METHOD FOR MANUFACTURING WEAR-RESISTANT ARTICLES

Abstract: 1. Method for the manufacture of wear-resistant composite articles (1) from a metallic base material with a highly wear-resistant area (2) in which particles of hard material are incorporated within the base material, characterized in that the base material, in the form of at least one electrode (3, 33, 43), is continuously remelted by the electrode-slag remelting process in an arrangement of moulds (4 ; 23, 24) under a layer of liquid slag (9) forming a solidified ingot growing from the bottom of the mould arrangement, during which process a pool of molten metal (10 ; 28) forms under the slag layer, and that hard meterial particles (11) with a grain size of 0.1...20 mm are added to the pool (10) for at least one period of time for embedding in the base material, with the period of time or the sum of all time periods being shorter than the total electrode (3) remelting time.

Description: Verfahren zum Herstellen von Verschleisskörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleissbestndigen Verbundkörpern aus einem metallischen Grundwerkstoff mit einem -hochverschleiss- beständigen Bereich, in dem innerhalb des Grundwerkstoffs Hartstoffteilchen eingelagert sind, wobei im nachfolgenden und in den Patentansprüchen unter der Bezeichung Hartstoffteilchen Hartstoff- und/oder Hartmetallteilchen zusammengefasst sind. Weiterhin steht die Bezeichnung "Grundwerkstoff" auch für die Bezeichnungen Basis- oder Matrixwerkstoff. Es ist bekannt, verschleissbeständige Verbundkörper durch Aufschweissen herzustellen, wobei eine abschmelzende Elektrode mit einem aus einer Metallegierung bestehenden Rohr verwendet wird, in dem Hartstoffteilchen enthalten sind. Die Metallegierung des Rohres kann dabei aus dem gleichen Werkstoff bestehen, wie der Grundwerkstoff, auf den die hochverschleissbeständige Zone aufgeschweisst wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass nur relativ dünne Verschleiss schichten zufriedenstellend aufgetragen werden können. Aus der DE-PS 29 19 477 C2 ist ein Verbundkörper mit einem hochverschleissbeständigen Bereich bekannt, der durch Giessen des Grundwerkstoffs in eine Form und durch Zugeben von Hartstoffteilchen hergestellt wird. Der Grundwerkstoff dieses bekannten Verbundkörpers ist aber nur mit erheblichem Aufwand schweissbar und nur schwer spanabhebend bearbeitbar. In der älteren Patentanmeldung P 33 15 125.3 ist zwar ein weiterer durch Giessen hergestellter Verbundkörper bekannt, der gut schweissbar und gut zerspanbar ist, dafür ist aber die Festigkeit und insbesondere die Warmfestigkeit dieses Grundwerkstoffs für viele Fälle nicht ausreichend. Beim Herstellen der bekannten Verbundkörper durch Giessen wird der erschmolzene Grundwerkstoff in eine Form abgegossen, die vorzugsweise aus Formsand besteht. Zum Absinken in den für sie vorgesehenen Bereich benötigen die Hartstoffteilchen eine gewisse Mindestzeit. Da die Form keine Einrichtung zur Energiezufuhr besitzt, muss die Abkühlzeit (das ist die Zeit, in der der Grundwerkstoff von der Giesstemperatur bis zu seiner Liquidustemperatur abgekühlt ist) grösser sein als die Mindestzeit zum Absinken der Hartstoffteilchen. Mit Rücksicht auf die Temperaturbeständigkeit der Form bzw. eines entsprechenden Schmelztiegels kann die Giesstemperatur nicht beliebig hoch gewählt werden. Um dennoch die zur Einhaltung einer gewissen