DE2723353C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Eisen, Nickel oder Kobalt oder Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierungen mit Schmelztemperaturen zwischen 1316 und 1649°C oder Legierungen auf Kupferbasis und Wolframkarbid-Hartmetallteilchen durch Einbringen einer Vielzahl von Wolframkarbid-Hartmetallteilchen in homogener oder heterogener Verteilung in eine Form, getrenntes Erhitzen des genannten Metalls oder dessen Legierung über seine/ihre Schmelztemperatur und Eingießen der Schmelze in die Form.

Zusammensetzungen, die aus gesinterten oder gegossenen Metallkarbid- Teilchen oder -Klumpen bestehen, die in einer Grundmasse (Matrix) eines geschmeidigeren Metalles eingelagert sind, werden häufig für mit großem Verschleiß verbundene Anwendungen benutzt. Die Widerstandsfähigkeit der gesinterten Partikel gegenüber Verschleiß wird durch die Zähigkeit der Matrix ergänzt, um einen Werkstoff zu bilden, der abriebfester ist als das Matrixmaterial und der Schlagbeanspruchungen besser widerstehen kann als das gesinterte Karbid.

Aus diesen Werkstoffzusammensetzungen hergestellte Artikel werden dort angewandt, wo sie in ständigem Kontakt mit harten, reibenden Werkstoffen stehen, da übliche Werkstoffe entweder zu schnell verschleißen oder nicht schlagfest genug sind, um einer Benutzung über einen langen Zeitraum zu widerstehen. Sie können z. B. als Schächte in Erz verarbeitenden Anlagen oder als Schneiden für Gesteinsbohrer verwendet werden. Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von Bohrern und ähnlichen Werkzeugen können sie auch für Sicherheitsvorkehrungen verwendet werden, z. B. für Schlösser und Geldschränke.

Das Fehlverhalten von Zusammensetzungen bei hohem Abrieb hängt typischerweise zusammen mit der Erosion des Matrixbereiches einer Oberfläche, bis ein wesentlicher Bereich eines gesinterten Teilchens freigelegt ist, das dann von der Matrix weggerissen wird. Bestrebungen, die Zusammensetzungen zu verbessern, um dieses Fehlverhalten zu verringern, wurden auf die Verwendung härterer Grundmassen-Werkstoffe gerichtet, um deren Erosion zu verringern. Dies steigert gewöhnlich aber die Sprödigkeit der Matrix, wodurch es für ein Teilchen leichter wird, durch Rißbildung an der Matrix-Teilchen-Grenzfläche abzubrechen.

Frühere Bemühungen, zusammengesetzte Werkstoffe zu bilden, die aus Wolframkarbidpartikeln in einer weicheren Metallgrundmasse bestanden, richteten sich auf die Vermeidung eines Auflösens des Wolframkarbids oder Zersetzen des gesinterten Werkstoffes durch die Wärme der geschmolzenen Grundmasse. Meistens wurden Grundmassenlegierungen verwendet mit Schmelzpunkten wesentlich unterhalb von etwa 1453°C, nämlich Temperaturen, bei denen Komponenten des Wolframkarbides in die Legierungen zu diffundieren beginnen. Typischerweise wurden Legierungen auf Kupferbasis verwendet wegen ihrer niedrigen Schmelztemperaturen im Bereich von 1040°C bis 1150°C. Bei Anwendungen, bei denen ein härterer Grundmassenwerkstoff erforderlich ist, also Metalle verwendet wurden mit Schmelztemperaturen nahe an der Temperatur, bei der sich die Metallkarbide auflösen, wurden Versuche unternommen, die Temperatur genauestens zu steuern, bei der die Zusammensetzung hergestellt wird, um die Menge von in der Matrix gelöstem gesinterten Material zu minimalisieren. So beschreiben die US-PS 31 75 260 und US-PS 31 49 411 Verfahren, bei denen die Stahlgrundmasse auf eine Temperatur erhitzt wird, die nur ausreicht, sie über die Wolframkarbidteilchen, die sich in der Form befinden, zu gießen und diese zu infiltrieren. Die Teilchen sind auf diese Infiltrationstemperatur vorerhitzt und die Zusammensetzung wird auf dieser Temperatur für einen ausreichenden Zeitraum nach dem Gießen gehalten, um die völlige Infiltration der Partikelmasse durch das Matrixmaterial sicherzustellen.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem es möglich ist, Zusammensetzungen zu erhalten, die einen wesentlich härteren und festeren Verbundkörper ergeben als nach den bekannten Verfahren.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.

Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen versucht wurde, die Auflösung von Wolframkarbidkomponenten in der Matrix zu vermeiden, werden erfindungsgemäß Materialien erhalten, die Zonen besitzen, die durch den Einschluß von gelösten Anteilen der Metallkarbide verstärkt sind. Mit der Erfindung ist es auch möglich, Wolframkarbidteilchen wesentlich größerer Abmessungen, als sie im fertigen Artikel gewünscht sind, in eine Form einzubringen, in der der Verbundkörper geformt werden soll.

Bei einer Temperatur von 1450°C oder höher (die praktische Sinterungstemperatur) wird sich Wolframkarbid in jeder Eisenlegierung auflösen. Infolgedessen lösen sich, solange die eingegossene Legierung, nachdem sie die Teilchen infiltriert hat, eine Temperatur oberhalb von 1450°C besitzt, die Oberflächen der Teilchen und diffundieren in die geschmolzene Legierung. Diese Lösung setzt sich fort, bis die Grundmasse unter 1450°C abgekühlt ist oder das gesinterte Material vollständig aufgelöst ist. Um eine solche vollständige Auflösung zu verhindern, werden erfindungsgemäß Wolframkarbidteilchen verwendet, die Kombinationen von Volumen und Oberfläche besitzen, die ihre Auflösung vor dem Erstarren der Matrix verhindern. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung von wenigstens einigen relativ großen gesinterten Teilchen in der Form, die sich nur teilweise auflösen, bevor die Grundmasse unter 1450°C abkühlt, oder durch eine relativ große Menge kleinerer Teilchen, oder Kombinationen davon. Einige der Teilchen können sich vor der Erstarrung vollständig auflösen. Die Größe und die Anordnung der Teilchen muß mit der Gießtemperatur der Grundmasse, der Anfangstemperatur der Form und dem Volumen und dem Oberflächenbereich der Form abgestimmt sein, um sicherzustellen, daß die Wärme der Grundmasse eine Auflösung an den Oberflächenpartien der Teilchen bewirkt, aber zumindestens einige dieser Teilchen in verringerter Größe noch vorhanden sind, wenn die Grundmasse erstarrt. Durch die Auflösung wird die Größe der Wolframkarbid-Teilchen, die nach dem Erstarren verbleiben, verringert und sie umgibt die verbleibenden Teilchen auch mit einem festen, aber etwas geschmeidigen Schild, der als "Diffusionszone" bezeichnet wird, die es den Teilchen ermöglicht, Kräften zu widerstehen, die bestrebt sind, die Teilchen aus der Grundmasse herauszuziehen. Diese Zone bildet weiter eine metallurgische Verbindung zwischen den verbleibenden Teilchen und der Matrix. Die Diffusion von Kohlenstoff, Wolfram und Kobalt (oder anderer Binder) durch die Legierung erzeugt auch eine Legierung, die bessere Eigenschaften, einschließlich größerer Festigkeit, besitzt als die ursprünglich eingegossene Legierung. Dieses Verfahren kann angewendet werden mit gesinterten oder gegossenen Wolframkarbiden, die einen Binder haben, dessen Anteil 2 bis 25 Gew.-% der Karbide beträgt.

Der Anteil von gelösten Wolframkarbidteilchen in der Endzusammensetzung kann erhöht werden, und die Löslichkeit dieser Teilchen gesteuert werden durch den Einschluß einiger kleinerer gesinterter Teilchen, die sich vollständig auflösen, bevor das eingegossene Metall erstarrt. Wenn sie sich in der Legierung auflösen, setzen sie die Lösungsfähigkeit für die verbleibenden Teilchen herab und kühlen das eingegossene Metall ab, um den Grad, mit dem die verbleibenden Teilchen in Lösung gehen, zu begrenzen.

