DK162881B - Fremgangsmaade til fremstilling af et sejt, slidbestandigt formlegeme - Google Patents

Description

DK 162881 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af et sejt, slidbestandigt formlegeme med en sintret, gennemboringssikret del, som indeholder hårdme-talpartikler, der er bundet i en matrix af rustfrit stål og 5 i det væsentlige er anbragt inden i denne matrix, idet den gennemboringssikrede del i det mindste delvis er indlejret i en yderligere matrix af støbestål og bundet til denne, ved sammenpresning af en blanding af hårdmetalpartiklerne og et sinterstålpulver af rustfrit stål til et presseemne, sintring 10 af presseemnet og støbning af en stålsmelte om presseemnet.

Disse formlegemer kan navnlig anvendes som slidbestandige støbegodsdele til gravemaskiner og til gennemboringssikrede sikkerhedsindretninger såsom pengeskabe.

For at forlænge levetiden af f.eks. tænder til grave-15 maskiner og lignende formlegemer, som er underkastet stærkt slid ved afslibning, slagbelastning, temperaturvariationer, vibrationer og korrosion, er det allerede blevet foreslået at indlejre sintrede hårdmetalpartikler af koboltbundet wolframcarbid i en støbestålmatrix og deraf støbe passende 20 formlegemer (US patentskrifterne nr. 4.024.902 og nr. 4.140.170).

Disse kendte støbemetoder frembyder imidlertid problemer, når man ønsker at fremstille støbeemner med forholdsvis tynde tværsnit, eller når man ønsker at anbringe 25 carbidpartikler på overfladen af en lodret forløbende ansats på såvel som et vandret område af et støbeemne, idet den direkte kontakt mellem støbestålsmelten og hårdmetalpartiklerne fører til en overflademæssig opløsning af hårdmetalpartiklerne og dermed også til en formindskelse af deres 30 partikelstørrelse.

Med henblik på at formindske opløsningen af carbid-partiklerne under støbning og den resulterende skøre eta-fase (M6C- eller M^C-carbid indeholdende wolfram og jern), der frembringes ved skillefladerne mellem carbid og stål, må de 35 anvendte carbidpartikler typisk have en størrelse på mindst 3 mm. En forøgelse af carbidpartiklernes størrelse formind- 2

DK 162881 B

sker skillefladearealet mellem carbid og stål. Imidlertid kan carbiderne i tynde tværsnit af et støbeemne med en tykkelse, der kun er lidt større end carbidstørrelsen, virke sammen med formen til hurtigt og kraftigt at køle det fly-5 dende metal, som flyder mellem carbiderne, og derved bevirke en ufuldstændig udfyldning af disse tynde afsnit.

Det er ligeledes umuligt at holde store cementerede carbidpartikler ensartet fordelt langs et lodret afsnit af et støbeemne, uden at udfylde dette afsnit med carbid fra 10 bunden for at fastholde carbiderne på plads under støbning.

Dette kan føre til de førnævnte hulrum og/eller ufuldstændig fyldning på grund af kraftig køling af smelten.

US patentskrift nr. 4.101.318 søger at undgå de førnævnte støbeproblemer ved at formale et varmebehandleligt, 15 lavtlegeret stålpulver sammen med et wolframcarbidpulver eller et carbidpulver med en fast opløsning af wolframmolybdæn og derpå presse og sintre et emne til i det væsentlige fuld tæthed af den fremkomne blanding. Lavtlegeret stål støbes derpå omkring det sintrede stålcarbidemne til dannelse 20 af en færdig komponent. Dette patentskrift begrænser imidlertid de anvendte stålpulvere til stål med lavt chromind-hold.

Fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2.630.932 kendes slidbestandige kompositmaterialer og deraf fremstillede 25 formlegemer samt en fremgangsmåde til disses fremstilling, ved hvilken en blanding af hårdmetalpartikler og et sinterstålpulver af rustfrit stål sammenpresses, og presseemnet sintres. Vægtforholdet mellem hårdmetal og sinterstålmatrix andrager herved 1:1 til 1:0,1. Hårdmetallet anvendes ifølge 30 eksempel 1 i dette trykskrift i form af kugler med en diameter på 10 mm. Blandingen af hårdmetal og sinterstål sammenpresses ved denne kendte fremgangsmåde isostatisk ved et tryk på fra 80 x 106 til 400 x 106 Pa ved stuetemperatur og sintres ved en temperatur på fra 1000 til 1400° C i en indif-35 ferent atmosfære. Herved er der ikke forudset en omstøbning med støbestål af det ifølge denne udførelsesform for den 3

DK 162881 B

kendte fremgangsmåde fremstillede sinterlegeme.

