DE446452C - Herstellung eines Verbundstahlwerkzeugs - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
4. JULI 1927

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVr 446452 KLASSE 49h³ GRUPPE

S 69919 Il49h³ Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: i6.Juni igsy.

Simonds Saw & Steel Company in Fitchburg, Mass., V. St A.

Herstellung eines Verbundstahlwerkzeugs. Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Mai 1925 ab.

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Messerklingen für Papierschneidmaschinen, Hobelmaschinen, Lederspaltmaschinen, Holzbearbeitungsmaschinen usw., und zwar solcher Messerklingen, deren Schneiden aus hartem und widerstandsfähigem Stahle hergestellt sind, während der Rumpf der Klinge aus weicherem, zäherem und billigerem Stahle besteht. Gewöhnlich wird die Schneide aus Werkzeugstahl auf einen Rumpf aus weichem Stahl aufgeschweißt,

die Schneide auf die Rumpffläche aufgelegt und zwischen beide ein Flußmittel gebracht, z. B. gepulverter Borax, worauf die Teile auf Schweißtemperatur erhitzt und wiederholt durch Walzen geschickt werden; bei jedem Stich wird der Zwischenraum zwischen den Walzen verringert, um die Teile in innige Berührung miteinander zu bringen, so daß am Ende dieses Vorganges die Teile wie ein Stück miteinander vereinigt sind ίο und keine Trennungsfuge zwischen beiden bemerkbar ist; das Metall ist natürlich verlängert und durch das Walzverfahren gestreckt worden. Für bestimmte Arbeiten, wo die Schneide unter hoher Geschwindigkeit arbeitet oder unter kräftigem Druck in das Arbeitsstück eindringt, behalten die gewöhnlichen hochgekohlten oder Werkzeugstähle, selbst wenn sie sorgfältig behandelt und angelassen worden sind, ihre scharfe Schneidkante auf längere Zeit nicht bei, entweder infolge der Abnutzung oder infolge der hohen Temperaturen, welche an den Schneidkanten entstehen. Es ist deshalb wünschenswert, etwas härteren Stahl für die Schneidkante der Messerklinge zu verwenden, wofür sich die sogenannten Schnellarbeits- oder Schnelldrehstähle (Schnellstähle) in hervorragender Weise eignen. Bekanntlich sind diese Schnellstähle Legierungen aus den üblichen Bestandteilen des hochgekohlten Stahles mit selteneren Metallen, wie Vanadium und Wolfram, welche die Festigkeit und ihre Fähigkeit, die Härte selbst bei Rotglut beizubehalten, vermehren.

Die Eignung eines solchen Schnellstahles für den jeweiligen Zweck ist allgemein bekannt; die bisherigen Versuche, die Schneide dieses Stahles auf einen Rumpf von weichem Stahl nach den oben erwähnten Verfahren aufzuschweißen, die gewöhnlich beim Verschweißen von Werkzeugstahl mit weichem Stahl angewendet wurden, haben wenig befriedigende Ergebnisse gehabt, da bei der Beendigung dieses Verfahrens es sich herausstellte, daß der Schnellstahl mit sichtbaren oder beginnenden Rissen angefüllt und nicht zusammenhängend mit dem weichen Stahl verbunden war, so daß jener leicht von diesem abblättert, während sein inneres Gefüge so verändert worden ist, daß er auf längere Zeitdauer keine Schneidkante hielt.

Die Erfindung bildet ein Verfahren, mit welchem Schnellstahl sicher mit dem Rumpf aus weichem Stahl vereinigt werden kann, ohne die gewöhnlichen physikalischen Eigenschaften des Schnellstahles zu opfern und ohne nennenswerte innere Spannungen oder entstehende Sprünge zu entwickeln. Es entsteht hierdurch ein Schneidwerkzeug mit einem Rumpf aus weichem Stahl und einer Schneide aus Schnellstahl, die fest miteinander vereinigt sind.

In einer großen Reihe von Versuchen ist die Ursache der bisherigen Mißerfolge bestimmt worden, und sie haben zu einem technisch brauchbaren Verfahren geführt, welches Schneidwerkzeuge mit den gewünschten Eigenschaften ergibt unter solchen Kosten, daß die Anwendung überall möglich ist, wo ein äußerst hartes und der Abnutzung widerstehendes Werkzeug gebraucht wird.

