EP1135226B1 - Verbundgussteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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EP1135226B1
EP1135226B1 EP99964403A EP99964403A EP1135226B1 EP 1135226 B1 EP1135226 B1 EP 1135226B1 EP 99964403 A EP99964403 A EP 99964403A EP 99964403 A EP99964403 A EP 99964403A EP 1135226 B1 EP1135226 B1 EP 1135226B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
matrix
insert part
insert
composite casting
composite
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99964403A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1135226A1 (de
Inventor
Andreas Güntner
Jürgen SCHÄDLICH-STUBENRAUCH
Jens Schreiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Otto Junker GmbH
Original Assignee
Otto Junker GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Otto Junker GmbH filed Critical Otto Junker GmbH
Publication of EP1135226A1 publication Critical patent/EP1135226A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1135226B1 publication Critical patent/EP1135226B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Definitions

  • the invention relates to a composite casting with a metallic matrix and at least one In the matrix located, purely metallic, melt metallurgically produced insert, wherein the at least one insert at least partially an open-pore sponge structure and the pores of the insert substantially completely of the material of the matrix are filled.
  • the invention further relates to a method for producing a Composite casting of the aforementioned type, wherein the material of the matrix by casting in the Insert is introduced.
  • the sponge structure of the insert consists essentially of statistically in space distributed ridges converging at junctions. Especially in relation to Volume very large surface of the insert as well as the good heat transfer between the Allow insert and the liquefied matrix material when pouring the insert an intensive material connection between insert and matrix. But even without material Connection can in the case of pure positive connection due to the variety of webs and the small pore size ensures a stable anchoring of the insert in the matrix become.
  • the use of the porous sponge structures allows in particular the use high-strength metal alloys as material for the insert.
  • the inserts can be used in almost can be made of any shapes and therefore hardly limit the possible forms of Verbundgußmaschine. With the insert, the properties of the composite casting in desired way to be influenced.
  • the statistical distribution of the webs of the insert in Space causes the influence of the insert designed independently of spatial directions can be, so for example, an isotropic material reinforcement can be achieved.
  • the finely branched open-pored sponge structure contributes significantly to the fact that the matrix material makes an intimate connection with her without the insert preheated or would have to be coated. This behavior is also to be reinforced with thin-walled Ensures composite castings.
  • the volume fraction of the insert on the composite casting can from 3% to 95%.
  • the composite casting may be advantageous for the production of Grate bars, shredder hammers, grinding plates, sliding bushes, bearing shells, machine guides and the like can be used.
  • a composite casting of the aforementioned type and a method for its production is known from DE 34 18 405 A1, where the matrix material consists of an aluminum alloy.
  • the molten matrix material is at a pressure of at least 392 bar and kept at a temperature of about 450 to 550 ° C for 1 to 10 hours.
  • JP 06 106 329 Patent Abstracts of Japan Vol 018, No. 380
  • a composite casting of mentioned type and a method for its production in which also the matrix material is poured under high pressure into the cells of the porous insert.
  • a composite casting with metallic matrix and at least one in the matrix, purely metallic insert produced by fusion metallurgy is known from EP 0 419 684 A1 known. It discloses a casting provided as a friction element of a friction pair, in which the insert is a three-dimensional framework of wear-resistant material, which is arranged at least in the zone of the friction surface. The friction surface has a regular micro-relief, which projects through the matrix and over its surface Front end of the framework is formed.
  • the scaffolding can be under be formed in the form of a cell structure or a corrugated tape. It is discloses to make these structures by forming massive metal bands. Especially at the cell structure is this approach, especially in the case of cell sizes in the Order of magnitude of a few millimeters, very expensive. Brittle and high-strength metals or Metal alloys are not suitable for this purpose.
  • composite castings are known (DE 42 11 199 A1), in which the insert from consists of perforated metal sheets enclosed hard metal balls or hard particles. From such sheets can also by setting welds a so-called alloy box, Contains the hard particles, made as an insert and cast around.
  • carrier cores and perforated sheets has the particular disadvantage that the contour of the composite casting is not or only consuming can be displayed as desired and built the inserts of several items and need to be connected to each other.
  • porous, open-pore metallic sponge structures are known. It is disclosed, these structures for producing an implant as a bone substitute or also within filters. Such a structure is further from DE 28 43 316 A1 in which it is disclosed, these for heat exchangers, mixers or separators for liquids and / or gases, sound absorbing or insulating material, damper material, catalysts, Flame extinguishing materials, wick materials for heat pipes, decorating materials, etc. use.