Ved en yderligere udførelsesform for den fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2.630.932 kendte fremgangsmåde bliver hårdmetalpartiklerne ikke sammenblandet med sinter-5 stålpulver og sammenpresset men direkte indlejret i støbestål, hvilket er forbundet med den ovenfor beskrevne ulempe med opløsning af hårdmetalpartiklerne i støbestålsmelten og dannelse af skør eta-fase.

Fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2.754.999, eksempel 10 4, kendes ligeledes en fremgangsmåde til fremstilling af seje, slidbestandige formlegemer, ved hvilken sintrede hård-metalpartikler omstøbes med en smelte af rustfrit stål. De herved anvendte, sintrede hårdmetalpartikler bliver ifølge eksempel 1 i dette trykskrift fremstillet ad pulvermetallur-15 gisk vej. Pulverblandingen til fremstilling af hårdraetalpar-tiklerne indeholder foruden wolframcarbid, chromcarbid og molybdæncarbid 0,621 vægtprocent nikkel samt 4,354 vægtprocent jern som bindemiddel. Pulverblandingen bliver forkomprimeret agglomereret til korn i størrelsesområdet fra 250 20 til 1000 μιη, sammenpresset under et tryk på 146,7 x 106 Pa, forsintret ved 1050 til 1150*C og endelig sintret i 1,5 time ved 1258'C. Det således fremstillede sinterhårdmetal består af korn af wolframmonocarbid, der er ensartet dis-pergeret i en perlelignende matrix (jf. skriftets side 27, 25 linie 11-13).

Selv om der i DE offentliggørelsesskrift nr. 2.754.999 (side 12, linie 1-5) henvises til, at dannelsen af uønskede η-carbider skal undgås, omstøbes ifølge eksempel 4 det ifølge eksempel 1 fremstillede hårdmetal direkte med en støbestål-30 smelte. Som nævnt fører imidlertid netop den direkte kontakt mellem støbestålsmelten og hårdmetallet til overflademæssig opløsning af det sidstnævnte og dermed til dannelse af skør eta-fase ved grænsefladen mellem hårdmetal og støbestål.

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe en frem-35 gangsmåde til fremstilling af seje, slidbestandige formlegemer af den indledningsvis nævnte art, ved hvilken risikoen 4

DK 162881B

for dannelse af skøre eta-faser er minimeret, og med hvilken det lykkes at fremstille særlig slibbestandige, korrosionsbestandige og gennemboringssikrede formlegemer med god sej-hed.

5 Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved, at 30 til 80 vægtprocent hårdmetalpartikler af wolframcarbid og kobolt og/eller nikkel som bindemiddel med en partikelstørrelse mellem 1,68 og 3,3 mm sammenblandes med 20 til 70 vægtprocent pulverformigt rustfrit stål, og at pulverblandingen sam-10 menpresses ved et tryk på mere end 68,9 x 106 Pa og sintres ved en temperatur mellem 1038 og 1232°C i 20 til 90 minutter.

Ved indlejringen af hårdmetalpartiklerne i sinterstålmatrixen opnås, at støbestålsmelten kun kommer i direkte kontakt med sinterståloverfladen men ikke med overfladen af 15 hårdmetalpartiklerne, så at risikoen for dannelse af skør eta-fase er reduceret til det minimum, der næppe kan undgås. Desuden opnås ifølge opfindelsen, at den oprindelige kornstørrelse af hårdmetalpartiklerne også bliver opretholdt i det med støbestål omstøbte slutprodukt, så at det ikke læn-20 gere som ved teknikkens standpunkt er nødvendigt at formindske den specifikke overflade af hårdmetalfasen ved anvendelse af så store kugler som muligt. I stedet kan der ifølge opfindelsen anvendes små partikelstørrelser, hvilket igen tillader at tilføre billigt hårdmetalaffald til en 25 meningsfuld og særlig fordelagtig genanvendelse.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendes fortrinsvis en sinterstålmatrix af austenitisk rustfrit stål og fortrinsvis en støbestålmatrix af lavlegeret eller austenitisk rustfrit stål, idet støbestålmatrixen fortrinsvis 30 fuldstændig omgiver komposittet af hårdmetalpartikler og sinterstålmatrix.