Der erfindungsgemäß erhaltene Werkstoff hat ausgezeichnete Verschleißfestigkeits-Eigenschaften, die sich aus der Härte der Karbidteilchen, der Grundmasse und der Fähigkeit der Diffusionszonen, ein Loslösen der Karbidteilchen von der Grundmasse zu verhindern, ergeben.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundkörper können nach der Verteilung der gesinterten Teilchen in der Form, der fertigen Zusammensetzung und den Dimensionen der die Teilchen umgebendenDiffusionszonen klassifiziert werden. Wenn die Teilchen in der Form relativ dicht zueinander angeordnet sind und die Temperatur der eingegossenen Matrix hoch ist, so daß relativ große Diffusionszonen erzeugt werden, werden die Diffusionszonen verschmelzen, und einen Verbundkörper bilden, der gekennzeichnet ist durch die gesinterten Teilchen in einer Matrix, die die Eigenschaften der Diffusionszonen besitzt. Sind hingegen die Teilchen relativ weit voneinander entfernt angeordnet und die Temperatur des eingegossenen Metalls relativ niedrig, so daß nur schmale Diffusionszonen gebildet werden, wird die Zusammensetzung durch "Inseln" von gesinterten Teilchen charakterisiert sein, die von ihren Diffusionszonen in einer Matrix umgeben sind, die im wesentlichen aus der eingegossenen Legierung besteht.

Die Teilchen können in der Form auch heterogen dispergiert sein, so daß eine erste von Teilchen freie Region gebildet wird, die die Eigenschaften der eingegossenen Grundmasse besitzt und eine zweite Region, die die von ihren Diffusionszonen umgebenen Teilchen enthält, wobei die Diffusionszonen entweder ineinander verschmelzen, um eine kontinuierliche Matrix zu ergeben, oder die Form von Inseln annehmen, die von der im wesentlichen unlegierten gegossenen Matrix umgeben sind. Die Verwendung feiner Teilchen, die sich während des Gießens vollständig auflösen, kann das Ausmaß der Diffusionszonen steuern.

Weil die Grundmasse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich über die Infiltrationstemperatur erhitzt wird, würde eine vollständige Auflösung der gesinterten Teilchen eintreten, wenn die Form und die gesinterten Karbide auf die Infiltrationstemperatur vorerhitzt werden würden, und bei dieser Temperatur während eines bestimmten Zeitraums nach dem Eingießen der Grundmasse gehalten würden. Im erfindungsgemäßen Verfahren müssen deshalb die Form und die gesinterten Teilchen relativ kühl sein, wenn die Grundmasse eingegossen wird, und die gegossene Zusammensetzung muß die Möglichkeit besitzen, sofort nach dem Eingießen zu erstarren. Auf diese Weise wird der Grad der Auflösung der gesinterten Teilchen durch die Gießtemperatur der Matrix, die Temperatur Der Form, die relativen Anteile der Matrix und der gesinterten Karbide, und die Oberflächenbereiche der Karbide gesteuert. Die Temperatur der Form muß in der Praxis mindestens einige 10°-Bereiche unterhalb von 1450°C, der Schmelztemperatur der gesinterten Karbide, sein, d. h. nicht höher als 1204°C.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich von den bekannten Verfahren, die Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierungen als Matrix für kobaltgebundene gesinterte Wolframkarbidpartikel verwenden, dadurch unterscheiden, daß sie als Einlagen in die Form eingebrachten Teilchen wesentlich größer als jene sind, die in der fertigen Zusammensetzung gewünscht werden, daß die Gesamtmasse, der Oberflächenbereich und die Lage der Teilchen gesteuert werden, um eine Auflösung von der Oberfläche der Teilchen zu erhalten, daß die Matrix auf eine Temperatur im Bereich von 1538 bis 1742°C erhitzt wird und daß der gegossenen Zusammensetzung sofort die Möglichkeit gegeben wird, abzukühlen und zu erstarren. Der resultierende Verbundkörper unterscheidet sich von bekannten Zusammensetzungen, die kobaltgebundene Wolframkarbidteilchen in einer eisenlegierten Grundmasse oder dergleichen enthalten, durch die Anwesenheit von relativ weiten Diffusionszonen, die die verbleibenden gesinterten Teilchen umgeben, um einen verschleißfesten, jedoch hochgeschmeidigen Schild zu bilden, der eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Kräften besitzt, die dazu neigen, während des Gebrauches die Teilchen aus der Grundmasse herauszuziehen.

Die erfindungsgemäßen Verbundkörper sind deshalb für alle Verschleißfestigkeits- und Sicherheitsanwendungen geeignet. Die Metallkarbidteilchen in der Zusammensetzung sind in hohem Maße bohrbeständig und die Matrix ist wesentlich schlagfester als die weichen Legierungen des Standes der Technik.