Mindestzeit zum Absinken der Hartstoffteilchen erforderliche Temperaturdifferenz zu erhalten, muss die Liquidustemperatur des Grundwerkstoffs entsprechend niedrig angesetzt werden. Man ist dadurch bei den bekannten Giessverfahren auf die Verwendung von Grundwerkstoffen beschränkt, deren Liquidustemperatur nicht höher als etwa 1400 0C liegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von hochverschleissbeständigen Verbundkörpern anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und das die Verwendung beliebiger Grundwerkstoffe, insbesondere auch solcher Werstoffe gestattet, deren Liquidustemperatur über 1400 0C liegt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Elektrode wird entsprechend den Vorgängen beim sog. Elektroschlackeumschmelzverfahren (ESU-Verfahren), wie dies zur Erzeugung eines homogenen Blocks einer reinen Metallegierung beispielsweise in der US-PS 2 361 101 beschrieben ist, durch die Widerstandserhitzung der Schlacke abgeschmolzen. Dabei werden Schmelztemperaturen bis etwa 1900 OC erreicht. An der in die flüssige Schlacke eintauchenden Stirnfläche der Elektrode entsteht zunächst ein Mikrofilm des flüssigen Grundwerkstoffs, aus dem sich dann ein Tropfenstorm bildet, der die Schlackenschicht durchwandert,wSxd es zwischen dem Grundwerkstoff und der Schlacke zu intensiven Reaktionen kommt, bei denen die Metalltropfen weitgehend von unerwünschten Verunreinigungen befreit werden. Die so gereinigten Tropfen des Grundwerkstoffs sammeln sich in einem Metall- bzw. Schmelzsumpf am Boden der Kokille, und es erfolgt der kontinuierliche Aufbau eines Blocks aus dem Elektrodenwerkstoff mit einem entsprechenden Ansteigen des Schmelzsumpfes. Durch die hohen erzielbaren Schmelz temperaturen wird die Auswahl der verwendbaren Grundwerkstoffe erheblich vergrössert, so dass insbesondere auch Werkstoffe mit höheren Schmelztemperaturen eingesetzt werden können. Die beim erfindungsgemässen Verfahren erreichbare hohe Temperatur hat zudem eine deutliche Verringerung der Viskosität der Schmelze zur Folge, so dass das Absinken und Anlösen der Hartstoffteilchen durch den Grundwerkstoff bzw. im Grundwerkstoff auch bei solchen Werkstoffen problemlos erfolgt, deren Liquidustemperatur über 1400 0C liegt. Durch die heisse Schlacke werden die Hartstoffteilchen gut vorgewärmt, wodurch ihr Anlösen im Grundwerkstoff begünstigt wird. Aufgrund der geringen Viskosität der heissen Schlacke sowie der hohen Dichteunterschiede bei den Hartstoffteilchen und der Schlacke durchwandern die Hartstoffteilchen die Schlackenschicht in sehr kurzer Zeit. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren erstarrt der flüssige Metallsumpf zu einem vom Boden der Kokillenanorndung wachsenden festen Block. Im Gegensatz zu den bekannten Giessverfahren zur Herstellung von Ver schleisskörpern ist immer nur ein begrenzter, flacher Bereich des Grundwerkstoffs - der Schmelz- oder Metallsumpf - schmelzflüssig, so dass die Hartstoffteilchen nur einen relativ kurzen Weg bis zu ihrer Einlagerung in den bzw. bis zu ihrer Verankerung in dem Grundwerkstoff zurückzulegen haben. Trotz der beim Elektroschlackeumschmelzen üblichen hohen Schlackentemperaturen und einem entsprechenden Vorwärmen der Hartstoffteilchen kommt es durch die kurze Zeit, in der die Hartstoffteilchen durch den flachen Schmelzsumpf absinken können, nicht zum Schmelzen und Auflösen der Hartstoffteilchen. Es hat sich vielmehr in überraschender Weise gezeigt, dass die Hartstoffteilchen nur an ihren Randzonen angelöst werden, wodurch eine gute Voraussetzung für ihre Verankerung im Grundwerkstoff gegeben ist. Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 kann die verschleissfeste Zone auf einen Teil des ganzen Verbundkörpers beschränkt werden. Es ist nun insbesondere auch möglich, die verschleiss feste Zone in die Mitte eines Verbund- bzw. Verschleisskörpers zu legen, wenn die Elektrode zunächst ohne Zufuhr von Hartstoffteilchen erschmolzen wird und die Hartstoffteilchen erst zu einem späteren Zeitpunkt zugegeben werden, und die Zufuhr vor Beendigung des Schmelzprozesses wieder beendet wird. Ein Verbundkörper mit einer zwischen den Enden befindlichen Verschleiss zone lässt sich nach den An sprüchen 4 und 5 auch dann erreichen, wenn die Hartstoffteilchen der Elektrode über einen entsprechenden Bereich ihrer Länge zugeordnet sind. Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol genen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein zylindrisches Einsteckwerkzeug für ein Schlagwerkzeug mit einem am unteren Ende befindlichen hochverschleissbestän digen Bereich, Fig. 2 eine Anlage zur Herstellung des Einsteck werkzeuges nach Fig. 1 während des Ab schmelzens der Elektrode in schematischer Darstellung, Fig. 3 ein ringförmiges Rohrstück zur Bildung eines verschleiss- und korrosionsbestän digen Rohres, Fig. 4 eine Anlage zur Herstellung des Rohrstücks nach Fig. 3 in einem schematisierten Quer schnitt, Fig. 5 eine an ihrer Oberfläche teilweise mit Hart stoffteilchen beschichtete Elektrode in einer Seitenansicht und Fig. 6 eine Elektrode, die auf einem Teil ihrer Länge Hartstoffteilchen enthält, in einem Längs schnitt. Das für einen hydraulischen Hammer bestimmte Einsteckwerkzeug 1 mit einem Durchmesser D1 von 75 mm und einer Länge L1 von 800 mm weist an seinem unteren Ende einen hochverschleissbeständigen Bereich 2 auf, der sich über eine Länge L2 von etwa 100 mm erstreckt. Das Einsteckwerkzeug 1 weist als Grund- oder Basiswerkstoff den Werkstoff 42CrMo4 (Werkstoffnummer 1.7225) auf. In dem hochverschleissbeständigen Bereich sind Wolframcarbidteilchen in den Grundwerkstoff eingelagert. Zur Herstellung dieses Werkzeuges wird eine Elektrode 3 aus dem Grundwerkstoff mit einem Durchmesser D3 von 50 mm und einer Länge von 1800 mm in einer Kupferkokille 4 mit einem Innendurchmesser d4 von 80 mm umgeschmolzen -(Bild 2). Die Kupferkokille 4, die auf einer Kupfer- oder Bodenplatte 5 steht, ist wassergekühlt und weist einen Wasserzulauf 6, einen Wasseraustritt 7 und einen Hohlraum 8 zum Durchfliessen des Wassers auf. Nach der Zündung der Elektrode 3 wird die in Pulverform eingegebene Schlacke 9 verflüssigt. Das Schlackenpulver besteht zu 60 % aus Flussspat, zu 20 % aus Kristallkalk und zu 20 % aus Aluminiumoxid (die %-Angaben bedeuten jeweils Massen-%). Die sich an der Unter- oder Stirnseite 3' der Elektrode 3 bildenden Metalltropfen 3" wandern durch die flüssige Schlacke 9 und bilden einen flüssigen Metallsumpf 10. Durch Erstarren des Metallsumpfs 10 wird auf der Bodenplatte zunächst ein Startblock mit einer Höhe von etwa 10 mm aufgebaut. Nach dem Aufbau dieses Startblocks erfolgt die Zugabe von Hartmetallteilchen 11 aus Wolframcarbid (WC), die zu 50 % eine Korngrösse von 1...1,6 mm und wiederum zu 50 % eine Korngrösse von 0,8...1,2 mm aufweisen. Bei einem durchgeführten