De anvendte hårdmetalpartikler består af wolframcarbid og et fra den af kobolt, nikkel, deres legeringer med hinanden og deres legeringer med andre metaller bestående gruppe 35 udvalgt bindemiddel.

Det har desuden vist sig, at sinterstålmatrixen, for 5

DK 162881 B

så vidt den består af austenitisk rustfrit stål, kan være mindre end 90% tæt, dvs. kan have en tæthed på 75 til 85%.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere, idet der henvises til tegningen, på hvilken 5 fig. 1 viser en isometrisk gengivelse af en støbt sikkerheds- eller pengeboks ifølge den foreliggende opfindelsen, fig. 2 et tværsnit gennem den i fig. 1 viste boks langs linien II-II i fig. 1, 10 fig. 3 et tværsnit gennem et formhulrum anvendt til fremstilling af den i fig. 1 viste udførelsesform for den foreliggende opfindelse, og fig. 4 et tværsnit gennem en udførelsesform for en gravemaskinetand ifølge den foreliggende opfindelse.

15 Ifølge den foreliggende opfindelse blandes 30 til 80 vægtprocent carbidpartikler med 70 til 20 vægtprocent stålpulver for at frembringe en i det væsentlige ensartet blanding af carbid og stål. De anvendte carbidpartikler er fortrinsvis cementerede wolframcarbider med en partikelstørrelse 20 mellem 1,68 og 3,3 mm.

Det har vist sig, at sintrede kompositlegemer indeholdende carbidpartikler inden for dette størrelsesområde er modstandsdygtige mod indtrængning ved boring.

Yderligere forbedringer af slidmodstandsdygtighed og 25 gennemboringssikkerhed kan opnås ved anvendelse af carbidpartikler med en bimodal størrelsesfordeling. I denne udførelsesform for opfindelsen er størrelsen af de mindre carbidpartikler udvalgt således, at den tillader dem at passe ind i mellemrummene, som er dannet mellem de større carbid-30 partikler, hvorved slidmodstandsdygtigheden yderligere forøges.

Den cementerede carbid kan have et metallisk bindemiddel udvalgt blandt kobolt, nikkel eller kobolt-nikkel-legeringer. Udover wolframcarbiden kan den cementerede carbid 35 indeholde mindre mængder af andre carbider såsom tantalcar-bid, niobiumcarbid, hafniumcarbid, zirkoniumcarbid og vana-

DK 162881 B

6 diumcarbid.

Knust og sigtet affald af cementeret carbid har vist sig at være egnet til brug ved denne fremgangsmåde.

De ifølge opfindelsen foretrukne rustfrie stål er de 5 austenitiske, rustfrie stål på grund af deres modstandsdygtighed mod slid og slag fra rumtemperatur ned til kryogene temperaturer. Af de austenitiske, rustfrie stål foretrækkes AISI typerne 301, 302, 304 og 304L på grund af deres store deformationshærdningshastigheder. Udover carbid- og stålpul-10 verne i blandingen tilsættes også organiske bindemidler for at forhindre segregation og frembringe ensartet fordeling af carbiderne og opretholde en ensartet blanding efter sammenblandingen .

Efter blandingen sammentrykkes blandingen af pulvere 15 ved enakset presning i en matrice eller isostatisk presning i en forformeform, fortrinsvis ved tilnærmelsesvis 241,3 x 106 Pa men ikke ved mindre end 68,9 x 106 Pa.

Efter sammentrykning sintres det sammentrykkede emne ved en temperatur fortrinsvis under smeltepunktet for stålet 20 og mest fortrinsvis i området fra 1040°C til 1230eC i 20 til 90 minutter, hvorved man undgår dannelsen af eta-faser i skillefladerne mellem cementeret carbid og stål og alligevel tilvejebringer en stærk metallurgisk binding mellem den cementerede carbid og stålet.

