DE10302313A1

DE10302313A1 - Formkörper sowie Verwendungen desselben

Info

Publication number: DE10302313A1
Application number: DE2003102313
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Morlok
Original assignee: VERSCHLEIS TECHNIK DR ING HANS; Verschleiss-Technik Dr-Ing Hans Wahl & Co GmbH
Current assignee: VERSCHLEIS TECHNIK DR ING HANS; Verschleiss-Technik Dr-Ing Hans Wahl & Co GmbH
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Ein Formkörper (10), der zur Befestigung als abrasions- und hitzebeständiger Verschleißschutz an einer Tragstruktur vorgesehen ist, umfaßt einen metallischen Grundkörper (12) mit mehreren Ausnehmungen (16) und in die Ausnehmungen (16) eingelassene Keramikkörper (18). Die Keramikkörper (18) heben sich jeweils teilweise von der Oberfläche (14) des Grundkörpers (12) nach außen ab. In den Ausnehmungen (16) ist ein Stoffgemisch (28) enthalten, das den Grundkörper (12) mit den Keramikkörpern (18) verbindet und durch Aufschmelzen eines Gemischs erhalten ist, das zu 90% bis 98% aus einem Hartlot und im übrigen aus einem sauerstoffbindenden Material besteht. Auf Grund seiner hohen Abrasions- und Hitzebeständigkeit hat der Formkörper (10) eine hohe Lebensdauer und ist besonders geeignet als Verschleißschutz für einen Rostbalken eines Sinterbrechers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper zur Befestigung als abrasions- und hitzebeständiger Verschleißschutz an einer Tragstruktur mit einem metallischen Grundkörper sowie Verwendungen desselben.
In vielen Bereichen der Technik, insbesondere im Bereich der mechanischen Aufbereitung bei höheren Temperaturen, sind die verwendeten Werkstoffe sowohl einem hohen Verschleiß (Materialabtrag an der Oberfläche) als auch einer starken Korrosion (Materialveränderung an der Oberfläche) ausgesetzt. So sind beispielsweise in den Verbrennungsöfen von Heizkraftwerken die Heizschlangen mechanisch und thermisch hoch belastet. Entsprechendes gilt auch für Klinkerkühlerplatten, die in der Zementindustrie in der Verarbeitung des heißen Klinkers verwendet werden, der aus dem Drehrohrofen herausfällt und anschließend zerkleinert und gekühlt wird. Ähnliche Verhältnisse finden sich im Hochofenbereich. Dort werden Sinterbrechersterne zur Agglomeration von feinkörnigen Erzen zu Sinter sowie Heißsiebe verwendet, die dem Sinterbrecher im Verfahrensablauf nachfolgen.
Die Verschleißbeanspruchung erfolgt dabei im wesentlichen durch Abrasion, d.h. durch mechanischen Abrieb durch harte Gegenkörper. Unter den Korrosionserscheinungen ist bei hohen Temperaturen in der Regel die Verzunderung vorherrschend, worunter die Oxidation der Oberfläche durch den Sauerstoff der Umgebungsluft verstanden wird.
Bislang werden als Werkstoffe für die vorstehend beispiel haft aufgeführten Maschinenteile üblicherweise hitzebeständige Gußlegierungen verwendet, z.B. Fe-Cr-Ni-Stähle, teilweise mit Zusätzen von Aluminium.
Eine Möglichkeit, Maschinenteile gegen vorzeitige Abnutzung zu schützen, besteht in der Auftragschweißung mit hochchrom- oder sonderkarbidhaltigen Werkstoffen, wie z.B. mit einem Schweißzusatz, der im reinen Schweißgut ca. 5,5% Kohle, ca. 22% Chrom, ca. 7% Niob, ca. 3% Wolfram und ca. 3% Molybdän aufweist.
Diese bekannten Werkstoffe weisen jedoch dann Schwächen auf, wenn sie gleichzeitig einer hohen Abrasion und einer starken Verzunderung ausgesetzt sind.
So sind die hitzebeständigen Stähle weder bei Raumtemperatur noch bei höheren Temperaturen ausreichend abrasionsbeständig. Die hochchrom- und sonderkarbidhaltigen Werkstoffe andererseits weisen Analysebestandteile auf, die zu einer sehr starken Oxidation an der Oberfläche bei höheren Temperaturen führen. Dadurch kommt es zur Ausbildung niedrigschmelzender Oxide, wie z.B. Molybdänoxid und Vanadinoxid, mit Schmelzpunkten teilweise unter 700°C. Andererseits zerfällt das Gefüge derartiger Werkstoffe bei Temperaturen oberhalb von 700°C in der Matrix in sehr weichen Ferrit, der gleichfalls keinerlei Abrasionsbeständigkeit gegenüber Mineralien wie heißem Sinter aufweist. Dieser ist zwar bei 1100°C ebenfalls nicht sehr hart; weil er an den Kontaktflächen jedoch stark abkühlt, kann er dort bei den verwendeten Werkstoffen eine hohe Abrasion hervorrufen.
