DE10006734C1 - Verfahren zum Verbinden zweier Metalle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Metalle, insbesondere zum Befestigen von einem Körper (101) aus Hartmetall an einem metallischen Grundkörper (110), wobei das an dem Grundkörper (110) anzubringende Metall bzw. Hartmetall mit einer Folie (102) aus Kupfer oder einer Legierung mit Kupfer umgeben wird, um diese Folie (102) herum ein Weichblech (103) angebracht wird, und danach der Körper (101) samt Folie (102) und Weichblech (103) in einen Aufbau (113) gesteckt wird, der auf dem Grundkörper (110) vorgesehen ist oder der ein Teil des Grundkörpers ist, wobei der Aufbau (113) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen Körper (101), Folie (102) bzw. Weichblech (103) flüssig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Metalle, insbesondere zum Befestigen von einem Körper aus Hartmetall an einem metallischen Grundkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Körper aus unterschiedlichen Metallen sicher miteinander zu verbinden, bereitet erhebli­ che Schwierigkeiten aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien. Dies trifft insbesondere auf Verbindungen zwischen einem Hartmetall, z. B. Wolframcarbid- Kobalt-Hartmetallen, mit Stahl zu, welche insbesondere in der Verschleißtechnik häufig erforderlich sind. Bisher werden hierfür an Stellen, die besonders dem Verschleiß ausge­ setzt sind, Hartmetalle in beliebiger Form auf einem Grundkörper mittels Hartlöten auf­ gebracht. Hierfür müssen die Oberflächer aufeinander abgestimmt sein. Nachteilig hieran ist ferner, daß die Verbindung durch Hartlöten nicht immer der Belastung standhält, ins­ besondere bei Zerkleinerungswerkzeugen.

Bekannt ist aus der DE 195 01 442 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Schneidwerk­ zeugen für Werkzeugmaschinen, bei denen auf einen Träger aus einem Material mit ho­ her Zähigkeit eine schmale Schneidleiste aus einem Material mit großer Härte und gerin­ ger Zähigkeit, wie bspw. Hartmetall, mittels Aufschmelzen des Trägermaterials längs des an der Schneidleiste unmittelbar angrenzenden Bereichs des Trägers angebracht wird. Das Aufschmelzen erfolgt mittels eines Hochenergie-Schweißverfahrens. Eine Verbin­ dung ist jedoch ungeeignet für stoßartig auftretende Belastungen.

Ebenfalls bekannt ist aus der DE 40 31 549 C1 eine Lötverbindung zwischen Bauteilen aus Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, wobei die Bauteile unter Zwischenfügung einer eingelöteten Zwischenlage aus einer 0,1 bis 0,6 mm dicken Formgedächtnislegierung.

Aus der DE 33 45 219 C1 ist ferner eine Lötfolie zur spannungsfreien Verbindung von Keramikkörpern mit Metall bekannt, die mehrschichtig aufgebaut ist.

Derartige Lötverbindungen sind ebenfalls ungeeignet für stoßartig auftretende Belastun­ gen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine sichere Verbindung zweier unter­ schiedlicher Metalle zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ entwicklungen bzw. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird der Körper, der mit dem metallischen Grundkörper verbunden werden soll und der vorzugsweise aus Hartmetall besteht, mit einer Folie aus Kupfer um­ geben, die ihrerseits von einem Weichblech umgeben wird. Auf dem Grundkörper wird ein Aufbau bspw. mittels Auftragsschweißen angebracht, wobei dieser Aufbau zum Zeit­ punkt des Verbindens zumindest im Bereich der Verbindung flüssig ist. In diesen flüssi­ gen Aufbau hinein wird der wie oben beschrieben vorbereitete Körper gesteckt. Der Auf­ bau hat dabei eine Temperatur von mindestens 1400°C, wodurch das Kupfer der Folie schmilzt und sich mit dem Material des Körpers und des Aufbaus verbindet und teilweise eindiffundiert. Da sich das Kupfer infolge der Schwerkraft etwas absenkt, befindet sich im unteren Bereich der Verbindung etwas mehr Kupfer als weiter oben. Dies dämpft zu­ sätzlich mechanische Schläge, die bei Benutzung eines derart hergestellten Werkzeuges auf den Körper wirken. Anstelle einer Folie aus Kupfer können für die Folie auch Legie­ rungen mit Kupfer verwendet werden.