  • the use of such structures within composite castings is of the foregoing Publications neither known nor suggested.
  • metal foams are known (J. Banhart et al., Aluminum 1994 3/4, p a mixture of a metal powder are prepared with a blowing agent. The pressed and in a desired form brought mixture is for this purpose to a temperature above the Melting point of the metal brought. In this case, the propellant releases a gas, causing the Foam structure of the material is formed.
  • the foam structure is characterized in contrast to Sponge structure through closed pores. The located within the foam body Pores can thus not form a composite material by another material be filled.
  • the described prior art has the disadvantage that it is between the material of Matrix and the material of the insert to voltages, e.g. due to different Thermal expansion coefficient can come, which adversely affects the properties of Composite or even damage it.
  • the present invention is based on the object of a composite casting of the aforementioned To provide a type in which stresses between the material of the matrix and the material of the at least one insert can be minimized, and a method for his To perform production.
  • This object is achieved in a composite casting of the type mentioned in that the transitions between the material of the at least one insert and the material of the Matrix are graded substantially steadily.
  • Various combinations of metals or metal alloys essentially allow one continuous transition from the matrix material to the material of the insert, i. from a footbridge of Initially inserting an insert of alloy material and closes Matrix material, in which with increasing distance to the bridge, the concentration of the Matrix material increases until the latter is present in substantially pure form. This can be the case suitable temperature and amount of einzug manenden material alone by the Casting arise.
  • a gradation of the transitions could be, for example, by a brief melting of the Einlegeteilober Assembly when pouring the matrix material be achieved.
  • the strength of the graded transition can be controlled by tempering the Insertion and / or a control of the cooling of the freshly cast composite casting to be influenced.
  • a graded matrix transition is ensured together with, if necessary small pore sizes of a few millimeters or less, that stresses for example be minimized due to different thermal expansion coefficients.
  • the composite casting according to the invention can also be designed so that the Melting temperature of the matrix material, the melting temperature of the material of at least exceeds an insert. It is a surprising effect that even with a share of Matrix material up to 95Vol% in the area of the sponge structure and at Melting temperature differences up to 200 ° C, the insert is not when pouring with the Matrix material is melted. Possibly form during the pouring of the Insert part due to the high temperature differences by deterrent protective Trays of the matrix material around the bars around. Anyhow, show microscopic Grinding analyzes the stock of the webs in the finished composite casting also in the above-mentioned Material and quantity combinations.
  • the composite casting according to the invention can also be designed so that the at least one Inserted at least in some areas the surface of the composite casting interspersed. This may be particularly advantageous if primarily the surface of the composite casting is exposed to increased stress.
  • the composite casting according to the invention may be designed so that the at least an insert is arranged near the surface, at least in some areas, wherein the overlying Surface is formed solely by the material of the matrix Matrix material, the material of the insert, for example, against harmful influences environment, for example, corrosion. It may be useful by the Insertion alone to influence the near - surface areas in their properties, for Example to increase the rigidity of the material, if on the surface itself the properties of the matrix material are needed.
  • the composite casting according to the invention may also be advantageous to form the composite casting according to the invention such that the at least one insert made of a wear-resistant metal or a wear-resistant metal alloy and the matrix of a metal ductile to the at least one insert or a ductile metal alloy.
  • the composite casting on the one hand has a certain ductility
  • the structures the insert has a high wear resistance of the composite casting surface, for example at abrasive stress or when used under high temperatures or strong Temperature changes, ensure.
  • any other combination of properties can be selected be, for example, an insert made of a soft metal, such as nickel or Copper, and the matrix of a hard material, such as wear-resistant steel.
  • An insert made of a hard metal, for example stellite, can also be used with a hard matrix, For example, made of wear-resistant or heat-resistant steel.
  • the Choice of related materials for the insert and the matrix can be used for encapsulating the Sponge structure be very beneficial.
  • the composite casting according to the invention can advantageously also be designed so that the at least an insert is positioned alone in certain areas of the composite casting.
  • the Composite material can be limited solely to particularly stressed areas of the composite casting, For example, on a region with a friction surface. This can cost and Process costs are reduced.
  • composite casting according to the invention can also be designed so that the insert partly massive.
  • the composite casting according to the invention can also be designed so that at least one area formed by a portion of the insert increased area Wear resistance is provided, in which in the insert the pore size on average smaller and / or the web thickness is on average larger than in the remaining portion of the Insert. Due to the spatial variation of the pore size and / or the web thickness can local differences in the stress of the composite casting are taken into account.
