mixture is compacted. This resulting coating is crack-free after hot isostatic pressing.
  • the heat treatment applied to the base body during the HIP process it is possible to adapt the toughness and strength of the metallic base body already to the desired area of use, so that the desired toughness and strength of the base body can be achieved simultaneously with application of the coating.
  • an additional heat treatment may be added to the HIP process if necessary. The requirements for the strength and toughness of the body are not violated.
  • the hardness of the powder metallurgical coating can be adjusted to the desired value.
  • the coating is crack-free even after the additional heat treatment.
  • the outer contour of the insert according to the HIP method corresponds to the outer contour of the tool and is adapted to the application.
  • the outer contour is usually cone-shaped with rounded tip and rounded edges.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen verschleißbeständigen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, wobei die Beschichtung eine pulvermetallurgische Beschichtung mit eingelagerten Hartphasen ist, aufgebracht durch heißisostatisches Pressen eines Pulvers, welches in eine mit dem Grundkörper verbindbare Kapsel eingefüllt ist, wobei die Beschichtung eine Dicke von 8 bis 50 mm aufweist.

Description

Verschleißbeständiger Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug
Die Erfindung betrifft einen verschleißbeständigen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Beschichtung.
Entsprechende Schneid- oder Brechwerkzeuge sind insbesondere für den Tagebau bzw. Abraumbau von Teersand bzw. ölsand geeignet. Gleichermaßen können entsprechende Einsätze jedoch in verschiedensten anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, die besonders hohe Anforderungen an die Zähigkeit und Festigkeit der Einsätze haben.
Bisher wurden verschiedenste Materialien wie Eisenerz, Golderz, Kupfererz, Nickelerz, Zinkerz, Bauxit, Kimberlit, Granit, Kohle, Koks, Grafit, Schlacke, Kalk, Klinker, Kalkstein, Ton, Schiefer, Mergel, Gips, Ölsand, etc. durch Doppelwellenwalzenbrecher (Sizer) etc. zermah- len. Das Zerkleinerungsprinzip wird unter Bezugnahme auf Walzenbrecher kurz umrissen.
Zwei lange Wellen sind mit Rotorscheiben einer in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung ausgelegten Geometrie bestückt. Dabei sind die Rotorscheiben in Umfangsrichtung mit zahnartigen Greifwerkzeugen (Zähnen) ausgestattet. Ein spezielles Antriebssystem lässt die beiden Wellen bei niedrigeren Umfangsgeschwindigkeiten und hohen Rotormomenten gegensinnig drehen, so dass das großvolumige Aufgabegut von den gegenüberliegenden Rotorzähnen erfasst wird und zwischen die Walzen gezogen wird. Dabei leiten die Zähne punktuell so hohe Kräfte in das mineralische Aufgabegut ein, dass es bricht und somit zerkleinert wird.
Die Zähne sind auswechselbare Verschleißteile, die bei der Verarbeitung verschleißintensiver Aufgabegüter in Abhängigkeit von der Verschleißbeständigkeit ihrer Oberfläche in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen. Während die Zähne im Allgemeinen eine gute Festigkeit aufweisen, reicht ihre Zähigkeit oftmals nicht aus, um die mechanische Belastung während der Zerkleinerung schadlos zu ertragen. Als Folge davon können die Zähne abbrechen.
Ein hoher Verschleißwiderstand und eine hohe mechanische Belastbarkeit sind also die führenden Eigenschaften zur Vermeidung von wartungsbedingten Maschinenstillständen. Durch längere Standzeiten der Zähne erhöht sich die Anlagenverfügbarkeit, während gleichzeitig die erforderliche Ersatzteilmenge und der Wartungsaufwand reduziert werden. Durch eine höhere Lebensdauer der zahnartigen Verschleißteile können also erhebliche Betriebskosten eingespart werden.