Infolge der vorstehend genannten Eigenschaften haben die bislang betrachteten Werkstoffe daher eine vergleichsweise kurze Lebensdauer, wenn sie bei hohen Temperaturen abrasiv stark belastet werden.
Aus diesem Grund kommen von den unterschiedlichen Werkstoffgruppen eigentlich nur Keramikwerkstoffe für Anwendungen in Frage, bei denen die Maschinenteile gleichzeitig sowohl hohen mechanischen als auch abrasiven Belastungen ausgesetzt sind. Keramikwerkstoffe haben andererseits jedoch den Nachteil, daß sie sich bei den hier ins Auge gefaßten Anwendungsfällen nur schwer an Tragstrukturen befestigen lassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deswegen, einen Formkörper der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine besonders lange Lebensdauer unter hohen thermischen und abrasiven Belastungen aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem metallischen Grundkörper mehrere Ausnehmungen vorgesehen und in die Ausnehmungen Keramikkörper eingelassen sind, die sich jeweils teilweise von der Oberfläche des Grundkörpers nach außen abheben, und daß in den Ausnehmungen ein Stoffgemisch enthalten ist, das den Grundkörper mit den Keramikkörpern verbindet und durch Aufschmelzen eines Gemischs erhalten ist, das zu 90% bis 98%, vorzugsweise zu 96%, aus einem Hartlot und im übrigen aus einem sauerstoffbindenden Material, z. B. einem Metall wie etwa Aluminium, Silizium oder Eisen, besteht.
Bei dem erfindungsgemäßen Formkörper wird somit die Kontaktfläche, die den hohen Temperaturen und der Abrasion ausgesetzt ist, zu einem größeren Teil von den sich von der Oberfläche des Grundkörpers abhebenden Keramikkörpern gebildet. Daher hat der Formkörper sehr günstige Eigenschaften in Bezug auf die Temperatur- und Abrasionsbeständigkeit.
Das normalerweise vorhandene Problem der Befestigung von Keramikwerkstoffen an Tragstrukturen wird hier durch zweierlei Maßnahmen gelöst. Zum einen führt der Formschluß, den das Einsetzen der Keramikkörper in die Ausnehmungen des Grundkörpers mit sich bringt, dazu, daß ein Teil der auftretenden Kräfte ohne nennenswerte Beanspruchung des Stoffgemischs abgeleitet werden kann, das den Grundkörper mit den Keramikkörpern verbindet.
Außerdem ist festgestellt worden, daß durch die besondere Wahl des Stoffgemischs eine hochfeste Verbindung zwischen den Keramikkörpern und dem Grundkörper erzielbar ist, die sich zudem mit einfachen Mitteln und kostengünstig herstellen läßt. Durch den Bestandteil an sauerstoffbindendem Material in dem aufzuschmelzenden Stoffgemisch wird eine Oxidation des Hartlots während des Aufschmelzens weitgehend verhindert.
Damit das Hartlot nicht während des Herstellungsprozesses mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft reagiert, der insoweit in Konkurrenz zu in den Keramikkörpern ggf. enthaltenen Sauerstoff tritt, sollte das Aufschmelzen möglichst unter Ausschluß oder verringerter Zufuhr der Umgebungsluft stattfinden. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Formkörper in den Räumen, die zwischen den Keramikkörpern und dem Grundkörper liegen, von Hause aus weitgehend gegeben. Ergänzend kommt in Betracht, den Formkörper bei der Herstellung in einem Gehäuse zu kapseln, so daß nach Verbrauch des vorhandenen Restsauerstoffs, der noch in dem Gehäuse vorhanden ist, kein Sauerstoff mehr als Reaktionspartner für das Hartlot vorhanden ist.
Der Grundkörper des Formkörpers kann beispielsweise aus Stahlguß oder einer hitzebeständigen Gußlegierung wie etwa Fe-Cr-Ni-Stahl, ggf. mit Aluminiumzusatz, bestehen. Die Ausnehmungen lassen sich dann im Prinzip mit Hilfe einer geeigneten Gußform herstellen. Möglich ist aber auch die Verwendung von duktilen Stählen.