  • the Pore size and / or the web thickness can vary graded.
  • Figure 1 shows a composite casting 1, which is shown partly in section, partly in the oblique view is.
  • This composite casting 1 contains in a limited area an insert 2 whose Structure the surface 3 of the composite casting 1 passes through.
  • This surface 3 is in use the composite casting 1 of an increased stress, for example by friction exposed.
  • the insert 2 consists of a hard Kobaltstellit, the abrasion resistance of the surface 3 increased.
  • the matrix 4 of the composite casting 1 consists of an austenite, so that the Compound casting also after its production still has a ductility which, if appropriate required transformations is sufficient.
  • Figure 2 shows an insert 2, which consists of a solid part 5 and a sponge-structured Part 6 is composed.
  • FIG. 3 shows the structure of the open-pore sponge structure of the metallic insert part 2.
  • the open porosity the structure ensures that cast metal penetrate the insert 2 well can.
  • a mutual alloy takes place for graded transitions between the insert 2 and the material of the matrix 4 (FIG. 1).
  • FIG. 4 shows a detail of a composite casting 9 with an insert 10, in which a Surface 11 has a regular lattice structure. This surface 11 forms simultaneously a portion of the surface 12 of the composite casting 9. The remaining part of the insert has the open-pore sponge structure already described above.
  • Figure 5 shows a Verbundgußteil 13, in which a positioned to Figure 4 in a corresponding manner Insert 14 is arranged.
  • this insert 14 has instead of the grid-structured Surface 11 ( Figure 4) a solid surface 15 of the material of the insert 14th on.
  • Inserts with metallic, open-pored sponge structure can also be used for high temperature resistant materials such as cobalt stellite.
  • starting material It serves a polyurethane foam with blistered cell membranes, that is with an open-pore Sponge structure. If necessary, this foam can be made by wax or a two-component Synthetic resin are thickened.
  • the model is made of polyurethane with a ceramic Molded material, for example a silicate bonded ceramic slip, or finished Forming compounds based on phosphate, surrounded. After setting of the molding material, the polyurethane foam Burned out and then by firing the ceramic mold the necessary strength awarded. The ceramic mold can then with the metallic high-temperature material be poured off.
  • differential pressure or centrifugal casting can be used become.
  • the ceramic mold can mechanically by water jet, sandblast or ultrasound removed or eliminated by chemical attack.
  • the sponge structure of the insert is encapsulated with the matrix material.
  • investment casting, gravity, low pressure and die casting processes can be used become.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundgußteil mit einer metallischen Matrix und mindestens einem in der Matrix befindlichen, rein metallischen, schmelzmetallurgisch hergestellten Einlegeteil, wobei das zumindest eine Einlegeteil zumindest zum Teil eine offenporige Schwammstruktur aufweist und die Poren des Einlegeteils im wesentlichen vollständig vom Material der Matrix ausgefüllt sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteils der vorgenannten Art, bei dem das Material der Matrix durch Gießen in das Einlegeteil eingebracht wird.
Die Schwammstruktur des Einlegeteiles besteht im wesentlichen aus statistisch im Raume verteilten Stegen, die in Knotenpunkten zusammenlaufen. Insbesondere die im Verhältnis zum Volumen sehr große Oberfläche des Einlegeteils sowie der gute Wärmeübergang zwischen dem Einlegeteil und dem verflüssigten Matrixmaterial beim Umgießen des Einlegeteils ermöglichen eine intensive stoffliche Verbindung zwischen Einlegeteil und Matrix. Doch auch ohne stoffliche Verbindung kann im Falle des reinen Formschlusses aufgrund der Vielzahl der Stege und der geringen Porengröße eine stabile Verankerung des Einlegeteils in der Matrix gewährleistet werden. Der Einsatz der porösen Schwammstrukturen ermöglicht insbesondere die Verwendung hochfester Metalllegierungen als Material für das Einlegeteil. Die Einlegeteile können in nahezu beliebigen Formen hergestellt werden und beschränken daher kaum die möglichen Formen der Verbundgußteile. Mit dem Einlegeteil sollen die Eigenschaften des Verbundgußteils in gewünschter Weise beeinflußt werden. Die statistische Verteilung der Stege des Einlegeteils im Raum bewirkt, dass der Einfluß des Einlegeteils unabhängig von Raumrichtungen gestaltet werden kann, also beispielsweise eine isotrope Werkstoffverstärkung erreichbar ist. Die feinverzweigte offenporige Schwammstruktur trägt wesentlich dazu bei, dass das Matrixmaterial mit ihr eine innige Verbindung eingeht, ohne daß hierfür das Einlegeteil vorgeheizt oder beschichtet werden müsste. Dieses Verhalten ist auch bei dünnwandigen zu verstärkenden Verbundgußteilen gewährleistet. Der Volumenanteil des Einlegeteils am Verbundgußteil kann von 3% bis zu 95% betragen. Das Verbundgußteil kann vorteilhaft für die Herstellung von Roststäben, Schredderhämmem, Mahlplatten, Gleitbuchsen, Lagerschalen, Maschinenführungen und dergleichen verwendet werden.