Um die Standzeit entsprechender Zähne zu erhöhen, existieren verschiedenste Ansätze, die einerseits das Material, andererseits die Form der Zähne betrifft. Ein materialtechnischer Verbesserungsvorschlag besteht z.B. in der Beschichtung der Zähne. Um so eine verschleißbeständigere Oberfläche zu erhalten ist man dazu übergegangen, vorkonturierte Grundkörper der zahnartigen Einsätze mit einer Beschichtung zu versehen. Als Standard- beschichtungsverfahren für diese Werkzeuge wird zurzeit das Auftragsschweißen eingesetzt, um so auf dem Grundkörper eine Schicht aufzubringen, die dem Verschleiß verursachenden Mineral bzw. Zerkleinerungsgut besonders günstig widersteht. Obwohl entsprechende Einsätze mit einer Aufpanzerung eine deutlich erhöhte Lebensdauer aufweisen, besteht immer noch Bedarf nach verbesserten Einsätzen, die in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, über breite Temperaturbereiche gleichmäßig gut eingesetzt werden können, ohne dass sich die Beschichtung von dem Grundkörper löst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug zur Verfügung zu stellen, welcher sich durch eine besonders hohe Lebensdauer auszeichnet, und gleichzeitig in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, auch bei unterschiedlichsten Temperaturen, eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Beschichtung dadurch gelöst, dass die Beschichtung eine heißisostatisch aufgebrachte pulvermetallurgische Beschichtung mit eingelagerten Hartphasen ist.
Ein entsprechender Einsatz zeichnet sich durch besonders hohe Festigkeit bei besonders hoher Zähigkeit aus, wobei über die eingelagerten Hartphasen in der durch HIP aufgebrachten Beschichtung eine hohe Verschleißbeständigkeit gegen mineralischen Angriff im Einsatz erzielbar ist. Da die Beschichtung durch Heißisostatisches Pressen (HIP) auf den Grundkörper aufgebracht wird, kann die Beschichtung besonders gut an die Kontur des metallischen Grundkörpers angepasst werden, so dass kaum zusätzliche abschließende Verfahrensschritte notwendig sind, um die Vorkontur des Einsatzes zu erzielen. Gleichzeitig entsteht eine besonders gute Verbindung der Beschichtung mit dem Grundkörper. Vorteilhafterweise kann der Grundkörper nach dem Aufbringen der Beschichtung und einer gegebenenfalls anschließend durchgeführten Wärmebehandlung in einem Arbeitsbereich von +600C bis -400C eine Zugfestigkeit von mindestens 700 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 15 J (ISO-V) aufweisen. Da es möglich ist, die entsprechenden Festigkeits- und Zähigkeitswerte in dem Grundkörper während des Beschichtungsvorgan- ges oder durch eine Kombination des Beschichtungsverfahrens mit einer zusätzlichen Wärmebehandlung zu erzielen, verringert sich die Herstellungsdauer des Einsatzes erheblich, so dass der Einsatz günstiger gefertigt werden kann. Überraschenderweise hat sich hierbei herausgestellt, dass die Festigkeits- und Zähigkeitswerte für einen sehr breiten Temperaturbereich eingestellt werden können, so dass der Einsatz für verschiedenste Anwendungen in verschiedensten geografischen Gebieten geeignet ist. Hierbei ist es möglich, die Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers durch geeignete Wahl der Verfahrensparameter genau auf den geplanten Einsatzfall einzustellen. Weitere bevorzugte Kombinationen aus Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers in dem gleichen Temperaturbereich sind eine Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 20 J (ISO-V),
eine Zugfestigkeit von mindestens 850 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 35 J (ISO-V),
eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 40 J (ISO-V), und
eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 50 J (ISO-V).
Die Einhaltung entsprechender Festigkeits- und Zähigkeitswerte stellt sicher, dass der Einsatz im Betrieb nicht abreißt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung wenigstens eine metallische Pulverkomponente und eine keramische Pulverkomponente. Durch die Kombination der beiden unterschiedlichen Materialien lassen sich die Eigenschaften der Schicht besonders vorteilhaft einstellen, wobei zusätzlich eine besonders gute Haftung an dem Grundkörper erzielt werden kann.
Hierbei haben sich in Bezug auf die keramische Pulverkomponente vorzugsweise Karbide, Boride, Nitride oder Oxide als besonders geeignet erwiesen. Als besonders geeignet können unter anderem metallische Karbide und Boride der Metalle Chrom, Niob, Titan, Vanadi- um und Wolfram, sowie Gemische aus diesen Karbiden / Boriden genannt werden. Entsprechende Materialien zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte aus. In Frage kommen auch Hartstoffe wie kubisches Bornitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Titannitrid, Titancarbo- nitrid, Aluminiumoxid Zirconiumdioxid und Aluminiumzirkonoxid. Diese Materialien zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte aus.