Die Schmelztemperaturen von Eisen-, Nickel- und Kobaltlegierungen liegen zwischen 1316°C und 1649°C. Wenn diese Legierungen geschmolzen und in eine kühlere Form gegossen werden, die kühlere Teilchen enthält, muß die Legierung etwas über den Schmelzpunkt erwärmt sein, damit sie die Form und die Zwischenräume zwischen den Teilchen ausfüllen kann, bevor sie auf Erstarrungstemperatur abkühlt. Typischerweise liegt diese "Durchdringungstemperatur" ("penetration temperature") in der Größenordnung von 38°C bis 121°C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung, abhängig von den relativen Anteilen der Legierung und des gesinterten Materials. Wenn die Legierung bei dieser "Durchdringungstemperatur" gegossen wird, erfolgt sehr geringe Diffusion des Wolframkarbides in die Legierung, da das Karbid bei der resultierenden Temperatur der Legierung, nachdem diese die Teilchen umschlossen hat, keine merkliche Löslichkeit in der Legierung besitzt. Um die erfindungsgemäßen Zwecke zu erreichen, muß die Legierung deshalb um eine ausreichende Höhe über die Durchdringungstemperatur erhitzt sein, um die teilweise Auflösung der gesinterten Wolframkarbidteilchen und die Diffusion der gelösten Teilchen in mindestens einen begrenzten Bereich der geschmolzenen Legierung sicherzustellen. Diese höhere Temperatur der Schmelze, die nachfolgend mit "Diffusionstemperatur" bezeichnet wird, liegt in der Größenordnung von 10°C bis 149°C oberhalb der Durchdringungstemperatur oder mindestens 66°C oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung.

Die oberen Grenzen der "Diffusionstemperatur" sind eine Funktion der Größe der Teilchen oder Einlagerungen des in der Form befindlichen Wolframkarbids, und der Art und Menge der feinen Teilchen, die in der Form oder Schmelze dispergiert sind. Werden größere Teilchen verwendet, kann ein größerer Grad der Auflösung toleriert werden, ohne das gesinterte Wolframkarbid vollständig aufzulösen. Wenn jedoch die Auflösung des gesinterten Wolframkarbids den Anteil des Karbides erhöht, steigt der Gehalt an Kobalt und Wolfram in der Matrix, und die obere Grenze kann durch den Grad der Sprödigkeit festgesetzt werden, die in der resultierenden Zusammensetzung toleriert werden kann. Wenn der fertige Verbundkörper voraussichtlich keiner Schlagbelastung unterworfen wird, kann ein höherer Diffusionsgrad und infolgedessen eine höhere Temperatur der Matrix toleriert werden.

Die "Diffusionstemperatur" wird abhängig von der verwendeten speziellen Matrix, den relativen Anteilen von Matrix und gesinterten Teilchen oder Klumpen, und der Ausgangstemperatur der Form und der gesinterten Teilchen beim Zeitpunkt des Gießens variieren. Die erforderliche Diffusionstemperatur kann z. B. durch verwenden einer Matrix abgesenkt werden, die eine tiefere Schmelztemperatur hat, oder durch Verwendung relativ großer Anteile der Matrix und geringer Anteile von Karbid, durch Vorerhitzen der Form und des Karbids, oder durch eine Kombination dieser Faktoren. Die Lösungstemperatur für eine spezielle Kombination dieser Faktoren kann vorbestimmt werden durch Herstellen kleiner Probeformen, die mit den zu verwendenden Karbidteilchen gefüllt werden, und Eingießen der geschmolzenen Grundmassen in die Formen bei verschiedenen Temperaturkombinationen. Die metallurgische Prüfung der erhaltenen Proben nach deren Abkühlung zeigt an, ob Kohlenstoff, Kobalt und Wolfram im gewünschten Grad in die Matrix diffundiert sind. Diese Versuche können eine spanabhebende Verarbeitung, Polieren und Ätzen von Abschnitten, die Herstellung von Fotomikrogrammen dieser Abschnitte, und die Durchführung von Härte- und Schlagversuchen an den Abschnitten unter Verwendung üblicher Instrumente umfassen.

Die geschmeidige Diffusionszone um die gesinterten Teilchen ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der auf sie einwirkenden Kräfte auf die umgebende Matrix. Auch wenn der Bereich der Zone an der Oberfläche des Verbundkörpers so verschlissen wird, daß die gesinterten Teilchen von der verbleibenden Verbundkörperoberfläche abstehen und deshalb größeren Kräften als üblich ausgesetzt sind, hindern die starken und geschmeidigen Zonen unterhalb der Oberfläche die Teilchen daran, daß sie durch diese Kräfte aus dem Verbundkörper herausgezogen werden.