Der flüssige Aufbau zieht sich beim Erstarren zusammen, wobei während dem Abkühlen der Körper kurzzeitig erwärmt wird und sich dadurch ausdehnt. Beim weiteren Abkühlen zieht er sich jedoch ebenfalls zusammen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß im Falle eines Körpers aus Hartmetall der Ausdehnungskoeffizient des Hartmetalls größer als der des Materials des Aufbaus (in der Regel ein chromhaltiger Schweißdraht) ist. Das Weich­ blech hat dabei die Aufgabe die auftretenden inneren Spannungen beim Ausdehnungs- und Schrumpfungsprozeß des Körpers wie ein Puffer aufzufangen. Die Dicke des Weichblechs wird in Abhängigkeit vom Durchmesser des Körpers gewählt. Das vor­ zugsweise bis zur Oberfläche des Aufbaus reichende Weichblech hat ferner die Aufgabe den Thermoschock aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Aufbau und Körper zu vermindern. Der Körper ist nach erfolgtem Erstarren sowohl kraftschlüssig als auch metallurgisch mit dem Aufbau bzw. Grundkörper verbunden. Durch das Einstecken des Körpers in den noch flüssigen Aufbau entfällt jegliche mechanische Bearbeitung des Hartmetalls oder Grundkörpers.

Alternativ kann der Grundkörper auch gegossen und der Körper direkt in den noch flüssi­ gen Grundkörper gesteckt werden, so daß kein spezieller Aufbau erforderlich ist oder - anders ausgedrückt - der Aufbau Teil des Grundkörpers ist.

Vorzugsweise besteht der Körper aus einem Hartmetall, insbesondere aus Wolframcarbid mit Kobalt oder Eisen als Bindemittel. Die Zusammensetzung (Auswahl und prozentualer Anteil des Bindemittels, Korngröße der Carbide) des Hartmetalls hängt vom jeweiligen Anwendungsfall und den damit verbundenen Anforderungen ab.

Vorzugsweise wird der Körper samt Folie und Weichblech vor dem Einbringen in den Aufbau auf 500 bis 800°C vorgewärmt. Durch das Vorwärmen wird der Körper vor ei­ nem Thermoschock geschützt, was insbesondere bei Hartmetallen wichtig ist. Beim Ein­ stecken des Körpers samt Folie und Weichblech in den flüssigen Aufbau wird das Weichblech durch den Körper "gekühlt", so daß es trotz höherer Ausgangstemperatur nicht schmilzt und seine Pufferaufgabe erfüllen kann.

Der Aufbau wird vorzugsweise durch Auftragsschweißen aufgetragen. Hierfür wird bei­ spielsweise ein chromhaltiger Schweißdraht verwendet, der unter einer Schutzgasatmo­ sphäre (z. B. Argon) unter geeigneter Wahl des Drahtvorschubs und Schweißstroms auf­ getragen wird, so daß er im Zeitpunkt des Einsteckens des Körpers flüssig ist. Durch das Schutzgas entsteht ein nahezu schlackenfreies Gefüge im Aufbau, was dessen Eigen­ schaften positiv beeinflußt.

Zur einfacheren Anbringung des Aufbaus kann am Grundkörper eine ein- oder mehrteili­ ge Form, bspw. bestehend aus vier miteinander verbindbaren Platten, angebracht werden, die nach erfolgter Verbindung wieder entfernt wird. Die Form kann entweder auf den Grundkörper aufgesetzt werden oder diesen zumindest teilweise umschließen. Durch die Form wird bspw. das Auftragsschweißen erleichtert. Ferner wird der Materialbedarf für den Aufbau verringert und dieser erhält eine definierte Form. Ferner kann der Aufbau auch in Form eines Metallbad vorbereitet sein, in das der Körper gesteckt wird und das sich dann infolge der Abkühlung verfestigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind kleine Durchbrüche, vorzugsweise in der Form von Bohrungen, in dem Weichblech vorgesehen, welche die Verteilung des Kupfers der Folie sowie die Diffusionswirkung erleichtern.

Zur Erhöhung der Stabilität der Verbindung werden nach einer Temperaturangleichung zwischen Körper und Aufbau verbleibende Lücken mittels Hartlot, bspw. Silberlot ausge­ füllt. Auch kann die Folie mit einem Flußmittel versehen werden.