Bezüglich der metallischen Pulverkomponente umfasst diese vorzugsweise eine Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierung. Hierbei werden die keramischen Bestandteile vorzugsweise vollständig von einer metallischen Matrix umgeben, um die Bruchfestigkeit zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die eingelagerten Hartstoffe aus einer reinen keramischen Pulverkomponente oder aus einem Gemisch aus 1 bis 30 Gew.-% metallischer Phase und 70 bis 99 Gew.-% keramischer Phase bestehen. Vorzugsweise können die eingelagerten Hartstoffe aus einer reinen keramischen Pulverkomponente oder aus einem Gemisch aus 1 bis 25 Gew.-% metallischer Phase und 75 bis 99 Gew.-% keramischer Phase bestehen. Hierbei können die bereits zuvor genannten Materialien für die metallische Pulverkomponente sowie die keramische Pulverkomponente eingesetzt werden. Die zuvor genannten Bereiche haben sich in der Praxis als bevorzugt erwiesen.
Vorteilhafterweise kann die Beschichtung 20 bis 80 Gew.-% der metallischen Pulverkomponente umfassen. Der metallische Anteil sollte hierbei solchermaßen gewählt werden, dass eine Umhüllung der keramischen Partikel im Inneren der Beschichtung gewährleistet ist.
Ferner kann die Beschichtung aus einem Verbund einzelner pulvermetallurgischer Komponenten mit unterschiedlichen Gebrauchseigenschaften bestehen. Auch diese Ausführungsform ermöglicht es, die Eigenschaften der Beschichtung gezielt zu bestimmen. In diesem Fall wird die Beschichtung im Gegensatz zu einer Pulverschüttung aus pulvermetallurgisch hergestellten, bereits festen oder als Pulverpreßling vorliegenden Komponenten zusammengebaut und mit einer Kapsel versehen. Anschließend folgen wie gewohnt das Evakuieren und die HIP-Behandlung. Auf diese Weise ist es möglich die Eigenschaften der Beschichtung besonders genau und homogen einzustellen.
Vorteilhafterweise kann sich der Anteil der metallischen Komponente über die Dicke der Schicht verändern, wobei sich der Anteil der metallischen Komponente vorzugsweise über die Dicke der Beschichtung in Richtung der Oberfläche der Beschichtung verändert. Eine entsprechende Beschichtung ist folglich mit einer Gradierung ausgebildet, wobei die Anteile der beiden Komponenten gezielt über die Dicke der Schicht verändert werden können und so die Eigenschaften der Beschichtung als Ganzes vorteilhaft beeinflusst werden. Dies kann sich z.B. im Hinblick auf die Verbindung der Beschichtung mit dem Grundkörper oder die Festigkeit und Zähigkeit der Außenseite der Beschichtung vorteilhaft auswirken.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung eine Härte von mindestens 45 HRC, vorzugsweise mindestens 55 HRC1 besonders bevorzugt mindestens 60 HRC auf. Diese Härte muss hierbei nach der erfolgten Beschichtung erzielt werden, und stellt die Härte beider Pulverkomponenten im kombinierten Zustand dar (Verbundhärte). Eine entsprechende Härte stellt sicher, dass der erfindungsgemäße Einsatz eine ausreichende Festigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweist, um auch für die Behandlung stark abrasiver Materialien eingesetzt zu werden.
Ferner kann die Schichtdicke der Beschichtung 8 bis 50 mm, vorzugsweise mindestens 10 mm, besonders bevorzugt mindestens 12 mm betragen. Die Schichtdicke kann hierbei der jeweils beabsichtigten Verwendung angepasst werden, wobei eine Schichtdicke von mindestens 10 mm eine ausreichende Verschleißbeständigkeit der Beschichtung sicherstellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können auch Einsätze mit einer dicken Beschichtung bereitgestellt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Beschichtung von dem Grundkörper löst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Grundkörper pilzförmig ausgebildet sein. Eine entsprechende Form hat sich in der Praxis für einen auswechselbaren Einsatz bewährt. Die genaue Form kann hierbei jeweils dem Einsatzzweck angepasst werden.
Vorteilhafterweise kann der pilzförmige Körper, insbesondere der Arbeitsbereich des pilzförmigen Körpers paraboloid, paraboloid stumpfartig, kegelförmig oder kegelstumpfartig, zylindrisch oder prismatisch, kubisch oder quaderförmig ausgebildet sein. Hierbei kann der pilzförmige Körper als Hohlkörper oder Vollkörper mit oder ohne Schaft ausgebildet werden. Zusätzlich kann der Schaft lösbar ausgebildet sein.