Ein Verbundgußteil der vorgenannten Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung ist aus der DE 34 18 405 A1 bekannt, wobei dort das Matrixmaterial aus einer Aluminiumlegierung besteht. Zur Herstellung wird das geschmolzene Matrixmaterial bei einem Druck von mindestens 392 bar eingebracht und 1 bis 10 Stunden auf eine Temperatur von etwa 450 bis 550 °C gehalten. Dabei soll sich eine Schicht aus einer intermetallischen Verbindung aus Aluminium und dem Metall des porösen Metallteils an der Grenze zwischen Einlegeteil und Matrix bilden. Des Weiteren ist aus der JP 06 106 329 (Patent Abstracts of Japan Vol 018, No. 380) ein Verbundgußteil der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, bei dem ebenfalls das Matrixmaterial unter hohem Druck in die Zellen des porösen Einlegeteils gegossen werden.
Der im Folgenden dargestellte Stand der Technik umfasst Einlegeteile, die keine offenporige Schwammstruktur aufweisen.
Ein Verbundgußteil mit metallischer Matrix und mindestens einem in der Matrix befindlichen, rein metallischen, schmelzmetallurgisch hergestellten Einlegeteil ist aus der EP 0 419 684 A1 bekannt. Darin ist ein als Friktionselement einer Reibpaarung vorgesehenes Gußteil offenbart, bei dem das Einlegeteil ein dreidimensionales Gerüst aus verschleißfestem Werkstoff ist, welches mindestens in der Zone der Reibfläche angeordnet ist. Die Reibfläche weist ein regelmäßiges Mikrorelief auf, welches durch die Matrix und das über deren Oberfläche ragende Stirnende des Gerüstes gebildet ist. Gemäß diesem Stand der Technik kann das Gerüst unter anderem in Form einer Zellenstruktur oder eines gewellten Bandes ausgebildet werden. Es ist offenbart, diese Strukturen durch Formung massiver Metallbänder herzustellen. Insbesondere bei der Zellenstruktur ist diese Vorgehensweise, insbesondere im Falle von Zellengrößen in der Größenordnung von einigen Millimetern, sehr aufwendig. Spröde und hochfeste Metalle bzw. Metallegierungen sind hierfür erst gar nicht geeignet.
Aus der DE 23 657 47 A1 sind Verbundgußteile bekannt, deren verschleißbeanspruchte Zonen durch Hartstoffteilchen gepanzert sind. Zur Herstellung dieser Verbundgußteile ist es offenbart, die Hartstoffteilchen in der Gußform nahe der verschleißbeanspruchten Oberfläche des Gußstükkes mit Abstand voneinander unverschiebbar zu befestigen und mit dem Matrixwerkstoff zu umgießen. Zur Anordnung der Hartstoffteilchen ist ein winkelförmiger Träger aus Lochblech vorgesehen, auf dem die Hartstoffteilchen befestigt sind. Um Hartstoffteilchen anordnen zu können, ist es des weiteren bekannt, eine diese Teilchen enthaltende Schicht auf Teile der Formoberfläche aufzutragen (DE 35 23 412 A1) oder mit einem Bindemittel zu vermischen und Konturen des Formhohlraumes damit zu bestreichen (DE 35 15 164 A1). Bei dem vorgenannten Stand der Technik unter Verwendung von Hartstoffteilchen ist es insbesondere nachteilig, dass mit vernünftigem Aufwand nur geringe und/oder ungleichmäßige Schichtdicken erreicht werden können. Zudem wird meist nur eine formschlüssige und keine stoffschlüssige Verbindung erzielt.