Vorzugsweise weist der Körper einen Fußteil und einen breiteren Kopfteil, der vorzugs­ weise pilzkopfförmig ausgestaltet ist, auf. Dadurch wird der Aufbau, der aus einem leichter verschleißenden Material besteht, vor zu starker Beanspruchung insbesondere im Bereich der Verbindung geschützt, wodurch ein so bestücktes Werkzeug längere Stand­ zeiten erreicht. Derartige Werkzeuge können bspw. in der Zerkleinerungstechnik ver­ wendet werden.

Besonders sicher wird die Verbindung, wenn der Fußteil sich zum Kopfteil hin verjüngt. So bewirkt die Verjüngung beim Abkühlvorgang und dem damit verbundenen Zusam­ menziehen des Körpers eine Kraft nach unten, so daß das Kopfteil spielfrei aufliegt, da im oberen Bereich die Abkühlung zuerst eintritt. Je spielfreier das Kopfteil aufliegt, desto besser ist es vor Bruchgefahr geschützt. Ferner sollte ein abgerundeter Übergang zwi­ schen Fußteil und Kopfteil vorgesehen werden, welcher die Kerbwirkung verringert.

Im folgenden ist die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen stiftförmigen Körper aus Hartmetall gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel,

Fig. 2 einen teilweise vorbereiteten Grundkörper gemäß dem ersten Ausführungsbei­ spiel,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Verbindung gemäß dem ersten Ausführungsbeipiel,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Verbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 einen Teil eines Weichblechs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt einen verkürzt dargestellten stiftförmigen Körper 1 aus Hartmetall, im vorlie­ genden Fall Wolframcarbid mit Eisen als Bindemittel. Der stiftförmige Körper 1 hat ei­ nen Durchmesser von ca. 15 mm und eine Länge von ca. 35 mm und soll an einem Grundkörper 10 (siehe Fig. 2) angebracht werden. Dieser Körper 1 ist bis auf einen Be­ reich, der überstehen soll, formschlüssig mit einer Folie 2 aus Kupfer umgeben. Ebenfalls formschlüssig ist darum herum ein Weichblech 3 angebracht, wobei an den Stoßstellen entlang der Längsachse des stiftförmigen Körpers 1 ein kleiner Spalt unabgedeckt bleiben kann. Die Folie 2 aus Kupfer ist ca. 0,25 mm dick. Das Weichblech 3 ist ca. 0,5 mm dick. Beim Weichblech 3 handelt es sich im vorliegenden Fall um ein dünnes Blech aus St 37.

Ein Grundkörper 10, an dem der stiftförmige Körper 1 angebracht werden soll, ist in Fig. 2 vereinfacht als Quader dargestellt. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Grundkörper 10 aus Stahl, jedoch sind auch beliebige andere Materiali­ en möglich, bei denen Auftragsschweißen zu einer sicheren Verbindung führt. Um den Grundkörper 10 herum sind Platten 11 angebracht (in Fig. 2 sind nur die hinteren zwei Platten 11 dargestellt), die als Form dienen.

Das Auftragsschweißen mit einem chromhaltigen Schweißdraht erfolgt unter Schutzgas (z. B. Argon), wobei hierbei die von den Platten 11 gebildete Form 12 so weit mit dem Material des Schweißdrahts aufgefüllt wird, daß der stiftförmige Körper 1 aus Hartmetall ausreichend tief eingebettet werden kann. Dabei muß das Schweißgut, der Drahtvorschub und der Schweißstrom so gewählt werden, daß ein flüssiger Zustand erreicht wird. Durch das Auftragsschweißen wird in der Form 12 ein Aufbau 13 aus dem Material des Schweißdrahtes gebildet. Beim Auftragsschweißen werden Temperaturen von 1400°C oder mehr erreicht. Ist ausreichend Material für den Aufbau 13 in der durch die Platten 11 gebildeten Form 12, wird der Körper 1 in den noch flüssigen Aufbau 13 gesteckt. Zuvor wurde der wie oben beschrieben vorbereitete Körper 1 auf 500 bis 800°C vorgewärmt.

Nach erfolgter Temperaturangleichung zwischen Aufbau 13 und Körper 1, was nach ca. 10 bis 15 Sekunden der Fall ist, können bestehende Lücken, die u. a. durch das Schmelzen der Folie 2 aus Kupfer entstanden sind, durch Silberlot 4 unter Verwendung eines Flußmittels gefüllt werden. Die Platten 11, die den Grundkörper 10 umgeben, werden nach erfolgtem Erstarren oder vollständigem Abkühlen wieder entfernt und können wie­ derverwendet werden.