Eine der Ursachen für den Mißerfolg bei den früheren Versuchen zum Verschweißen von Schnellstahl mit weicheren Stählen liegt in den sehr verschiedenen Dehnungsfestigkeiten der verschiedenen Metalle bei den Temperaturen, welchen sie während des Schweißens ausgesetzt werden. Genau durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die Verlängerung und Dehnungsfestigkeit des weichen Stahles, der sich für den Rumpf des Werkzeuges eignet, fast derjenigen von hochgekohltem oder Werkzeugstahl gleich kommt, wie er bisher zur Bildung der Schneide verwendet wurde, sowohl bei der Schweißtemperatur als auch bei den weit niedrigeren Temperaturen, welche in den späteren Arbeitsstufen beim Auswalzen auftreten. Bei der Schweißtemperatur von etwa 1100 ° C liegt die Dehnungsfestigkeit des Schnellstahles so nahe an derjenigen des weichen Stahles bei derselben Temperatur, daß sie zusammen bearbeitet werden können, ohne daß die Metalle aufeinandergleiten oder-kriechen; aber ihre Dehnungsfestigkeit nimmt so schnell ab, wie die Tempe- ratur sinkt, so daß bei 870 ° C die Dehnungsfestigkeit etwa nur die Hälfte derjenigen beträgt, welche sie bei der Schweißtemperatur hat. Es ist klar, daß der kritische Temperaturbereich sehr eng ist, in welchem das Verhältnis der Dehnungsfestigkeit des Schnellstahles und weichen Stahles die gleichzeitige Verarbeitung der einander berührenden Metalle gestattet, ohne daß eine wesentliche Neigung der Komponenten, aufeinanderzugleiten oder übermäßige innere Beanspruchungen zu erzeugen, entsteht; ferner ist es klar, daß weicher Stahl und hochgekohlter oder Werkzeugstahl zwar recht gut vereinigt werden können, indem sie in mehreren Stichen hintereinander bei stetig abnehmenden Temperaturen durch Walzen gestreckt werden, daß aber jeder Versuch, das Schweißverfahren bei der Vereinigung von weichem Stahl und Schnellstahl bei Temperaturen unter dem kritischen Bereich zu verlängern, unbedingt zu einem Mißerfolg führen muß, weil die Unfähigkeit des Schnellstahles, sich gleichmäßig mit der Verlängerung des Rumpfes aus weichem Stahl zu strecken, die beginnende Vereinigung zwischen den Teilen zerstört und diejenigen Rißlinien erzeugt, welche als Folge dieses Verfahrens festgestellt worden sind und Anlaß dazu geben, daß der Schnellstahl von seinem Rumpf abblättert. Die fortgesetzte Behandlung des Schnellstahles durch Walzen oder Schmieden, nachdem seine Temperatur unter die Schweißtemperatur gesunken ist und während er auf dem Polster ruht,

das durch den verhältnismäßig weichen und dehnungsfähigen Rumpf dargeboten ist, muß sich selbstverständlich in der Bildung von Rissen in dem härteren und weniger dehnungsfähigen Material äußern, das, anstatt leicht unter der Wirkung der Walzen zu fließen, quer in eine Reihe von unregelmäßigen schmalen Streifen zerrissen wird, die vor den Walzen hergeschoben werden, Risse von sichtbarer Breite zwischen ίο ihnen in der Fertigware hinterlassen und unzählige feine unsichtbare Risse und Spannungslinien zeigen, die alle die Klinge schwächen und es unmöglich machen, eine richtige und zusammenhängende Schneidkante zu bilden. Nachdem die erwähnten Tatsachen für die verhältnismäßige Dehnungsfestigkeit der verschiedenen Stähle bei den Temperaturen festgestellt worden sind, welchen sie beim Schweißen unterworfen werden, und nach langen auf diese Tatsachen gestützten Versuchen hat sich ergeben, daß vollkommene Ergebnisse erzielt werden, wenn man das im folgenden beschriebene Verfahren anwendet, für welches einige Beispiele in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen

Abb. ι den senkrechten Querschnitt einer Stange aus weichem Stahl, der nach dem Verfahren der Erfindung vorbereitet worden ist,

Abb. 2 den Grundriß von Abb. 1, Abb. 3 einen Querschnitt wie Abb. 1, jedoch mit dem auf der oberen Fläche des Rumpfes liegenden Schnellstahl,

Abb. 4 einen senkrechten Schnitt der vereinigten Stähle nach dem Schweißen, , Abb. 5 den Grundriß von Abb. 4,

Abb. 6 den Grundriß eines fertigen Schneidwerkzeuges,

Abb. 7 einen senkrechten Schnitt zu Abb. 6, Abb. 8, 9 und 10 Querschnitte von weiteren drei Ausführungsformen des Verfahrens.