Es sind des weiteren Verbundgußteile bekannt (DE 41 12 000 A1 und DE 42 14 522 A1), zu deren Herstellung aus Hartstoff- oder Hartmetallteilchen bestehende Bausteine paketartig zusammengesetzt, in der Gießform arretiert und anschließend mit verflüssigten Basiswerkstoffen umgossen werden. Aus der DE 41 07 416 A1 ist ein Verbundgußteil bekannt, bei dem ein oder mehrere mit Hartstoffen und/oder Metallteilchen bewehrte Trägerkerne vorgesehen sind. Die Hartstoff- bzw. Hartmetallteilchen sind dabei durch ein Bindemittel untereinander und mit dem Trägerkern verbunden. Zur Herstellung des Verbundgußteiles, bei dem die Trägerkerne in die Gießform eingesetzt werden, sind thermisch beständige Kleber oder Bindemittel erforderlich.
Des weiteren sind Verbundgußteile bekannt (DE 42 11 199 A1), bei denen das Einlegeteil aus zwischen perforierten Blechen eingeschlossenen Hartmetallkugeln oder Hartstoffteilchen besteht. Aus solchen Blechen kann auch durch Setzen von Schweißpunkten eine sogenannte Legierbox, die Hartstoffteilchen enthält, als Einlegeteil hergestellt und umgossen werden. Der Stand der Technik unter Verwendung von Bausteinen, Trägerkernen und perforierten Blechen hat insbesondere den Nachteil, daß die Kontur des Verbundgußteiles nicht oder nur aufwendig beliebig dargestellt werden kann und die Einlegeteile aus mehreren Einzelteilen aufgebaut und miteinander verbunden werden müssen.
Aus der DE 39 17 033 C1 sind poröse, offenporige metallische Schwammstrukturen bekannt. Es wird offenbart, diese Strukturen zur Herstellung eines Implantates als Knochenersatz oder auch innerhalb von Filtern einzusetzen. Eine solche Struktur ist des weiteren aus der DE 28 43 316 A1 bekannt, in der es offenbart ist, diese für Wärmetauscher, Mischer oder Separatoren für Flüssigkeiten und/oder Gase, Schallabsorptions- oder Isoliermaterial, Dämpfermaterial, Katalysatoren, Flammenlöschmaterialien, Dochtmaterialien für Wärmerohre, Verzierungsmaterialien etc. zu verwenden. Der Einsatz derartiger Strukturen innerhalb von Verbundgußteilen ist aus den vorgenannten Druckschriften weder bekannt noch nahegelegt.
Des weiteren sind Verbundkörper mit metallischer Matrix und einem schwammstrukturierten Einlegeteil aus Keramik bekannt (DE 197 28 358 A1). Diese haben insbesondere den Nachteil, daß in der Regel die Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbundenen Materialien sehr unterschiedlich sind, was zu Problemen hinsichtlich der Stabilität der Verbundkörper führen kann. Außerdem ist die stoffliche Verbindung zwischen Einlegeteil und Matrixmaterial nicht gegeben.
Ferner sind Metallschäume bekannt (J. Banhart et al.; Aluminium 1994 3/4; S. 209), die aus einer Mischung eines Metallpulvers mit einem Treibmittel hergestellt werden. Die gepreßte und in eine gewünschte Form gebrachte Mischung wird hierfür auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls gebracht. Dabei setzt das Treibmittel ein Gas frei, wodurch die Schaumstruktur des Materials entsteht. Die Schaumstruktur kennzeichnet sich im Gegensatz zur Schwammstruktur durch geschlossenen Poren. Die innerhalb des Schaumkörpers befindlichen Poren können somit nicht zur Bildung eines Materialverbundes durch ein anderes Material gefüllt werden.
Der beschriebene Stand der Technik weist den Nachteil auf, dass es zwischen dem Material der Matrix und dem Material des Einlegeteils zu Spannungen z.B. aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten kommen kann, die sich nachteilig auf die Eigenschaften des Verbundkörpers auswirken oder diesen sogar schädigen können.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Aufgabe, ein Verbundgußteil der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem Spannungen zwischen dem Material der Matrix und dem Material des mindestens einen Einlegeteils minimiert werden können, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aufzuführen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verbundgußteil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Übergänge zwischen dem Material des zumindest einen Einlegeteils und dem Material der Matrix im Wesentlichen stetig gradiert sind.