Nachfolgend wird ein zweites, besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezug­ nahme auf Fig. 4 und 5 beschrieben, wobei Bezugszeichen, die denen des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels entsprechen, um 100 erhöht sind. Gemäß dem zweiten Ausführungsbei­ spiel wird kein stiftförmiger Körper 1, wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet, sondern ein annähernd pilzförmiger Körper 101 aus Wolframcarbid mit Kobalt als Bin­ demittel. Der Fußteil 101' des Körpers 101 ist stiftförmig und verjüngt sich zum Kopfteil 101" leicht (ca. 1°), wobei der Übergang zwischen Fußteil 101' und Kopfteil 101" zur Verringerung möglicher Kerbspannungen abgerundet ist. Der Körper 101 hat einen Durchmesser am Fußteil 101' von ca. 14 mm, am Kopfteil 101" von ca. 23 mm und ist insgesamt ca. 25 mm lang, wobei er auf ca. 15 mm in den Aufbau 113 eingebettet wird. Die Folie 102 entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels. Das Weichblech 103 aus StW 22 ist 0,63 mm dick und, im Gegensatz zum Weichblech 3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, mit Löchern 105 versehen (siehe Fig. 5). Die Löcher 105 haben einen Durchmesser von ca. 2,5 mm und der Lochabstand beträgt ca. 5 mm. Sowohl die Folie 102 als auch das Weichblech 103 reichen bis zur Oberfläche des Aufbaus.

Das Verbinden erfolgt entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die fuß­ teilseitige Seite des Kopfteils 101" bei optimaler Einstecktiefe knapp unterhalb der Oberfläche des Aufbaus 113 liegt.

Wie stark vereinfacht in Fig. 4 dargestellt, hat sich das Kupfer der Folie 102 durch die Erwärmung über den Schmelzpunkt des Kupfers verflüssigt und füllt z. T. den unteren Teil und teilweise die Löcher 105 aus, jedoch sind Diffusionsvorgänge in beide Richtun­ gen, d. h. zum Körper 101 und zum Aufbau 113 hin nicht zu vernachlässigen. Das nach erfolgter Temperaturangleichung unter Verwendung eines Flußmittels aufgetragene Sil­ berlot 104 füllt die Lücken, die z. T. auch durch das geschmolzene und teilweise nach unter abgesunkene Kupfer entstanden sind.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbinden zweier Metalle, insbesondere zum Befestigen von einem Körper (1; 101) aus Hartmetall an einem metallischen Grundkörper (10; 110) da­ durch gekennzeichnet, daß das an dem Grundkörper (10; 110) anzubringende Metall bzw. Hartmetall mit einer Folie (2; 102) aus Kupfer oder einer Legierung mit Kupfer umgeben wird, um diese Folie (2; 102) herum ein Weichblech (3; 103) angebracht wird, und danach der Körper (1; 101) samt Folie (2; 103) und Weichblech (3; 103) in ei­ nen Aufbau (13; 113) gesteckt wird, der auf dem Grundkörper (10; 110) vorgesehen ist oder der ein Teil des Grundkörpers ist, wobei der Aufbau (13; 113) zumindest im Bereich der Verbindung zwischen Körper (1; 101), Folie (2; 102) bzw. Weichblech (3; 103) flüssig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1; 101) ein Hartmetall, insbesondere aus Wolframcarbid mit Kobalt oder Eisen als Bindemittel, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1; 101) samt Folie (2; 102) und Weichblech (3; 103) vor dem Einbringen in den Auf­ bau (13; 113) auf 500 bis 800°C vorgewärmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau (13; 113) durch Auftragsschweißen aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau (13; 113) in einer an dem Grundkörper (10; 110) angebrachten Form (12) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichblech (3; 103) Durchbrüche aufweist, insbesondere mit Löchern (105) versehen ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Temperaturangleichung zwischen Körper (1; 101) und Aufbau (13; 113) verbleibende Lücken mittels Hartlot (4; 104) ausgefüllt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (2; 102) mit einem Flußmittel versehen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (101) einen Fußteil (101') und einen breiteren Kopfteil (101") aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfteil (101") pilz­ kopfförmig ausgestaltet ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußteil (101') sich zum Kopfteil (101") hin verjüngt, wobei ein abgerundeter Übergang zwischen Fußteil (101') und Kopfteil (101") vorgesehen ist.