Ferner kann der Einsatz umfassend die Beschichtung und den Grundkörper einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterworfen werden. Durch diese zusätzliche Wärmebehandlung ist es möglich die Härte der pulvermetallurgischen Beschichtung gezielt einzustellen, wobei es jedoch von entscheidender Bedeutung ist die Anforderungen an die Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers nicht zu verletzen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die pulvermetallurgische Beschich- tung rissfrei. Hierbei muss die Rissfreiheit nach der durchgeführten HIP-Behandlung wie auch der gegebenenfalls zusätzlich durchgeführten Wärmebehandlung gegeben sein.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt Figur 1a bis j verschiedene Formen des fertiggestellten Einsatzes.
Bei den in den Figuren 1a bis h dargestellten Formen erfindungsgemäßer Einsätze handelt es sich um pilzförmig ausgebildete Einsätze. Hierbei zeichnet sich jeder Einsatz durch einen Schaftbereich und einen auf dem Schaft angeordneten Kopfbereich aus. Der Schaft dient zur Fixierung des Einsatzes in der Walze, so dass nur der Kopfbereich auf der Oberfläche der Walze angeordnet ist.
Der Kopfbereich kann wie in den Figuren 1 a bis d, g dargestellt rotationssymmetrisch ausgebildet sein, entweder mit einer abgeflachten Oberfläche (z.B. Fig. 1b, d, g) oder im Wesentlichen spitz zulaufend (z.B. Fig. 1a, c). Gleichermaßen kann der Einsatz jedoch auch symmetrisch ausgebildet sein. Hierbei haben sich im Einsatz prismatische, kubische oder quaderförmig ausgebildete Einsätze als geeignet erwiesen.
Die in den Figuren 1 i und j dargestellten Einsätze sind als Hohlkörper ausgebildet, d.h. sie werden nicht mit einem Schaftbereich bereitgestellt. In diesem Fall sind die Walzen bereits mit einem entsprechenden Schaftbereich versehen, der sich über die Oberfläche der Walze hinaus erstreckt, und der Einsatz wird auf den Schaftbereich aufgesetzt. Der Schaftbereich kann hierbei mit der Walze fest verbunden sein oder auswechselbar ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft, wie oben erläutert, einen Einsatz, insbesondere einen Einsatz, welcher in einer Zerkleinerungsmaschine zur Verarbeitung verschiedenster Materialien eingesetzt werden kann. Entsprechende Zerkleinerungsmaschinen kommen unter anderem in der industriellen Verarbeitung von ölsand zum Einsatz. Gleichermaßen können die Einsätze jedoch auch für Doppelwellenwalzenbrecher (Sizer) oder andere Walzenbrecher verwendet werden, welche unter anderem auf dem Gebiet der Erz- und Gesteinszerkleinerung eingesetzt werden. Aufgrund der starken Beanspruchung der Zähne bzw. Einsätze, werden diese als gesondertes Element gefertigt, so dass sie je nach Abnutzungsgrad leicht auswechselbar sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein entsprechender Einsatz aus einem Grundkörper gefertigt, welcher auf bekannte Art und Weise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist. Als Material für den Grundkörper hat sich z.B. hart- und vergütbarer CrNi-Stahl als geeignet erwiesen.
Der Grundkörper weist hierbei bereits die Form des späteren Einsatzes auf. Verschiedene mögliche Formen des Einsatzes sind in den Figuren 1 a bis j dargestellt. Wie deutlich wird, kann der Grundkörper als rotationssymmetrischer oder symmetrischer Körper ausgebildet sein und einen Schaft aufweisen, oder nicht. Der Grundkörper wird durch bekannte fertigungstechnische Verfahren in der gewünschten Form hergestellt.
Der Grundkörper muss eine an den jeweiligen Einsatzbereich anpassbare Zähigkeit und Festigkeit besitzen. Diese können gegebenenfalls durch eine auf den Werkstoff des Grundkörpers abgestimmte Wärmebehandlung (Härten und vergüten) eingestellt werden. Gleichermaßen ist es möglich die Kontur des Grundkörpers durch eine zusätzliche spanende Bearbeitung zu erzielen.