Diverse Kombinationen von Metallen oder Metalllegierungen erlauben einen im wesentlichen stetigen Übergang vom Matrixmaterial zum Material des Einlegeteils, d.h. von einem Steg des Einlegeteils ausgehend schließt sich zunächst eine Legierung von Einlegeteilmaterial und Matrixmaterial an, bei der mit zunehmender Entfernung zum Steg die Konzentration des Matrixmaterials steigt, bis letzteres in weitgehend reiner Form vorliegt. Dies kann sich bei geeigneter Temperatur und Menge des einzugießenden Materials bereits allein durch den Eingießvorgang ergeben. Alternativ könnte eine Gradierung der Übergänge zum Beispiel durch ein kurzzeitiges Aufschmelzen der Einlegeteiloberfläche beim Eingießen des Matrixmaterials erreicht werden. Die Stärke des gradierten Übergangs kann über ein Temperieren des Einlegeteils und/oder eine Steuerung der Abkühlung des frisch gegossenen Verbundgußteils beeinflußt werden. Ein gradierter Matrixübergang gewährleistet zusammen mit gegebenenfalls geringen Porengrößen von wenigen Millimetern oder kleiner, dass Spannungen zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten minimiert werden.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann auch so ausgebildet sein, dass die Schmelztemperatur des Matrixmaterials die Schmelztemperatur des Materials des zumindest einen Einlegeteils übersteigt. Es ist ein überraschender Effekt, daß selbst bei einem Anteil des Matrixmaterials bis 95Vol% im Bereich der Schwammstruktur und bei Schmelztemperaturunterschieden bis 200°C das Einlegeteil nicht beim Umgießen mit dem Matrixmaterial aufgeschmolzen wird. Möglicherweise bilden sich beim Umgießen des Einlegeteils aufgrund der hohen Temperaturunterschiede durch Abschreckung schützende Schalen aus dem Matrixmaterial um die Stege herum. Jedenfalls zeigen mikroskopische Schliffanalysen den Bestand der Stege im fertigen Verbundgußteil auch bei den oben erwähnten Material- und Mengenkombinationen.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann auch so ausgebildet sein, daß das zumindest eine Einlegeteil zumindest in Teilbereichen die Oberfläche des Verbundgußteils durchsetzt. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn vornehmlich die Oberfläche des Verbundgußteils einer erhöhten Beanspruchung ausgesetzt ist.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbundgußteil so ausgebildet sein, daß das zumindest eine Einlegeteil zumindest in Teilbereichen oberflächennah angeordnet ist, wobei die darüberliegende Oberfläche allein vom Material der Matrix gebildet ist Durch die Abdeckung mittels des Matrixmaterials kann das Material des Einlegeteils beispielsweise gegen schädliche Einflüsse der Umgebung, zum Beispiel Korrosion, geschützt werden. Es kann sinnvoll sein, durch das Einlegeteil allein die oberflächennahen Bereiche in ihren Eigenschaften zu beeinflussen, zum Beispiel die Steifigkeit des Materials zu erhöhen, wenn an der Oberfläche selbst die Eigenschaften des Matrixmaterials benötigt werden.
Es kann auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verbundgußteil so auszubilden, daß das zumindest eine Einlegeteil aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metallegierung und die Matrix aus einer gegenüber dem zumindest einen Einlegeteil duktilen Metall oder einer duktilen Metallegierung besteht. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß das Verbundgußteil zum einen noch eine gewisse Duktilität aufweist, zum anderen aber die Strukturen des Einlegeteils eine hohe Verschleißfestigkeit der Verbundgußteiloberfläche, zum Beispiel bei abrasiver Beanspruchung oder beim Einsatz unter hohen Temperaturen oder starken Temperaturwechseln, gewährleisten.
Je nach Bedarf können auch nahezu beliebige andere Eigenschaftskombinationen ausgewählt werden, zum Beispiel ein Einlegeteil aus einem weichen Metall, wie beispielsweise Nickel oder Kupfer, und die Matrix aus einem harten Material, zum Beispiel verschleißbeständigem Stahl. Ein Einlegeteil aus einem harten Metall, zum Beispiel Stellit, kann auch mit einer harten Matrix, zum Beispiel aus verschleißbeständigem oder hitzebeständigem Stahl, kombiniert werden. Die Wahl artverwandter Materialien für das Einlegeteil und die Matrix kann für das Umgießen der Schwammstruktur sehr vorteilhaft sein.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann vorteilhaft auch so ausgebildet sein, daß das zumindest eine Einlegeteil allein in bestimmten Bereichen des Verbundgußteils positioniert ist. Der Materialverbund kann sich allein auf besonders beanspruchte Bereiche des Verbundgußteils beschränken, zum Beispiel auf einen Bereich mit einer Reibfläche. Hierdurch können Kosten- und Verfahrensaufwand reduziert werden.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verbundgußteil auch so ausgebildet sein, daß das Einlegeteil zum Teil massiv ist.