Besonders bevorzugt ist es aber, wenn die Ausnehmungen als Sackbohrungen ausgeführt sind. Die Einbringung der Ausnehmungen mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs hat den Vorteil, daß die Ausnehmungen auf diese Weise eine höhere Maßhaltigkeit aufweisen. Auf diese Weise läßt sich der Sitz von Keramikkörpern mit Kreis- oder zylindrischen Umfangsflächen verbessern.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der sich von der Oberfläche des Grundkörpers abhebende Teil der Keramikkörper zumindest annähernd halbkugelförmig. Dies führt zu einer besonders hohen Schlagfestigkeit der Keramikkörper.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist der Keramikkörper im wesentlichen pillenförmig.
Der zylindrische Mittelabschnitt der Pille ist besonders gut geeignet, um in eine zylindrische Bohrung paßgenau, insbesondere auch in einem Preßsitz, eingesetzt zu werden. Das eine halbkugelförmige Ende der Pille ragt dann in die Ausnehmung hinein und verbindet sich bei der Herstellung des Formkörpers mit dem vorher eingefüllten Gemisch, während das andere halbkugelförmige Ende der Pille sich von der Oberfläche des Grundkörpers nach außen abhebt und die von außen einwirkenden Belastungen aufnimmt. Solche pillenförmigen Keramikkörper sind außerdem sehr preisgünstig als Schüttgut erhältlich.
Bei dem Hartlot kann es sich beispielsweise um ein Lot nach der DIN 8513 handeln. Derartige Hartlote schmelzen bei Temperaturen von etwa 900°C oder darüber und stellen dabei eine Verbindung zwischen verschiedenen metallischen Werkstoffen her.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das Hartlot Kupfer, insbesondere eine Kupfer-Nickel-Verbindung, enthält. Geeignet sind auch Silber enthaltende Hartlote wie etwa Ag₆₄CuInNiMn oder nickelhaltige Hartlote wie NiCrB.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Formkörpers als Verschleißschutz für einen Rostbalken eines Sinterbrechers, für einen Sinterbrecherstern, für eine Klinkerkühlerplatte oder für ein Heißsieb.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Formkörpers mit einer Vielzahl nach oben weisender Keramikkörper;
2 einen vergrößerten Schnitt durch den Formkörper aus 1 entlang der Linie II-II.
Der insgesamt mit 10 bezeichnete Formkörper hat einen im wesentlichen quaderförmigen Grundkörper 12 aus Stahlguß, der an seiner in der Zeichnung nach oben weisenden Oberfläche 14 mit einer Vielzahl von regelmäßig zueinander angeordneten Ausnehmungen 16 versehen ist. Bei den Ausnehmungen 16 handelt es sich um Sackbohrungen, die mit Hilfe eines hierfür geeigneten Bohrwerkzeugs in den Grundkörper 12 eingebracht worden sind.
In jede der Ausnehmungen 16 ist ein pillenförmiger Keramikkörper 18 eingelassen, der mit einem zylindrischen Umfangs abschnitt 20 im Preßsitz an der Innenwandung 22 der Ausnehmung 16 anliegt. Der Keramikkörper 18 ist dabei so weit in die Ausnehmung 16 eingeschoben, daß ein halbkugelförmiges Ende 24 des Keramikkörpers 18 sich von der Oberfläche 14 des Grundkörpers 12 nach außen abhebt. Die Keramikkörper 18 können z. B. aluminium- oder zirkonhaltige Oxide, aber auch nichtoxidische Bestandteile wie etwa Siliziumcarbid (SiC) enthalten.
Das andere Ende 26 des Keramikkörpers 18 ragt in die Ausnehmung 16 hinein.
In der Ausnehmung 16 ist ein Stoffgemisch 28 enthalten, das sowohl an der Innenwand 22 der Ausnehmung 16 als auch an dem unteren Ende 26 des Keramikkörpers 18 fest anhaftet. Das Stoffgemisch 28 ist durch Aufschmelzen eines Gemischs aus 4% metallischen Aluminiums und 96% als Hartlot verwendetem NiCrB erhalten, wie dies unten näher beschrieben wird.