Nach der Fertigstellung des Grundkörpers wird dieser mit einer verschleißbeständigen pulvermetallurgischen Beschichtung versehen. Diese Beschichtung wird durch heißisostati- sches Pressen verdichtet und gleichzeitig mit dem Grundkörper verbunden. Um das heißi- sostatische Pressen durchzuführen, wird der Grundkörper zuvor mit einer Kapselung verbunden, in welche ein Pulver oder ein zuvor hergestelltes Pulvergemisch eingefüllt wird.
Das Pulvergemisch der Beschichtung weist hierbei wenigstens zwei wesentliche Bestandteile auf, einen keramischen und einen metallischen Pulverbestandteil, die zuvor miteinander vermischt wurden. Der keramische Bestandteil kann hierbei lediglich eine keramische Phase aufweisen oder aus einer bereits zuvor hergestellten Mischung, umfassend metallische und keramische Partikel, bestehen. Die Korngröße der beiden Pulver, des metallischen sowie des keramischen Pulvers, können geeignet durch bekannte Sieb- und Mahlverfahren eingestellt werden. Bei der Herstellung kann zunächst das Pulver jedes Bestandteils für sich allein vorbehandelt werden, z.B. in Bezug auf die Einstellung der Korngröße, und anschließend werden beide Pulver miteinander vermischt, um eine homogene Verteilung beider Bestandteile innerhalb der Schicht zu erzielen. Das fertiggestellte Pulver wird in die Kapsel eingefüllt und umgibt hierdurch die Oberfläche des Grundkörpers. Anschließend wird die Kapsel verschlossen und auf bekannte Art und Weise dem HIP-Verfahren unterzogen. Die Kapselung besteht hierbei aus metallischen, gut umformbaren Blechen, die über ein geeignetes Schweißverfahren miteinander und auch mit dem Grundkörper verbunden werden.
Sofern notwendig, kann die Beschichtung auch mit einem Gradienten aufgebaut werden, so dass in der Nähe des Grundkörpers im Wesentlichen ein Bestandteil vorherrscht und dessen Anteil sich bis zur Oberseite der Schicht allmählich verringert.
Sofern die Beschichtung mit einem Pulvergradienten ausgebildet werden soll, erfolgt die Einfüllung des Pulvers vorzugsweise schrittweise, sofern notwendig unter Einführen einer Trennschicht, die vor dem Durchführen des HIP-Verfahrens entfernt wird.
HIP-Parameter, die sich zum Aufbringen der Beschichtung als besonders geeignet erwiesen haben, sind eine Temperatur von 800 bis 1.3000C und ein Druck von 80 bis 200 MPa, bei einer Verfahrensdauer von 1 bis 6 Stunden.
Nach dem Durchführen des HIP-Verfahrens, wird die Kapselung entfernt und der Einsatz liegt endformnah vor. Durch den HIP-Vorgang wird die Beschichtung einerseits fest mit dem Grundkörper verbunden und gleichzeitig die Pulvermischung verdichtet. Diese so entstehende Beschichtung ist nach dem heißisostatischen Pressen rissfrei.
Durch die auf den Grundkörper während des HIP-Verfahrens ausgeübte Temperaturbehandlung ist es möglich, die Zähigkeit und Festigkeit des metallischen Grundkörpers bereits an den gewünschten Einsatzbereich anzupassen, so dass gleichzeitig mit Aufbringen der Beschichtung auch die gewünschte Zähigkeit und Festigkeit des Grundkörpers erzielt werden kann. Gegebenenfalls kann sich, sofern notwendig, an das HIP-Verfahren noch eine zusätzliche Wärmebehandlung anschließen. Die Anforderungen an die Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers werden dabei nicht verletzt. Durch diese zusätzliche Wärmebehandlung kann die Härte der pulvermetallurgischen Beschichtung auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Hierbei ist die Beschichtung auch nach der zusätzlichen Wärmebehandlung rissfrei.
Die Außenkontur des Einsatzes nach dem HIP-Verfahren entspricht der Außenkontur des Werkzeuges und ist dem Einsatzzweck angepasst. Hierbei ist die Außenkontur in der Regel kegelförmig mit verrundeter Spitze und verrundeten Kanten ausgebildet.

Claims

Ansprüche
1. Verschleißbeständiger Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Be- schichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine pulvermetallurgische Beschichtung mit eingelagerten Hartphasen ist, aufgebracht durch heißisostati- sches Pressen eines Pulvers, welches in eine mit dem Grundkörper verbindbare Kapsel eingefüllt ist, wobei die Beschichtung eine Dicke von 8 bis 50 mm aufweist.
2. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung mindestens 10 mm, besonders bevorzugt mindestens 12 mm beträgt.
3. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper nach dem Aufbringen der Beschichtung und einer gegebenenfalls anschließend durchgeführten Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von +600C bis -40°C eine Zugfestigkeit von mindestens 700 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 15 J (ISO-V) aufweist.
4. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in einem Temperaturbereich von +600C bis -400C eine Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 20 J (ISO-V) aufweist.
5. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in einem Temperaturbereich von +600C bis -400C eine Zugfestigkeit von mindestens 850 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 35 J (ISO-V) aufweist.
6. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in einem Temperaturbereich von +600C bis -40°C eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 40 J (ISO-V) aufweist.
7. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in einem Temperaturbereich von +600C bis -400C eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm2 und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 50 J (ISO-V).
8. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine metallische Pulverkomponente oder wenigstens eine metallische Pulverkomponente und wenigstens eine keramische Pulverkomponente umfasst.
9. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Pulverkomponente der Beschichtung gewählt wird aus Karbiden, Boriden, Nitriden oder Oxiden.
10. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Pulverkomponente gewählt wird aus der Gruppe metallischer Hartphasen, insbesondere Karbide oder Boride der Metalle Chrom, Niob, Titan, Vanadium und Wolfram, sowie Gemische aus dieser Gruppe.
11. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Pulverkomponente gewählt wird aus der Gruppe der Hartstoffe, wie kubisches Bornitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Titannitrid, Titancarbo- nitrid, Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid und Aluminiumzirkonoxid, sowie Gemische aus dieser Gruppe oder mit der Gruppe nach Anspruch 10.
12. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Pulverkomponente vorzugsweise aus einer Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierung besteht.
13. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelagerten Hartstoffe aus einem Gemisch aus 1 bis 30 Gew.-% metallischer Phase und 70 bis 99 Gew.-% keramischer Phase bestehen.
14. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelagerten Hartstoffe aus einem Gemisch aus 1 bis 23 Gew.-% metallischer Phase und 75 bis 99 Gew.-% keramischer Phase bestehen.
15. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung 20 bis 80 Gew.-% der metallischen Pulverkomponente umfasst.
16. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Verbund einzelner pulvermetallurgischer Komponenten mit unterschiedlichen Gebrauchseigenschaften ist.
17. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Anteil der metallischen Komponente über die Dicke der Schicht verändert, wobei sich der Anteil der metallischen Komponente vorzugsweise über die Dicke in Richtung der Oberfläche der Beschichtung verringert.
18. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Härte von mindestens 45 HRC, vorzugsweise mindestens 55 HRC, besonders bevorzugt mindestens 60 HRC aufweist.
19. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper pilzförmig ausgebildet ist.
20. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der pilzförmige Körper, insbesondere der Arbeitsbereich des pilzförmigen Körpers, paraboloid, paraboloid stumpfartig, kegelförmig oder kegelstumpfartig, zylindrisch oder prismatisch, kubisch oder quaderförmig ausgebildet ist.
21. Verschleißbeständiger Einsatz nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der pilzförmige Körper als Hohlkörper oder Vollkörper mit oder ohne Schaft ausgebildet ist.
22. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass an dem Einsatz umfassend die Beschichtung und den Grundkörper eine zusätzliche Wärmebehandlung durchführbar ist.
23. Verschleißbeständiger Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die pulvermetallurgische Beschichtung rissfrei ist.
24. Verfahren zur Herstellung eines verschleißbeständigen Einsatzes für ein Schneidoder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Beschichtung, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verbinden des Grundkörpers mit einer Kapsel, Einfüllen eines Pulvers oder eines zuvor hergestellten Pulvergemisches in die Kapsel, so dass das Pulver bzw. Pulvergemisch die Oberfläche des Grundkörpers umgibt,
Verschließen der Kapsel,
Unterwerfen der Kapsel einem heißisostatischen Pressverfahren und
Entfernen der Kapsel,
wobei die Beschichtung mit einer Dicke von 8-50 mm aufgebracht wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißpressverfahren mit einer Temperatur von 800 bis 1.3000C und einem Druck von 80 bis 200 MPa für ein bis sechs Stunden durchgeführt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt.
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