25 I de fleste tilfælde antager bindingen mellem stålet og den cementerede carbid form af et legeringslag ved skillefladen mellem cementeret carbid og stål. Dette lag består hovedsagelig af kobolt og jern og er typisk mindre end 50 μπι tykt. Denne binding er vigtig for at sikre fastholdelse 30 af de grove, cementerede carbidpartikler inden i stålmatrixen.

Det har vist sig, at de sintrede emner, hvor der er anvendt austenitisk, rustfrit stålpulver, i almindelighed udviser indbyrdes forbundet mikroporøsitet og har en stål-35 bindemiddeltæthed på mindre end 90 procent af den teoretiske og mere typisk på 75 til 85 procent af den teoretiske. For 7

DK 162881 B

at forøge tætheden af emnerne kan der anvendes varm, iso-statisk presning, gennemsivning eller forøgede sammentryk-ningstryk. Disse processer vil også medføre en forbedret carbidfastholdelse i emnet. Det anvendte gennemsivningsmiddel 5 kan udvælges blandt kobberbaserede eller sølvbaserede slagloddematerialer, som befugter både rustfrit stål og carbid.

Det sintrede emne anbringes derpå inden i en form, og flydende metal støbes omkring det for at frembringe et støbeemne. Den anvendte støbemåde kan være en hvilken som 10 helst af de af fagmanden kendte. Imidlertid foretrækkes det at anvende den i US patentskrift nr. 4.024.902 omhandlede støbefremgangsmåde. Forvarmning af emnet kan anvendes forud for istøbning af det flydende metal i formen.

Det flydende metal kan være en jernlegering eller en 15 ikke-jernlegering og er fortrinsvis stål. Den anvendte type stål behøver ikke at være identisk med den i emnet anvendte.

Når slag-, styrke- og korrosionsegenskaber er af betydning, er det støbte stål fortrinsvis et austenitisk, rustfrit stål. Lavtlegerede stål og manganstål kan ligeledes anvendes.

20 Det støbte stål danner en metallurgisk binding med stålbindemidlet i det sammenpressede emne med et minimalt omfang af reaktion med de cementerede carbider. Dannelsen af eta-fase formindskes derved, eftersom de overfladeområder af carbiderne, der kommer i berøring med det flydende stål, 25 er blevet formindskede.

Anvendelsen af sammenpressede emner af carbid og stål muliggør også, at carbiderne kan bindes i forskellige koncentrationer, positioner og orienteringer både på overfladen og under overfladen af støbeemner.

30 Fremgangsmåden og produkterne ifølge den foreliggende opfindelse vil fremgå tydeligere ved gennemgang af de føl-.gende, detaljerede eksempler.

Eksempel nr. 1.

35 Der fremstilledes et antal gravemaskinetænder 1 (se fig. 4) med sammenpressede emner 3. En ensartet blandet 8

DK 162881 B

blanding sammensat af 60 vægtdele 3 til 4,5 mm koboltcementeret wolframcarbidgranulat og 40 vægtdele minus 100 masker forstøvet, austenitisk, rustfrit stålpulver (fremstillet af Hoganås Corporation i New Jersey) blev fremstillet ved tør 5 blanding med 1,25 vægtdele paraffin og 0,75 vægtdele ethyl-cellulose. Blandingen blev manuelt sammentrykket i et elastomert polyurethanformhulrum af den ønskede facon for emnet (50 mm langt, 19 mm bredt og 6 mm tykt) , som var dimensioneret til at tillade kold, isostatisk sammenpresning plus én 10 procent sintringskrympning. Efter kold, isostatisk presning ved 241 x 106 Pa fjernedes det sammenpressede foremne fra formen og vakuumsintredes ved 1150°C i 60 minutter. De sintrede emner anbragtes derpå i en sandform med otte recesser udformet til den krævede facon af gravemaskinetanden. In-15 gredienserne til fremstilling af et AISI 4340 lavtlegeret stål blev smeltet i en induktionsovn, emnerne blev forvarmede og stålet udstøbt i formen ved 1680 til 1720°C til dannelse af den i fig. 4 viste gravemaskinetand, i hvilken 4340-stålet er bundet til to vinkelmæssigt forbundne flader af emnet 3.