Bei der Verwendung des Formkörpers 10 als abrasions- und hitzebeständiger Verschleißschutz, z.B. für einen Rostbalken eines Sinterbrechers, wird der Grundkörper 12 aus Stahlguß mit einer Tragstruktur des Rostbalkens verschweißt. Die während des Betriebs des Rostbalkens auftretenden mechanischen Belastungen werden hauptsächlich von den sich von der Oberfläche 14 abhebenden halbkugelförmigen Enden 24 der Keramikkörper 18 aufgenommen. Infolge der Halbkugelform sind die von Hause aus eher spröden Keramikkörper sehr schlagfest. Ferner ist die im wesentlichen von den Keramikkörpern 18 gebildete Kontaktfläche des Formkörpers 10 auf Grund der Materialeigenschaften von Keramik sehr beständig gegenüber hohen Temperaturen und starker Abrasion.
Der Formkörper 10 kann beispielsweise mit Hilfe des folgenden Verfahrens hergestellt werden:
Zunächst werden auf einer Seite des quaderförmigen Grundkörpers 12 mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs eine Vielzahl von Sackbohrungen erzeugt, die die Ausnehmungen 16 bilden. Anschließend wird in jede der Ausnehmungen 16 das bereits erwähnte Gemisch aus Aluminium und NiCrB als Heißlot eingefüllt. Dann wird in jede der teilbefüllten Ausnehmungen 16 ein Keramikkörper 18 bis zur gleichen Tiefe eingedrückt, so daß alle oberen halbkugeligen Enden 24 in gleichem Maße über die Oberfläche 14 überstehen.
Der Grundkörper 12 mit den darin eingelassenen Keramikkörpern 18 wird nun kopfüber auf eine Unterlage gestellt, so daß das eingefüllte Stoffgemisch den zwischen dem unteren Ende 26 des Keramikkörpers 18 und der Innenwand 22 der Ausnehmung 16 umlaufenden Ringspalt auffüllt. Sodann wird der Grundkörper 12 mit den Keramikkörpern 18 und dem eingefüllten Stoffgemisch in einen Ofen verbracht und auf eine Temperatur von etwa 1100°C erhitzt. Bei der Erwärmung oxidiert das Aluminium unter Verbrauch des in den Ausnehmungen 16 vorhandenen Luftsauerstoffs.
Bei weiterer Temperaturerhöhung lockert sich der Preßsitz der Keramikkörper 18 in den Ausnehmungen 16 etwas, da der Grundkörper 12 einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Keramikkörper 18 hat. Der zwischen der Ausnehmung 16 und den Keramikkörpern 18 verbleibende Hohlraum bleibt aber druckdicht gegenüber der Umgebung verschlossen, so daß sich in ihm ein Überdruck aufbauen kann.
Bei Temperaturen von etwa 1100°C verflüssigt sich das Hartlot und stellt eine Verbindung zwischen den Keramikkörpern 18 und dem metallischen Grundkörper 12 über dessen Innenwand 22 her.

Claims

Formkörper zur Befestigung als abrasions- und hitzebeständiger Verschleißschutz an einer Tragstruktur mit einem metallischen Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß in dem metallischen Grundkörper (12) mehrere Ausnehmungen (16) vorgesehen und in die Ausnehmungen (16) Keramikkörper (18) eingelassen sind, die sich jeweils teilweise von der Oberfläche (14) des Grundkörpers (12) nach außen abheben, und daß in den Ausnehmungen (16) ein Stoffgemisch (28) enthalten ist, das den Grundkörper (12) mit den Keramikkörpern (18) verbindet und durch Aufschmelzen eines Gemischs erhalten ist, das zu 90 % bis 98 % aus einem Hartlot und im übrigen aus einem sauerstoffbindenden Material besteht.
Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch zu 96 % aus Hartlot besteht.
Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffbindende Material ein Metall, insbesondere Aluminium, Silizium oder Eisen, ist.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) aus Stahlguß besteht.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (16) Sackbohrungen sind.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sich von der Oberfläche (14) des Grundkörpers abhebende Teil (24) der Keramikkörper (18) zumindest annähernd halbkugelförmig ist.
Formkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (18) im wesentlichen pillenförmig ist.
Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hartlot um ein Lot nach der deutschen Industrienorm 8513 handelt.
Formkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot Kupfer, insbesondere eine Kupfer-Nickel-Verbindung, enthält.
Formkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot Silber, insbesondere Ag₆₄CuInNiMn, enthält.
Formkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot Nickel, insbesondere NiCrB, enthält.
Verwendung eines Formkörpers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Verschleißschutz für einen Rostbalken eines Sinterbrechers.
Verwendung eines Formkörpers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Verschleißschutz in einem Sinterbrecherstern.
Verwendung eines Formkörpers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Verschleißschutz für eine Klinkerkühlerplatte.
Verwendung eines Formkörpers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Verschleißschutz für ein Heißsieb.