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Verfahren zum Vermindern von Schrumpfspannungen nach dem Auflöten
von Hartmetallen auf metallische Unterlagen Die Erfindung befaßt sich mit Maßnahmen
zum Verhindern der Schrumpfspannungen, die beim Abkühlen nach dem Auflöten von Hartmetallauflagen
auf metallische Unterlagen entstehen. Unter Hartmetall im Sinne der Erfindung sind
gegossene, vorzugsweise aber gesinterte Legierungen zu verstehen, deren Hauptmasse
aus Karbiden der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Molybdän, Titan, Tantal, Niob
und gegebenenfalls Chrom besteht, deren Zusammenhalt durch niedrigschmelzende Metalle
der Eisengruppe herbeigeführt ist. Gelegentlich sind Hartmetalllegierungen auch
mit verhältnismäßig geringfügigen Mengen an hochschmelzenden Metallen versehen,
die nicht in die Karbidform übergeführt sind. Auch solche Legierungen werden im
nachfolgenden unter Hartmetall verstanden.
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Es ist bekannt, Werkstücke zur Herstellung von Werkzeugen oder sonstigen
Gegenständen, deren Oberfläche auf Verschleiß beansprucht wird, in der Weise mit
einer Hartmetallauflage zu versehen, daß Hartmetall-
Plättchen verschiedener
Größe einzeln oder zu mehreren auf die Unterlage aufgelötet werden. Im allgemeinen
erfolgt das Auflöten mittels Kupfer, wobei beim Lötvorgang unter Verwendung von
Borax als Flußmittel in reduzierender Atmosphäre gearbeitet wird. Diese Art der
Befestigung hat sich bewährt für Werkzeuge wie Drehstähle u. dgl., bei denen verhältnismäßig
kleine Hartmetallplättchen zur Anwendung gelangen. Allerdings ergeben sich schon
beim Auflöten derartiger kleiner Plättchen gewisse Schwierigkeiten, die mit der
Abkühlungsspannung zusammenhängen, die sich aber im allgemeinen beherrschen lassen.
Wenn jedoch dazu übergegangen wird, größere Platten aufzulöten, so nehmen die Spannungen,
die nach der Abkühlung auftreten, Maße an, die entweder die Lötnaht aufreißen lassen
oder aber zur Rißbildung im Hartmetall führen. Die Entstehung- der Spannungen erklärt
sich aus dem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen Stahl und
Hartmetall besteht. Während bei der Erwärmung Hartmetall sich sehr wenig ausdehnt,
zeigt Stahl eine erhebliche Längen- und Volumänderung. Da das Kupferlot bereits
erstarrt, ehe eine wesentliche Abkühlung des Stahls und des Hartmetalls eingetreten
ist, besteht schon eine feste Verbindung zwischen Hartmetall und Stahl, bevor die
temperaturbedingten Änderungen in der Abmessung der Stahlunterlage zurückgegangen
sind. Lötnaht und Hartmetall werden mithin unter dem Einfluß der Abkühlung in Spannungen
versetzt. Es ist schon versucht «-orden, diesen Spannungen entgegenzuwirken, indem
die Unterlage mit Einschnitten quer zur Auflage- und Lötfläche versehen wurde. Dadurch
wird zwar erreicht, daß die einzelnen Abschnitte der Unterlage in einem gewissen
Umfang gegeneinander beweglich werden, die Spannungen in der Lötnaht werden durch
diese Maßnahmen jedoch nicht beseitigt. Außerdem besteht die Gefahr der Rißbildung
in den geschwächten Querschnitten der Unterlage. Spannungsfrei sind lediglich solche
Auflagen, die so hergestellt werden, daß ein pulverförmiges Hartmetall in eine Form
gebracht und dann das Trägermetall aufgegossen wird. Bei Erzeugnissen, die nach
diesem Einseigerverfahren hergestellt sind, befriedigen jedoch die Eigenschaften
des Hartmetalls nicht; denn dieses ist infolge des eingeseigerten Trägermetalls
nicht homogen und weist daher unerwünschte Härteunterschiede auf.
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Die beim Lötverfahren mit der Entstehung von Spannungen verbundenen
Schwierigkeiten, die mit zunehmender Größe der miteinander zu verbindenden Teile
größer werden, sollen beseitigt werden, so daß selbst große Auflagen aus Hartmetall
ohne Gefahr der Rißbildung und des Abreißens an der Lötnaht hergestellt werden können.
Gemäß der Erfindung wird hierzu vorgeschlagen, in der Stahlunterlage in gleichmäßiger
Verteilung konische Bohrungen vorzusehen. Diese zweckmäßig schwachkonischen Bohrungen
sollen bis unmittelbar unter die Auflagefläche reichen. Auf eine derartig vorbereitete
Stahlunterlage wird das Hartmetallplättchen oder gegebenenfalls auch mehrere nebeneinander
aufgelegt, worauf in an sich bekannter `'eise Stahl und Hartmetall in einem Ofen
mit reduzierender Atmosphäre erwärmt und die Löturig mittels Kupfer unter Verwendung
von Borax vorgenommen wird. Anschließend wird der Stahl mit dem aufgelöteten Hartmetall
aus dem Ofen entfernt, und in die konischen Bohrungen werden kalte, ebenfalls konische
Stahlbolzen mit leichtem Druck eingepreßt. Das Eintreiben der Bolzen erfolgt zweckmäßig
nach einer gewissen Abkühlung des Formstückes, und zwar bei Temperaturen, die etwa
um äoo° liegen. Bei diesen Temperaturen ist das Lot bereits erstarrt. Die Stahlbolzen
sind so zu bemessen, daß sie bei den angegebenen Temperaturen genau und leicht in
die Bohrungen passen. Die kalten Stahlbolzen werden durch die heiße Stahlunterlage
erwärmt und rufen dadurch im Stahlblock Spannungen hervor und verhindern dadurch
bis zur endgültigen Abkühlung des gesamten Körpers, daß die Unterschiede in den
Ausdehnungskoeffizienten zwischen Stahl und Hartmetall zur Auswirkung gelangen.