Versuch wurde der Grundw#erkstoff 42CrMo4 mit einer Leitung von 0,65 kg/min erschmolzen. Während eines Zeitraumes von 6 min nach Bildung des Startblocks wurden die Hartmetallteilchen 11 mit einem Massenstrom von 0,52 kg/min mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Dosiervorrichtung zugegeben, so dass die Hartstoffteilchen 11 in dem hochverschleissbeständigen Bereich 2 einen Anteil von etwa 44,5 % ausmachen. Der volumenmässige Anteil des hochverschleissbeständigen Bereichs 2 am gesamten Einsteckwerkzeug 1 beträgt etwa 12,5 %. Bei einer Härte der Hartstoffteilchen 11 von 1100 HV 30 weist der die Hartstoffteilchen 11 enthaltende hochverschleissbeständige Bereich 2 des nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Einsteckwerkzeugs 1 eine Härte von etwa 550 HV 30 und der hartstofffreie Bereich eine Härte von etwa 400 HV 30 auf. Das Rohrstück 21 mit einem Aussendurchmesser D21 und einem Innendurchmesser d21 nach Fig. 3 ist zur Bildung eines verschleiss- und korrosionsbeständigen Rohres 22 zur Förderung von heissem grobkörnigen Schüttgut vorgesehen. Dieses Rohrstück wird thermisch und abrasiv beansprucht. Die Anlage zur Herstellung des Rohrstücks 21 ist in Fig. 4 dargestellt. Innerhalb der wassergekühlten Kokille 23 mit einem Innendurchmesser d23, der - von fertigungsbedingten Abweichungen abgesehen - dem Aussendurchmesser D21 des Rohrstücks 21 bzw. des Rohres 22 entspricht, ist ein ebenills wassergekühlter, zentral angeordneter Kupfereinsatz 24 vorgesehen, dessen Aussendurchmesser D24 im wesentlichen dem Innen durchmesser d21 des herzustellenden Rohrstücks 21 entspricht. An einer gemeinsamen Elektrodenhalterung 25 sind - gleichmässig am Umfang verteilt mehrere Elektroden 26 angeordnet, die in den zylindrischen Ringspalt 27 zwischen der Kokille 23 und dem Kupfereinsatz 24 eingegeben werden. Dabei muss der seitliche Abstand der einzelnen Elektroden 26 so dicht gewählt werden, dass die durch die Erschmelzung gebildeten flüssigen Metallsumpfstellen 28 ringförmig miteinander verbunden sind. Zur Herstellung des Rohrstücks 21 werden Elektroden aus dem Werkstoff X13OCrSi29 (Werkstoffnummer 1.4777) als Grundwerkstoff abgeschmolzen. Nach der Bildung eines Startblocks von etwa 10 mm Höhe werden Wolframcarbidteilchen über die gesamte Abschmelzzeit gleichmässig in den Ringspalt 27 eingegeben. Der Anteil der Wolframcarbidteilchen im Rohrstück 21 kann dabei 20 % ausmachen. Die in Pulverform eingesetzte Schlacke besteht zu je einem Drittel aus Flussspat, Kristallkalk und Aluminiumoxid. Die Elektrode 33 gemäss Fig. 5 besteht - wie die Elektrode 3 - aus dem Grundwerkstoff des herzustellenden Verbundkörpers 1. An ihrer Oberfläche 34 weist die Elektrode 33 über eine Länge L eine Beschichtung 35 aus Hartstoffteilchen 11 auf. Von der Stirnseite 36 bis zur Beschichtung 35 ist die Oberfläche 34 über eine Länge L36 hartstofffrei. Die Verwendung einer solchen Elektrode macht das separate Zugeben von Hartstoffteilchen entbehrlich und vereinfacht damit das Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers. Durch das Beschränken der Beschichtung 35 auf einen Teil der Gesamtlänge L33 der Elektrode 33 kann ein Verbundkörper hergestellt werden, dessen hochverschleissfester Bereich 2 eine der Beschichtung 35 entsprechende Lage im Verbundkörper einnimmt. Ein solcher Verbundkörper besteht an seinen Enden - wie die Elektrode 33 - ebenfalls ausschliesslich aus dem Grundwerkstoff und besitzt zwischen seinen Enden den hochverschleissbeständigen Bereich 2. Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode, die separates Zugeben von Hartstoffteilchen erübrigt. Die Elektrode 43 besitzt ein Rohrstück 44 aus dem zu verwendenden Grundstoff, das in seinem Hohlraum 45 mit Hartstoffteilchen 11 angefüllt ist. An ihrem unteren Ende ist die Elektrode 43 mit einer Stirnplatte 46 aus dem Grundwerkstoff abgeschlossen. An ihrem oberen Ende weist die Elektrode 43 ein massives Stück 47 aus dem Grundwerkstoff auf. Während die Stirnplatte 46, die die innerhalb des Rohrstücks 44 befindlichen Hartstoffteilchen 11 hält, zur Bildung des beschriebenen Startblocks dient, sind das Rohrstück 44 und die in ihm enthaltenen Hartstoffteilchen 11 zur Bildung des hochverschleissbeständigen Bereichs 2 und das Elektrodenstück 47 zur Bildung des hartstoff freien Bereichs eines Verbundkörpers vorgesehen. Durch die Packungsdichte der Metallteilchen 11 innerhalb des Hohlraums 45 und das Verhältnis des Volumens des Hohlraums 45 zu dem Gesamtvolumen des Rohrstücks 44 lässt sich der Anteil der Hartstoffteilchen 11 im hochverschleissbeständigen Bereich 2 des Verbundkörpers einstellen.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von verschleissbeständigen Verbundkörpern (1) aus einem metallischen Grund werkstoff mit einem hochverschleissbeständigen Bereich (2), in dem innerhalb des Grundwerkstoffs Hartstoffteilchen eingelagert sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Grundwerkstoff in Form mindestens einer Elektrode (3, 33, 43) unter Anwendung des Elektro schlackeumschmelzens in einer Kokillenanordnung (4) unter einer flüssigen Schlackenschicht (9) kontinuierlich unter Bildung eines vom Boden der Kokillenanordnung aus wachsenden erstarrten Blocks umgeschmolzen wird, wobei sich unter der Schlackenschicht (9) ein metallischer Schmelzsumpf (10) ausbildet, und dass Hartstoffteilchen (11) zum Anlösen im Grundwerkstoff in den Schmelzsumpf (10) gegeben werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffteilchen (11) separat in den Schmelzsumpf (10) gegeben werden. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffteilchen (11) während mindestens eines Zeitintervalls in den Schmelzsumpf (10) ge geben werden, wobei das Zeitintervall bzw. die Summe der Zeit intervalle kleiner ist als die Gesamtzeit des Um schmelzens der Elektrode (3). 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Elektrode (33) auf ihrer Ober fläche (34) zumindest auf einem Teil ihrer Länge mit Hartstoffteilchen (11) beschichtet ist. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Elektrode (43) zumindest über einen Teil ihrer Länge Hartstoffteilchen (11) ent hält. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Zeiteinheit bezogene Masse der während der Bildung des hochver schleissbeständigen Bereichs (2) zugeführten Hart stoffteilchen (11) 15 bis 95 % der auf die Zeit einheit bezogenen Masse des umgeschmolzenen Grund werkstoffs beträgt. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Hartstoffteilchen (11) eine Korngrösse von 0,1...20 mm haben. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Hartstoffteilchen (11) eine Korngrösse von 0,1.5 um haben.

Inventors: JACHOWSKI, JOHANNES, KLASING, HELMUT, PANT, PAUL, DIPL.-ING
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1985
Main classification: B22D23
IPC codes: C22C1, B22D23, C22B9