Wenn die Karbidteilchen in der Form genügend dicht zueinander angeordnet sind, so wird die Diffusionszone das Volumen zwischen den verbleibenden Teilchen der Zusammensetzung ausfüllen.

Die resultierenden Verbundkörper haben eine extrem hohe Verschleißfestigkeit und ausgezeichnete Schlagbeanspruchungsfestigkeit, die die von bekannten Zusammensetzungen weit übersteigt. Werden diese Verbundkörper in Anordnungen mit starkem Verschleiß und hoher Schlagbeanspruchung, wie z. B. als Erz- oder Abfallzerkleinerungshämmer verwendet, so zeigen diese Verbundkörper ein Vielfaches der Lebensdauer von Verbundkörpern aus üblichen Werkstoffen. Zum Beispiel hat ein Hammer für eine Müllzerkleinerungsanlage, der aus einem erfindungsgemäßen Formkörper hergestellt ist, eine Lebensdauer von 3000 t Müll, im Vergleich zu einer typischen Lebensdauer von 300 t für einen Hammer der gleichen Gestalt, der jedoch aus Manganhartstahl hergestellt ist.

Die zur Herstellung der Verbundkörper verwendeten Teilchen können homogen über die Form verteilt sein, so daß die resultierenden Formkörper eine homogene Zusammensetzung haben. Die Teilchen können jedoch auch in einer heterogenen Art angeordnet sein, um einen Formkörper zu ergeben, in dem gewisse Abschnitte die gleiche Zusammensetzung wie die eingegossene Grundmasse haben, und andere Abschnitte gesinterte Teilchen in einer lokalen Matrix enthalten, also durch die diffundierten Anteile des gesinterten Materials beeinflußt sind. Auf diese Weise können die metallurgischen Eigenschaften verschiedener Zonen des Werkstückes den Funktionen dieser Abschnitte angepaßt werden. Beispielsweise kann der vorerwähnte Hammer in der Nähe der Oberflächen, die auf den Müll auftreffen, mit gesinterten Karbidteilchen versehen sein, und die Abschnitte, die den Hammer mit dem Maschinenmechanismus verbinden, können aus zäherem, weniger sprödem Metall bestehen, oder der Bereich eines Schlosses einer Geldschranktür kann mit einer gegen Bohren beständigen Beschichtung versehen sein.

Der Anteil an gesinterten Komponenten, die sich in der eingegossenen Matrix lösen, kann gesteuert werden durch Hinzufügen feiner gesinterter Teilchen direkt zu dem geschmolzenen Metall oder der Metall-Legierung entweder im Schmelzofen oder in der Gießpfanne bevor diese in die Form gegossen wird. Durch Erhöhen des Wolfram- und Kohlenstoffgehaltes der Matrixlegierung wird die Löslichkeit dieser Komponenten in der gegossenen Matrix reduziert. Dies vermindert die Dicke der Diffusionszone, die die verbleibenden gesinterten Karbidteilchen in dem Verbundkörper umgibt, und erhöht den Kohlenstoff- und Wolframgehalt des Matrixanteils des Verbundkörpers.

Die Wolframkarbidteilchen, die erfindungsgemäß verwendet werden, können in ihrer Größe bis zu relativ großen gesinterten Abschnitten reichen, die als Einlagerungen in dem endgültigen Verbundkörperteil angesehen werden können. Typische Bereiche der Teilchengrößen für erfindungsgemäß hergestellte Verbundkörper sind: 2,54 cm bis 5,08 cm; 1,27 cm bis 2,54 cm; 0,95 cm bis 1,27 cm; 0,0635 cm bis 0,95 cm. Werden gesinterte feine Teilchen, um den Karbid- und Wolframgehalt der Matrix zu erhöhen, verwendet, so werden diese in der Größenordnung von 0,149 mm bis 0,31 mm verwendet.

Typischerweise enthalten die Wolframkarbid-Hartmetall- Teilchen Kobalt oder Nickel als Binder, die im Bereich von 2 bis 25 Gew.-% vorliegen. Zusätzlich zu dem Wolframkarbidbestandteil können die gesinterten Karbide geringe Anteile an Tantal oder dergleichen enthalten. Diese gesinterten Karbide können durch Zerkleinern von Abfallkarbidschnitzeln, Einlagerungen oder dergleichen gewonnen werden. Sie besitzen typischerweise eine Härte von 70 bis 90 Rockwell-Graden.