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Auf diese Weise gelingt es, die Spannungen ausreichend gering zu halten,
so daß Rißbildungen in der Hartmetallauflage und in der Lötnaht nicht zu befürchten
sind.
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Als Lot wird vorzugsweise Kupfer verwendet; es können jedoch auch
aridere Lötmittel benutzt werden, wobei dann eine sinngemäße Anpassung der Temperaturen
zu erfolgen hat.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, das Verfahren auch dort anzuwenden,
wo an Stelle von Stahl Legierungen anderer Art als Unterlage verwendet werden, wenn
bezüglich des Verhältnisses der Ausdehnungswerte der einzelnen Werkstoffe zueinander
ähnliche Bedingungen vorliegen wie bei Stahl und Hartmetall. Dies kann z. B. der
Fall sein, wenn als Unterlage Bronze oder Messing, ferner Nickel-Kupfer-Legierungen
von der Art des Monel-. inetalls oder Nickel-Chrom-Legierungen verwendet werden,
des weiteren bei Unterlagen aus hochschmelzenden Metallen wie Molybdän, Wolfram
oder Tantal. Die gemäß der Erfindung einzusetzenden Bolzen sind jeweils aus einem
der Unterlage entsprechenden Werkstoff zu wählen.
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Das Verfahren ist anwendbar auf alle
Formen sowohl
der Hartmetallauflage als auch der Unterlage. Eine besondere Bedeutung hat das Verfahren
für Gegenstände, die auf Verschleiß beansprucht werden, wie Werkzeuge, Laufschienen,
Gleitschienen u. dgl., bei denen besonders lange und flache Hartmetallauflagen vorzusehen
sind, ferner für solche Fälle, in denen große Flächen gleichmäßig mit einer Hartmetallauflage
versehen werden sollen. Ein besonders wichtiges Anwendungsgebet ist die Herstellung
von Schwalbungen für Brikettpressen.
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Im nachfolgenden wird an Hand der Zeichnungen die Erfindung näher
erläutert.
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Abb. i zeigt einen senkrechten Schnitt durch ein Werkzeug, bestehend
aus Stahlschaft i, auf den die Hartmetallplatte z aufgelötet werden soll. Abb. 2
zeigt das gleiche Werkzeug in Draufsicht. In regelmäßiger Verteilung sind an der
Unterseite dies Werkzeuges leicht konische Bohrungen 3 vorgesehen. Der Schaft i
wird mit der lose aufgelegten Hartmetallplatte 2 in den Ofen mit reduzierender Atmosphäre
gebracht, Kupfer und Borax aufgelegt und die Lötung in an sich bekannter Weise vorgenommen.
Nachdem eine Abkühlung auf etwa 8oo° stattgefunden hat, werden in dieBohrungen 3
die leicht konischen Bolzen q. kalt eingedrückt, worauf das gesamte Werkstück sich
selbst überlassen wird. Aus der Abb. i ist ersichtlich, daß die Bohrungen bis nahe
unter die Auflagefläche 5 des Hartmetalls auf dem Stahlschaft reichen und daß die
Bolzen so eingedrückt werden, daß ihre Oberflächen mit der unteren Fläche des Schaftes
abschneiden. Auftretende Ungleichmäßigkeiten können durch Schleifen beseitigt werden.
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Während in Abb. i und a der Fall behandelt wurde, daß die Hartmetallauflage
eine ebene Fläche bildet, wird in den Abb. 3 und 4 der Fall einer mehr oder weniger
stark gekrümmten Hartmetallfläche behandelt. Abb. 3 stellt einen Schnitt durch eine
sogenannte Salonschwalbung für Brikettpressen dar, und zwar ist der Schnitt längs
der Linie A-B der Abb. q. gelegt, die eine Aufsicht der Schwalbung darstellt. Aus
den beiden Abb. 3 und .4 ist ersichtlich, daß die konischen Bohrungen 3 über die
gesamte Fläche gleichmäßig verteilt sind, wobei die Bohrungen in 'nebeneinanderliegenden
Reihen auf Lücke stehen. Es können jedoch auch andere Arten für die gleichmäßige
Verteilung der Bohrungen in der Unterlage zur Anwendung gelangen. Die Bohrungen
reichen auch hier bis kurz unter die Auflagefläche 5 für das Hartmetall, -das im
gewählten Beispiel nicht aus einem einheitlichen Stück, sondern aus mehreren Teilstücken
211 bis ze besteht. Zur Verbindung der Hartmetallplättchen mit der Unterlage wird
in der gleichen Weise verfahren wie in Verbindung mit Abb. i und a geschildert.