20 En metallografisk undersøgelse viste, at den rustfrie stålmatrix indeholdt en austenitisk struktur med nogle in-tergranulære chromcarbider benævnet "sensitisering", som er typiske for langsomt kølede austenitiske, rustfrie stål efter sintring. Sensitisering kan elimineres ved en påføl-25 gende opløsningsvarmebehandling. Skillefladerne mellem den cementerede carbid og stålmatrixen indeholdt en kontinuerlig bindingszone tilnærmelsesvis 15 μια tyk af en legering hovedsagelig sammensat af jern og kobolt. De fordelte cementerede carbidpartikler fremtrådte fri for varmerevner med et mini-30 malt omfang af opløsning, smeltning eller nedbrydning af den fordelte carbidfase ved eller nær skillefladegrænserne.

Der forekom nogen smeltning eller blanding af det rustfrie stål og nogen nedbrydning af carbider, hvor det flydende metal berørte carbiderne ved overfladen af det sammenpressede 35 emne. Under emnets overflade var carbidgrænsefladerne imidlertid i almindelighed skarpe undtagen den førnævnte dif- 9

DK 162881 B

fusionszone med jernkoboltlegering. Der bemærkedes ingen potentielt skadelige koncentrationer af eta-faser.

Prøveemner blev gentagne gange (fem og seks gange) anslået med en kuglepenhammer ved rumtemperatur og ved tem-5 peraturen for flydende nitrogen (-196'C) og viste sig at have god slagmodstandsdygtighed med ringe tegn på brud af skør type. Det skal imidlertid bemærkes, at med en større vægtprocent af cementerede carbider i sammensætningen, kunne slagmodstandsdygtigheden blive formindsket lidt, men modio standsdygtigheden mod slid og borindtrængning ville forøges.

Mikrohårdhedsmålinger af et snit af den støbte gravemaskinetand viste gennemsnitlige hårdheder (indtryk) på ca.

75 Rockwell C, 29 Rockwell C og 38 Rockwell C inden for en tværlinie i henholdsvis den cementerede carbid, det rustfrie 15 304L stål og 4340 stålet (3,1 mm fra de rustfrie stålgræn seflader) .

Eksempel nr. 2.

Der blev fremstillet en i fig. 1 vist, boremodstands-20 dygtig sikkerheds- eller pengeboks ved støbning af lavtlege-ret 4340 stål omkring sintrede rustfrie 304L stål-carbidpla-der (100 mm lange x 63 mm brede x 3 til 4,5 mm tykke) og plader (81 mm lange x 63 mm brede x 3 til 4,5 mm tykke). Placeringen af en af de sintrede plader 12 er vist i punkte-25 ret streg. Pladerne blev lavet ved ensartet blanding af en blanding af 50,0 vægtdele -8+12 masker koboltcementeret wolframcarbid, 50,0 vægtdele 100 masker AISI 304L rustfrit stålpulver og 10 vægtdele bindemidler (Chloruthen Nu og 0,75 ethylcellulose).

30 Det rustfrie stålmatrixpulver indeholdende dén for delte hårde carbidfase blev pakket i en polyurethanform formgivet til pladedimensionerne. Formen blev derpå forseglet, anbragt i en gummipose, som blev evakueret og forseglet og derpå isostatisk presset ved 241 x 106 Pa. Den 35 sammenpressede plade blev efter at være fjernet fra gum-miposen og formen sintret i en vakuumovn ved 1150'C i 60 10

DK 162881 B

minutter.

De boremodstandsdygtige plader blev så anbragt i forsiden, bagsiden og siderne af bokshul rummet i en form.

Fig. 3 viser et snit gennem en sandform 30 med et hulrum, 5 der er dannet mellem en overpart 32 og en underpart 34. Sintrede plader 12 er vist holdt på plads i sidevægshulrummene af søm 36 og 40, som er indsat i underparten 34 af formen 30. Der er blevet lagt cementerede carbidpartikler 42 på hulrummets bundflade. Forud for anbringelse af over-10 parten 32 på underparten 34 blev de cementerede partikler 42 og pladerne 12 forvarmede. Overparten 32 blev derpå anbragt i underparten 34, og flydende lavtlegeret 4240 stål blev udstøbt i formhulrummet.