Die Karbidteilchen können vor dem Eingießen der Matrix statistisch in der Form verteilt sein, wodurch der Verbundformkörper eine homogene Struktur erhält, oder sie können in Form von Einlagerungen mechanisch verankert vorliegen, wenn der Verbundkörper in speziellen Bereichen Konzentrationen an gesinterten Teilchen aufweisen soll.

Die Matrix kann reines Eisen, Nickel oder Kobalt sein, vorzugsweise jedoch eine Legierung dieser Metalle. Kohlenstoff, Kobalt oder Wolfram, die von den gesinterten Teilchen während des Erstarrens der geschmolzenen Matrix in der Form in die geschmolzene Matrix diffundieren, erhöhen die Härte der resultierenden Legierungen in der Diffusionszone. Vorzugsweise enthält die Legierung mindestens 70% Eisen, Nickel oder Kobalt, oder eine Kombination dieser Metalle. In Abhängigkeit von der Anwendung des Verbundkörperteils kann jedes der üblichen legierbaren Metalle die anderen Bestandteile bilden.

Die Verbundkörper können in Kohlenstoffschmelztiegeln oder Sandformen gegossen werden. Wenn Sandformen verwendet werden, können relativ große Karbidteilchen oder Klumpen in der Form angebracht werden durch Anheften von Nägeln oder Stiften an die Klumpen und Eingraben der Enden dieser Befestigungselemente in den Sand.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Schrapperzahnes für einen Bulldozer oder dergleichen, der gemäß der Erfindung hergestellt ist, mit ausgebrochenen Abschnitten, um die Konfiguration der gesinterten Einlage zu veranschaulichen;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Hammers für eine Hammermühle, der erfindungsgemäß hergestellt wurde;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm in der Art eines Fotomikrogramms durch ein gesintertes Wolframkarbidteilchen im fertigen Verbundkörper, das die verschiedenen metallurgischen Bereiche, die sich aus der Diffusion des gesinterten Materials in die Matrix ergeben, veranschaulicht; und

Fig. 4 ein Fotomikrogramm eines Bereiches, der dem in Fig. 3 dargestellten entspricht.

Beispiele Beispiel I

Ein aus einem erfindungsgemäßen Verbundkörper hergestellter Schrapperzahn für einen Bulldozer (10) wird in Fig. 1 dargestellt. Der Zahn (10) besteht aus zwei länglichen Abschnitten (12) und (14), die an einem Ende miteinander verbunden sind, um einen gehärteten Schneidezahn (16) zu bilden. Die Abschnitte (12) und (14) dienen zum Verbinden des Zahnes mit der Schaufel des Bulldozers und müssen infolgedessen relativ geschmeidig sein, um ihr Brechen oder ein Abscheuern des zugeordneten Schaufelabschnittes zu verhindern. Die Enden und Seiten des Zahnes (16) müssen extrem hart sein, um den Abriebkräften von Steinen oder dergleichen zu widerstehen, und müssen zusätzlich schlagbeanspruchungsfest sein.

Der Zahn wird hergestellt, indem eine Sandhohlform gebildet wird und die Ecken dieser Form längs der Bereiche, die die Zahnenden (16) bilden, mit Reihen von Wolframkarbidteilchen in Kugelform ausgekleidet werden. Alternativ können jedoch auch lange Streifen verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Zahn eine Gesamtlänge von ca. 22,8 cm und die Abschnitte (12) und (14) besitzen eine Dicke von ca. 2,54 mm. Die Karbideinlagen haben die Form von Kugeln mit einem Durchmesser von ca. 1,25 cm, und werden durch Zerkleinern von Wolframkarbid-Abfallschnitzeln oder dergleichen in einem Desintegrator erzeugt. Der Zerkleinerungsvorgang bricht die scharfkantigen Ränder der zertrümmerten Teilchen und erzeugt im wesentlichen runde Formen. Kurze Nägel sind durch Löten oder Zementieren der Nägelköpfe an die Teilchen angeheftet und die Kugeln werden im Sand der Form durch Eingraben der Nägel im Sand festgehalten. Die Kugeln werden an den Seiten der Form in Reihen angeordnet, etwa in den Positionen, die durch die gestrichelten Kreise (18) der Fig. 1 angedeutet sind. Die gesinterten Wolframkarbidkugeln enthalten vorzugsweise 12 Gew.-% eines Kobaltbinders. Sie können Spurenelemente von Titan und Tantal aufweisen.