Eine Stange 1 aus weichem Stahl zur Bildung des Rumpfes hat eine Dicke, welche bedeutend größer ist als die, die das fertige Werkzeug besitzen soll; sie wird an der Unterseite um etwa die Dicke der Stange von dem aufzuschweißenden Schnellstahl fortgeschnitten, wie bei 2 gezeigt. Der fortgeschnittene Teil läuft in eine abgeschrägte Fläche 3 aus. Die obere Fläche 20 der weichen Stahlstange wird mit einem Flußmittel, wie Borax, besprengt und die Stange auf etwa 900 ⁰C vorgewärmt. Die Stange wird dann aus dem Vorwärmofen herausgenommen, die Oberfläche sorgfältig gereinigt, um die Glühschuppen und das Flußmittel zu entfernen. Die reine Oberfläche wird dann mit feinen Stahlspänen, ferner mit reinem Borax bestreut, und auf die so vorbereitete Oberfläche wird eine Stange 4 aus Schnellstahl gelegt. Diese Stange ist zweckmäßig an der einen Kante 5 abgeschrägt nach fio einem Winkel, der etwa der Abschrägung der Fläche 3 des Rumpfes entspricht, und die Kante 6 der Stange 4 soll im Wesentlichen mit der Kante 7 der Stange 1 abschneiden. Der so vereinigte Stahl wird dann in den Ofen zurückgebracht und auf die Schweißtemperatur er- 6g hitzt.

Der Stahl wird dann aus dem Ofen herausgenommen, und nachdem die Stange 4 genau mit der Stange 1 ausgerichtet ist, wird die Stange 4 einer Anzahl von leichten Hammerschlagen unterworfen, um die Teile so weit miteinander zu vereinigen, daß sie ihre Lage bei der darauffolgenden Bearbeitung beibehalten. Die Hammerschläge sollen verhältnismäßig leicht sein; denn wenn der Schnellstahl kräftigen Schlagen in diesem Zeitpunkt ausgesetzt wird, so können sich bei den späteren Arbeitsstufen des Verfahrens leicht Risse entwickeln. Die aneinanderhaftenden Stangen werden wieder in den Ofen gebracht und erhitzt. Das Arbeitsstück wird dann aus dem Ofen genommen, unter einen schweren Hammer gebracht und wenigen Schlägen unterworfen, welche die Teile abflachen und ihre Berührungsflächen zur innigen Berührung bringen, worauf sie wieder in den Ofen kommen und auf eine Schweißtemperatur zwischen etwa 1098⁰C und 1107⁰C gebracht werden. Das Arbeitsstück wird dann aus dem Ofen herausgenommen und sehr schnell zwischen ein Walzenpaar gebracht, welches die Dicke auf diejenige des fertigen Werkzeuges auswalzt. Das Walzen wird so schnell ausgeführt, daß die Temperatur des Werkstückes nicht unter den kritischen Bereich fällt, dessen untere Grenze etwa bei 870 ° C liegt. Während dieses einmaligen Auswalzens wird die Stange gegen seitliches Ausbreiten geschützt, so daß die Breite der Stange im wesentlichen unverändert bleibt und die Abnahme der Dicke sich nur in der Verlängerung der Stange äußert. Das schnelle Auswalzen des Werkstückes innerhalb des kritischen Temperaturbereiches und unter erheblichem Druck hat die Bildung einer Schweißverbindung von hoher Vollendung und etwa denselben Eigenschaften zur Folge, wie sie gewöhnlich erreicht werden, wenn weicher Stahl mit einem hochgekohlten Stahl verschweißt wird. Wenn so bei oder nahe der Schweißtemperatur schnell gearbeitet wird, verhält sich der Schnellstahl im wesentlichen ebenso wie gewöhnliche Stähle, und bei sorgfältigster Prüfung des geschweißten Werkstückes kann man weder Oberflächenrisse und innere Spannungslinien noch Veränderungen in dem Gefüge des Schnellstahles bemerken, so daß das fertige Werkzeug eine genaue Schneidkante annimmt und beibehält sowie allen Beanspruchungen widersteht, denen ein solches Werkzeug bei seiner Verwendung ausgesetzt wird.

Wenn während des Walzens das Werkstück sich aufrollen oder werfen sollte, so kann es leicht geebnet werden, indem man es einem.