Formålet for opfindelsen ved denne sikkerhedsanven-15 delsé er at forsyne pengeboksen med 3 mm tykke plader af sintret rustfrit stål og cementeret carbid omsluttet med stål til beskyttelse mod indtrængning af bor.

Det er yderligere et formål for og et nyt træk hos denne opfindelse, at ved fremstillingen af pengeboksen vil 20 pladen eller pladerne bibeholde deres facon og carbidpartik-lerne forblive ensartet fordelt i pladerne, når der støbes flydende stål omkring dem, som udfylder det resterende boks-væghulrum. Efter ødelæggelsen af to 3 mm murbor var frontafsnittet 14 af den i fig. 1 viste sikkerhedsboks ikke gen-25 nemtrængt.

Fig. 2 viser et snit gennem pengeboksen indeholdende plader af carbid og rustfrit stål. Der forekom en lille smeltning af det rustfrie stål, når den flydende stållegering blev støbt omkring den sintrede plade af rustfrit stål og 30 carbid, og carbiderne forblev ensartet fordelt i pladen 12.

Der forekom meget ringe carbidnedbrydning og et minimum af skøre faser ved skillefladerne mellem carbid og 4340 stål.

Der frembragtes en metallurgisk binding mellem den austeni-tiske struktur af det rustfrie stål og den støbte 4340 stål-35 struktur. Carbidpartiklerne 42 i bundvæggen 20 af boksen kan erstattes af plader, som er identiske med eller ligner 11

DK 162881 B

de, der er vist i sidevæggene 22.

Eksempel nr. 3.

Der blev fremstillet 4 mm tykke, bore- og slagmod-5 standsdygtige plader. Femten plader bestod af en ensartet blandet blanding af 60 vægtdele 2,4 til 3 mm koboltcementerede wolframcarbidpartikler, 40 vægtdele minus 100 masker rustfrit 304L stålpulver, 2 vægtdele chlorethen Nu, l vægtdel ethylcellulose og 1/4 vægtdel armidovoks. En anden gruppe 10 på 15 plader blev fremstillet med 70 vægtdele 2,4 til 3 mm cementerede carbidpartikler og 30 vægtdele (-100 masker) rustfrit 304L stålpulver blandet på lignende måde. Armido-voksen og ethylcellulosen blev tilsat pulverblandingen under blandingen som et pressesmøresmiddel for at forhindre seg-15 regation af carbidpartiklerne under blanding af fyldning af formen. Dernæst pakkedes matrixpulveret indeholdende den fordelte, hårde carbidfase i en forformeform fremstillet af polyurethan. Den pakkede form med et passende monteret låg blev så forseglet og anbragt i en gummipose eller ballon, 20 som blev evakueret, forseglet og isostatisk presset ved ca.

241 x 10® Pa. Pladerne blev derpå sintrede i en vakuumovn ved 1150 * C i 60 minutter.

Disse plader kan nu indgå i et støbeemne under anvendelse af den tidligere beskrevne støbemetode eller en hvilken 25 som helst kendt støbemetode.

Claims (1)

1. DK 162881 B PATENTKRÅV. Fremgangsmåde til fremstilling af et sejt, slidbestandigt formlegeme med en sintret, gennemboringssikret del, som indeholder hårdmetalpartikler, der er bundet i en matrix 5 af rustfrit stål og i det væsentlige er anbragt inden i denne matrix, idet den gennemboringssikrede del i det mindste delvis er indlejret i en yderligere matrix af støbestål og bundet til denne, ved sammenpresning af en blanding af hård-metalpartiklerne og et sinterstålpulver af rustfrit stål 10 til et presseemne, sintring af presseemnet og støbning af en stålsmelte om pressemnet, kendetegnet ved, at 30 til 80 vægtprocent hårdmetalpartikler af wolframcarbid og kobolt og/eller nikkel som bindemiddel med en partikelstørrelse mellem 1,68 og 3,3 mm sammenblandes med 20 til 70 15 vægtprocent pulverformigt rustfrit stål, og at pulverblandingen sammenpresses ved et tryk på mere end 68,9 x 106 Pa og sintres ved en temperatur mellem 1038 og 1232°C i 20 til 90 minutter.