SAE 1010 Flußstahl wird dann geschmolzen und auf 1680°C bis 1720°C in einem elektrischen Induktionsofen erhitzt. Der geschmolzene Stahl wird dann in die Form eingegossen, die auf etwa 260°C erhitzt ist, und die Masse kann dann sofort auf eine Temperatur von 21°C abkühlen. Das Volumen des geschmolzenen Stahles zum Ausfüllen der Form beträgt ca. das 4- bis 8fache des Volumens der Kugeleinlagen. Der geschmolzene Stahl füllt die Form und die Zwischenräume zwischen den Kugeln leicht aus und bewirkt eine gewisse Auflösung der Oberfläche der Kugeln. Gelöster Kohlenstoff, Kobalt und Wolfram diffundieren über eine wesentliche Distanz durch den geschmolzenen Stahl, bis der Stahl erstarrt. Analysen des erhaltenen Verbundkörperteils zeigen, daß ca. 5 bis 25 Vol.-% der ursprünglichen Karbidteilchen gelöst wurden und in die Stahlmatrix diffundiert sind, und daß eine gute metallurgische Bindung zwischen den verbleibenden gesinterten Teilchen und der Stahllegierung entstanden ist, die wesentlich fester ist als eine mechanische Verankerung. Bei Bruchversuchen mit Abschnitten des gebildeten Zahnes im Bereich der gesinterten Einlagen können Fehlstellen in der Sprödigkeitsstruktur beobachtet werden, die anzeigen, daß dort eine wesentliche Legierung von Kohlenstoff, Kobalt und Wolfram mit dem Flußstahl vorliegt.

Der entstandene Verbundkörper hat an dem der Schaufel zugewandten Ende Eigenschaften von Flußstahl, und am Zahnende die kombinierten Eigenschaften des extrem harten gesinterten Wolframkarbids (60 bis 90 Rockwell-C) in einer Matrix von härterem, jedoch geschmeidigem Stahl: Wie aus den Fotomikrogrammen der Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, umgibt und schützt eine Hülle aus relativ hartem geschmeidigem Material jedes gesinterte Teilchen.

Beispiel II

In Fig. 2 ist ein Hammer (20) zur Verwendung in einer Müll- oder Abfallzerkleinerungsmaschine dargestellt, der aus einem erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörper gefertigt ist. Er hat zwei Arme (22) und (24), die mit einer Halteeinrichtung zusammenwirken, und einen Kopf (26), der als Hammer wirkt und den Schlägen auf den Abfall oder den Müll ausgesetzt ist. Scharfkantige Karbidklumpen werden in die Sandform eingebracht und unter Verwendung von anzementierten Nägeln in den Positionen gehalten, die durch unterbrochene Linien (28) dargestellt sind. Die Hammerfläche hat eine Größe von 15,2 cm×10,2 cm, und die Karbide haben die Form von Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 19 mm und 10 mm. Abfallstahl, der 13 Gew.-% Mangan enthält, wurde bei 1660°C geschmolzen, und 1 Gew.-% Mangan wurde dann zur Kompensation der Schmelzverluste hinzugefügt. Das geschmolzene Metall wurde dann in die Form eingegossen, die etwa Raumtemperatur hatte. Sofort nach dem Gießvorgang konnten die Hämmer auf Raumtemperatur abkühlen. Nach dem Abkühlen wurden sie durch Erwärmen auf 1038°C und Beibehalten dieser Temperatur während einer halben Stunde und nachfolgendem Abschrecken in Wasser wärmebehandelt.

Beispiel III

Ein Hammer, der etwa die Gestalt des Hammers nach Fig. 2 hat, wurde unter Verwendung von Manganstahlabfällen bei einer Temperatur von 1660°C gebildet. Der Stahl hatte die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%):

Kohlenstoff|1,14%
Mangan	13,00%
Silicium	0,73%
Chrom	0,74%
Nickel	1,20%
Eisen	Rest

Etwa 3 Gew.-% von gesintertem Wolframkarbidgruß im Bereich von 0,59 mm bis 6,35 mm wurde in dem geschmolzenen Stahl aufgelöst.

Die in Fig. 2 durch unterbrochene Linien (28) dargestellten Positionen wurden dann mit gesintertem Karbidschrot (0,95 bis 1,27 cm) ausgekleidet und der geschmolzene Stahl mit dem gelösten Gruß in die Form eingegossen, die sich auf Raumtemperatur befand. Die Verbundkörpermasse wurde dann sofort abkühlen gelassen.