Hammer unterwirft, dessen Schlagfläche einen Flächenraum hat, der wenigstens so groß ist wie die Fläche der Stange. Die vereinigte verschweißte Stange (Abb. 4) wird dann in einen Glühofen gebracht und auf eine Temperatur von etwa 815 ° C erhitzt; diese Temperatur läßt man dann allmählich abnehmen. Nach dem Ausglühen wird das Werkstück (Abb. 5) quer nach den strichpunktierten Linien 9 in Schneidwerkzeuge der gewünschten Breite zerschnitten (Abb. 6 und 7). Diese Werkzeuge werden dann warm behandelt und die Kante des Schnellstahles abgeschliffen zur Herstellung einer Schneidkante 10 (Abb. 7). Das Werkzeug ist dann für den Gebrauch fertig.

Gemäß Abb. 8 wird der Rumpf ΐ^Λ anstatt an der unteren Seite auf der oberen ausgeschnitten; der Ausschnitt endet in eine schräge Fläche 11. Der Schnellstahl 4'¹ wird dann mit einer abgeschrägten Kante 12 eingesetzt, so daß die beiden Abschrägungen 11,12 einander berühren. Die weitere Behandlung ist wie vorbeschrieben; das sich ergebende Werkstück dient zur Bildung von Messern, wie sie in der Holzbearbeitung verwendet werden; sie sind hierzu besonders geeignet, weil diese Messer ungewöhnlichen Beanspruchungen und Schlagen unterworfen werben, welche den Schnellstahl von dem Rumpf zu trennen suchen.

Gemäß Abb. 9 wird der Rumpf 1* von einer ebenen, flachen Stange gebildet, auf welche eine zweite Stange 13 aus ähnlichem Stahl aufgelegt wird und mit einer abgeschrägten Kante 14 versehen ist; unter diese wird die abgeschrägte Kante 15 der Stange 4* aus Schnellstahl gelegt. Die Stange 13 kann auf die Stange x^b aufgeschweißt werden, bevor der Schnellstahl 4^b aufgebracht wird, oder gleichzeitig.

Gemäß Abb. 10 wird der Rumpf i« auf seiner oberen Fläche abgeschrägt, die in die abgeschrägte Fläche 16 ausläuft zur Anlage der abgeschrägten Fläche des Schnellstahles 4^C. Diese Ausführungsform ist brauchbar, obwohl sie einige Nachteile hat, weil die abgeschrägten Flächen aufeinanderzugleiten suchen, so daß der Schnellstahl sich seitlich zu dem Rumpf während der Bearbeitung bewegen kann und so die vollkommene Vereinigung an den anstoßenden schrägen Stangenflächen in Frage stellt.

Die Bezeichnung »weicher Stahl« für den Rumpf ist in einem allgemeinen Sinne zu verstehen ; wie üblich wird der Rumpf aus niedrig gekohltem Stahl hergestellt, der gewöhnlich als kalt gewalzter Stahl bekannt ist; der Ausdruck »weicher Stahl« bezieht sich daher auf jeden Stahl, der nicht diejenigen Kennzeichen hat, welche er der Anwesenheit der selteneren Metalle, wie Wolfram oder Vanadium, verdankt und ihn zu dem sogenannten Schnellstahl machen. Die Bezeichnung »Schnellstahl« wird auch nicht auf eine bestimmte Eisenlegierung mit den selteneren Metallen beschränkt und gilt für alle diejenigen, welche die physikalischen Eigenschaften der unter diesem Namen bekannten Stähle haben. .

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstahlwerkzeuges durch Aufschweißen einer Schneide aus Schnelldrehstahl (Legierungsstahl) auf einen Rumpf aus gewöhnlichem Stahl und darauffolgendes gemeinsames Auswalzen beider Stähle, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschweißen der Schnellstahlschiene (4) auf die Platte aus gewöhnlichem Stahl (1) innerhalb einer Temperaturgrenze (kritische Temperatur) vorgenommen wird, innerhalb deren die Streckbarkeitbeider Stähle gleich ist (etwa 870 bis 1100⁰C).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stähle (1, 4) vor dem Walzen auf die Schweißtemperatur (etwa 900 ° C) gebracht, durch Hämmern leicht miteinander vereinigt, dann wieder auf die kritische Temperatur gebracht und in einer Hitze auf die gewünschte Dicke ausgewalzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in der weichen Stahlplatte eine Aussparung etwa von dem Rauminhalt der Schnellstahlschiene vorgesehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellstahlschiene (4) auf die nicht ausgesparte Fläche der Weichstahlplatte (1) vor dem Walzen aufgelegt und die aufgelegte Schnellstahlschiene mit der Weichstahlplatte zu einer ebenen Platte durchgedrückt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichstahlplatte aus zwei Platten (i⁶, 13) gebildet wird, von denen bei gleicher Dicke die eine (13) an Rauminhalt um den Betrag der Schnellstahlschiene (4^b) geringer ist als die andere (1*).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.