Das erfindungsgemäße Verbundgußteil kann schließlich auch so ausgebildet sein, daß mindestens ein von einem Teilbereich des Einlegeteils gebildeter Bereich erhöhter Verschleißbeständigkeit vorgesehen ist, in dem im Einlegeteil die Porengröße im Durchschnitt kleiner und/oder die Stegdicke im Durchschnitt größer ist als im übrigen Teilbereich des Einlegeteils. Durch die räumliche Variation der Porengröße und/oder der Stegdicke können lokale Unterschiede in der Beanspruchung des Verbundgußteils berücksichtigt werden. Die Porengröße und/oder die Stegdicke kann dabei gradiert variieren.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung wird die erfindungsgemäße Aufgabe beim Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Für das Gießen des Materials der Matrix in das Einlegeteil können z.B. die an sich bekannten Feingieß-, Schwerkraftgieß-, Niederdruckgieß- und Druckgießverfahren genutzt werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch Anspruch 11 gegeben.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbundgußteils sowie die Möglichkeit seiner Herstellung anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt schematisch
Fig. 1:
ein Verbundgußteil im Schnitt sowie in Schrägaufsicht,
Fig. 2:
ein Einlegeteil aus einem schwammstrukturierten und einem massiven Teil,
Fig. 3:
die offenporige Schwammstruktur eines Einlegeteils,
Fig. 4:
ein Verbundgußteil ähnlich zu Figur 1 mit einer gitterstrukturierten Oberfläche des Einlegeteils und
Fig. 5:
ein Verbundgußteil ähnlich zu Figur 1 mit einer massiven Oberfläche des Einlegeteils.
Figur 1 zeigt ein Verbundgußteil 1, das teils im Schnitt, teils in der schrägen Aufsicht dargestellt ist. Dieses Verbundgußteil 1 enthält in einem begrenzten Bereich ein Einlegeteil 2, dessen Struktur die Oberfläche 3 des Verbundgußteiles 1 durchsetzt. Diese Oberfläche 3 ist im Einsatz des Verbundgußteiles 1 einer erhöhten Beanspruchung, zum Beispiel durch Reibung, ausgesetzt. Das Einlegeteil 2 besteht aus einem harten Kobaltstellit, der die Abrasivbeständigkeit der Oberfläche 3 erhöht. Die Matrix 4 des Verbundgußteiles 1 besteht aus einem Austenit, so daß das Verbundgußteil auch nach seiner Fertigung noch eine Duktilität aufweist, die für gegebenenfalls erforderliche Umformungen hinreichend ist.
Figur 2 zeigt ein Einlegeteil 2, das aus einem massiven Teil 5 und aus einem schwammstrukturierten Teil 6 zusammengesetzt ist.
Figur 3 zeigt den Aufbau der offenporigen Schwammstruktur des metallischen Einlegeteiles 2. Eine Vielzahl im Raume statistisch verteilter Stege 7 treffen sich in Knotenpunkten 8. Die Offenporigkeit der Struktur gewährleistet, daß eingegossenes Metall das Einlegeteil 2 gut durchdringen kann. Bei gradierten Übergängen zwischen dem Einlegeteil 2 und dem Material der Matrix 4 (Fig. 1) erfolgt eine wechselseitige Legierung.
Die Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein Verbundgußteil 9 mit einem Einlegeteil 10, bei dem eine Oberfläche 11 eine regelmäßige Gitterstruktur aufweist. Diese Oberfläche 11 bildet gleichzeitig einen Teilbereich der Oberfläche 12 des Verbundgußteiles 9. Der übrige Teil des Einlegeteils weist die bereits oben beschriebene offenporige Schwammstruktur auf.
Figur 5 zeigt ein Verbundgußteil 13, in dem ein zu Figur 4 in entsprechender Weise positioniertes Einlegeteil 14 angeordnet ist. Dieses Einlegeteil 14 weist jedoch anstatt der gitterstrukturierten Oberfläche 11 (Figur 4) eine massive Oberfläche 15 aus dem Material des Einlegeteils 14 auf.