Beispiel IV

Wie im Beispiel III wurde ein Hammer hergestellt, wobei der Gruß anstatt in die Schmelze in die Form eingebracht wurde.

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Abschnitt eines erfindungsgemäß hergestellten Formkörpers zeigt, und wie er in dem wirklichen Fotomikrogramm der Fig. 4 illustriert wird. Das Fotomikrogramm zeigt eine Zusammensetzung mit einem Bereich, in dem sich die gesinterten Teilchen in ausreichender Nähe zueinander befinden, so daß die resultierenden Diffusionszonen eine kontinuierliche Matrix für die Teilchen bilden, und einen anderen Bereich der Form, der in ausreichendem Maße keine gesinterten Teilchen enthält, so daß die Eigenschaft der Zusammensetzung im wesentlichen diejenige des eingegossenen Matrixmetalls ist.

Die in dem fertigen Verbundkörper verbleibenden gesinterten Teilchen haben eine Härte von 78 Rockwell C. Die Matrix, die sie umgibt, scheint drei Zonen mit einer Härte von 70 Rockwell C und 40 Rockwell C zu haben. Diese Bereiche gehen ineinander über und bilden eine kontinuierliche Diffusionszone. Das eingegossene Basismetall ist in der linken unteren Ecke dargestellt und hat eine Härte von 30, gemessen auf der Rockwell-B-Skala.

Beispiel V

Es wurde ein Sicherheitsteststab hergestellt, indem 0,793 kg gesinterte Wolframkarbidteilchen (0,59 mm bis 0,84 mm) in eine Sandform eingebracht wurden, die einen Formhohlraum von 25,4 mm×76,2 mm×152,4 mm hatte.

Manganstahl wurde auf eine Temperatur von ca. 1660°C erhitzt und 1,02 kg in die Form gegossen, die auf Raumtemperatur war. Die Form wurde dann eine Stunde lang abkühlen gelassen und dann wärmebehandelt, indem sie auf 982°C erhitzt, bei dieser Temperatur eine halbe Stunde gehalten und dann in Wasser abgeschreckt wurde.

Der erhaltene Teststab zeigte einen hervorragenden Widerstand gegen Bohrer und Stanzen.

Beispiel VI

Es wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel V ein Sicherheitsteststab hergestellt, mit der Ausnahme, daß gesinterte Wolframkarbidteilchen mit der Größenordnung von 5,4 bis 6,35 mm (4/6 mesh) anstelle der feineren Teilchen des Beispiels V in der Form verwendet wurden. Auch dieser Stab zeigte hervorragende Sicherheitseigenschaften.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Eisen, Nickel oder Kobalt oder Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierungen mit Schmelztemperaturen zwischen 1316°C und 1649°C oder Legierungen auf Kupferbasis und Wolframkarbid-Hartmetallteilchen durch Einbringen einer Vielzahl von Wolframkarbid-Hartmetallteilchen in homogener oder heterogener Verteilung in eine Form, getrenntes Erhitzen des genannten Metalls oder dessen Legierung über seine/ihre Schmelztemperatur und Eingießen der Schmelze in die Form, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall oder dessen Legierung auf eine Temperatur im Bereich von 1538 bis 1742°C erhitzt wird, daß die Schmelze in die Form eingegossen wird, während sich diese auf einer Temperatur unterhalb von 1204°C befindet, und daß die so erhaltene Zusammensetzung dann sofort abkühlen und erstarren gelassen wird, wobei die Abkühlung so gewählt wird, daß eine nicht vollständige Lösung der Wolframkarbid-Hartmetallteilchen von ihrer Oberfläche ausgehend in die sie umgebende Metallmatrix erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Wolframkarbid-Hartmetallteilchen eine Siebgröße größer als 0,31 mm hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframkarbid- Hartmetallteilchen aus Wolframkarbid und bis 25 Gew.-% Kobalt bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframkarbid-Hartmetallteilchen eine Siebgröße von mehr als 6,35 mm besitzen und das genannte Metall oder dessen Legierung auf eine Temperatur erhitzt wird, die mindestens 93°C über seiner/ihrer Schmelztemperatur liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wolframkarbid-Hartmetallteilchen mit einer Siebgröße kleiner als 6,35 mm in dem genannten Metall oder dessen Legierungen gelöst werden, bevor dieses bzw. diese in die Form eingegossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Wolframkarbid-Hartmetallteilchen mit einer Siebgröße kleiner als 0,31 mm verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmetall eine Stahllegierung verwendet wird.