Einlegeteile mit metallischer, offenporiger Schwammstruktur können ohne weiteres auch für hochtemperaturfeste Materialien, wie Kobaltstellit, hergestellt werden. Als Ausgangsmaterial dient dabei ein Polyurethan-Schaum mit gesprengten Zellmembranen, das heißt mit einer offenporigen Schwammstruktur. Dieser Schaum kann bei Bedarf durch Wachs oder einen zweikomponentigen Kunstharz aufgedickt werden. Das Modell aus Polyurethan wird mit einem keramischen Formstoff, zum Beispiel einem silikatgebundenen keramischen Schlicker, oder fertigen Formmassen auf Phosphatbasis, umgeben. Nach dem Abbinden des Formstoffes wird der Polyurethan-Schaum ausgebrannt und anschließend durch Brennen der Keramikform die nötige Festigkeit verliehen. Die Keramikform kann dann mit dem metallischen Hochtemperaturwerkstoff abgegossen werden. Hierfür können Differenzdruck- oder Schleudergußverfahren eingesetzt werden. Die Keramikform kann mechanisch durch Wasserstrahl, Sandstrahl oder Ultraschall entfernt oder durch chemischen Angriff beseitigt werden. Zur Herstellung des Verbundgußteiles wird die Schwammstruktur des Einlegeteils mit dem Matrixmaterial umgossen. Zum Gießen können insbesondere Feingieß-, Schwerkraft-, Niederdruck- und Druckgießverfahren genutzt werden.
Bezugszeichenliste
1.
Verbundgußteil
2.
Einlegeteil
3.
Oberfläche
4.
Matrix
5.
massiver Teil des Einlegeteils
6.
schwammstrukturierter Teil des Einlegeteils
7.
Steg
8.
Knotenpunkt
9.
Verbundgußteil
10.
Einlegeteil
11.
Oberfläche des Einlegeteils
12.
Oberfläche des Verbundgußteils
13.
Verbundgußteil
14.
Einlegeteil
15.
Oberfläche des Einlegeteils

Claims (11)

  1. Verbundgußteil mit einer metallischen Matrix (4) und mindestens einem in der Matrix (4) befindlichen, rein metallischen, schmelzmetallurgisch hergestellten Einlegeteil (2,10,14), wobei das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) zumindest zum Teil eine offenporige Schwammstruktur aufweist und die Poren des Einlegeteils (2,10,14) im wesentlichen vollständig vom Material der Matrix (4) ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen dem Material des zumindest einen Einlegeteils (2,10,14) und dem Material der Matrix (4) im wesentlichen stetig gradiert sind.
  2. Verbundgußteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur des Matrixmaterials die Schmelztemperatur des Materials des zumindest einen Einlegeteils (2,10,14) übersteigt.
  3. Verbundgußteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) zumindest in Teilbereichen die Oberfläche (12) des Verbundgußteils durchsetzt.
  4. Verbundgußteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) zumindest in Teilbereichen oberflächennah angeordnet ist, wobei die darüberliegende Oberfläche (3) allein vom Material der Matrix (4) gebildet ist.
  5. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metallegierung und die Matrix (4) aus einem gegenüber dem zumindest einen Einlegeteil (2,10,14) duktilen Metall oder einer duktilen Metallegierung besteht.
  6. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (4) aus einem verschleißfesten Metall oder einer verschleißfesten Metallegierung und das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) aus einem gegenüber der Matrix (4) duktilen Metall oder einer duktilen Metallegierung besteht.
  7. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Einlegeteil (2,10,14) allein in bestimmten Bereichen des Verbundgußteiles positioniert ist.
  8. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlegeteil (2,10,14) zum Teil massiv ist.
  9. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein von einem Teilbereich des Einlegeteils (2,10,14) gebildeter Bereich erhöhter Verschleißbeständigkeit vorgesehen ist, in dem im Einlegeteil (2,10,14) die Porengröße im Durchschnitt kleiner und/oder die Stegdicke im Durchschnitt größer ist als im übrigen Teilbereich des Einlegeteils (2,10,14).
  10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteils gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, bei dem das Material der Matrix (4) durch Gießen in das Einlegeteil (2,10,14) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießtemperatur des Matrixmaterials derart gewählt wird, daß ohne weitere Maßnahmen die Übergänge zwischen dem Material des zumindest einen Einlegeteils (2,10,14) und dem Material der Matrix (4) weitgehend stetig gradiert ausgebildet werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießtemperatur des Matrixmaterials die Schmelztemperatur des Materials des zumindest einen Einlegeteils (2,10,14) übersteigt.
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