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DE2812650A1 - Verschleissfeste und korrosionsbestaendige legierung - Google Patents

Verschleissfeste und korrosionsbestaendige legierung

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DE2812650A1
DE2812650A1 DE19782812650 DE2812650A DE2812650A1 DE 2812650 A1 DE2812650 A1 DE 2812650A1 DE 19782812650 DE19782812650 DE 19782812650 DE 2812650 A DE2812650 A DE 2812650A DE 2812650 A1 DE2812650 A1 DE 2812650A1
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alloy
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tantalum carbide
cylinder
nickel
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Donald P Lomax
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BOGGS RONALD M
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BOGGS RONALD M
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Description

Meine Akte: L-43 90
Anmelder: Donald P. Lomax, 706 S. Waterville Lake Road,
Ocoriomowoc, Wise, USA 53066 und Ronald M. Boggs, Route 1, Box 56F, Mukwonago, Wise, USA 53149
Verschleißfeste .und korrosionsbestandxge Legierung
Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste und korrosionsbeständige Legierung, die insbesondere zur Auskleidung von Zylindern für Strangpressen und Spritzgußmaschinen geeignet ist.
Strangpressen und Spritzgußmaschinen wurden in den letzten Jahrzehnten in ansteigendem Ausmaß zur Herstellung von Profilen und Pormteilen aus Kunststoffen oder anderen Materialien verwandt. Dabei wird das betreffende Material durch Extruderschnekken durch speziell ausgebildete Formen gepreßt. Diese Extruderschnecken sind normalerweise in Stahlzylindern angeordnet.
Die grundsätzlichen Verfahren und Maschinen wurden bisher in vielfältiger Weise verbessert. Eine Schwierigkeit konnte jedoch in einer Anzahl praktisch interessierender Verwendungsfalle bisher nicht gelöst werden, nämlich die Erzielung einer zufriedenstellenden Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Stahlzylinder. Schwierigkeiten dieser Art werden insbesondere durch spezielle Füllstoffe für Kunststoffe verursacht. Viele derartiger Füllstoffe verursachen einen Abrieb, der zu einer verhältnismäßig starken Abnutzung der Zylinder und der Ex-
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hruderschnecken führt.
Eine gewisse Verringerung der Abnutzung konnte durch bi— metallische Zylinder erzielt werden (US-PS 2 049 913 und
2 046 914). Bei diesem bekannten Verfahren wird der Stahlzylinder in einer horizontalen Lage angeordnet und mit einer vorherbestimmten Menge einer Legierung gefüllt, deren Schmelzpunkt niedriger als der Schmelzpunkt des Zylinders selbst ist. Die Enden des Zylinders werden dann durch aufgeschweißte Kappen verschlossen und die Zylinder werden auf den Schmelzpunkt der zur Auskleidung dienenden Legierung erhitzt. Der Zylinder wird dabei schnell um seine Achse gedreht, um die geschmolzene Legierung entlang der Innenfläche des Zylinders durch Zentrifugalkräfte zu verteilen. Nach der Abkühlung des Zylinders werden die Kappen entfernt und durch Dreharbeiten oder dergleichen Nacharbeiten wird die Innenfläche der Auskleidung auf den gewünschten Durchmesser geglättet.
Zu diesem Zwecke bekannte Legierungen (US-PS 2 046 913) enthalten 2 1/2 bis 3 1/2 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,75 bis 1 1/2% Bor, 2 1/2 bis 6% Nickel, weniger als 1/2% Silicium und Spuren von Phosphor und Schwefel neben Eisen. Die Prozentangaben beziehen sich in dieser Beschreibung immer auf Gewichtsprozente .
Eine andere bekannte eisenhaltige Legierung (US-PS
3 658 515) enthält zwischen 3 und 3,9% Kohlenstoff, 0,75 bis 1,25% Bor, 1,2 bis 1,6% Mangan, 0,65 bis 1,1O% Silicium, 4,1 bis 5,0% Nickel, 0,9 bis -1,4% Chrom, bis zu 0,5% Molybdän und als Rest Eisen.
Derartige eisenhaltige Legierungen besitzen zwar eine Rockwell C-Härte im Bereich von etwa 58 bis 64 in ihrem durch Zentrifugalkräfte geformten Zustand, sowie eine gute Abriebfestigkeit gegenüber Füllstoffen für Kunststoffe. Andererseits besitzen derartige Lwgierungen aber eine verhältnismäßig geringe Korrosionsbeständigkeit. Der hohe Eisengehalt hat bei korrodierenden Bedingungen den Einfluß, daß einige Kunststoffe beim
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Extrudieren zersetzt werden können. Es wurden einige eisenhaltige Legierungen entwickelt, die verbesserte Korrosionseigenschaften aufweisen. Diese Legierungen hatten jedoch eine wesentlich geringere Härte.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurden eine Anzahl von eisenfreien Legierungen zum Auskleiden birne tall ischer Zylinder entwickelt. Derartige Legierungen enthalten etwa 40% Nikkei, 45% Kobalt, 8% Chrom und 3% Bor, dem kleinere Mengen von Kohlenstoff, Mangan u.Sil ic ium zugesetzt sind. Obwohl diese Legierungen eine bessere Korrosionsbeständigkeit besitzen, ist ihre Abriebfestigkeit für birnetallische Zylinder nicht ausreichend zufriedenstellend. Eine in letzter Zeit vorgeschlagene Modifikation von nicht eisenhaltigen Legierungen wird durch Vermischen von WoIframcarbidteileheη mit dem nicht eisenhaltigen Material beim Einbringen in den. Zylinder hergestellt. Eine typische Zusammensetzung dieser Art enthält 30 bis 40% Wolframcarbid, 20 bis 61% Nickel, bis zu 37% Kobalt, bis zu 12% Chrom, 1,3 bis 3,0% Bor und kleinere Mengen von Eisen, Silicium, Mangan und Kohlenstoff. Bei der Erzeugung von Zentrifugalkräften enthält die Wolframcarbidlegierung höhere Konzentrationen von diskreten Wolframcarbidteilchen angrenzend an die Zwischenfläche zwischen der Auskleidung und der Stahlunterlage. Die innenfläche der Auskleidung ist verhältnismäßig leicht zu bearbeiten und hat verhältnismäßig gute Eigenschaften hinsichtlich Abriebfestigkeit' und Korrosionsbeständigkeit. Da sich jedoch die Konzentration des WoIframcarbids entlang der Dicke der Auskleidung ändert,.wird eine ungleichmäßige Abnutzungsrate der Zylinder beim Gebrauch verursacht, und die diskreten Wolframcarbidteilchen wirken wie Schmirgelpapier auf die Extruderschnecken.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine verschleißfeste und korrosionsbeständige Legierung anzugeben, die besonders gut als Auskleidung für Strangpressen und Spritzgußmaschinen geeignet ist. Ferner soll eine derartige nicht eisenhaltige Legierung Tantalcarbid in einer Menge enthalten, die zur Herstellung einer Auskleidung ausreicht, die eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit entlang ihrer Dicke be-
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. 6·
sitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine Legierung gemäß der Erfindung, die zur Herstellung bimetallischer Zylinder geeignet ist, enthält deshalb etwa 10 bis 35 Gewichtsprozent Tantalcarbid in einer Nickel-Kobaltlegierung. Die bevorzugte Legierung enthält etwa 0,25 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 30,4 Gewichtsprozent Nickel, 0,55 Gewichtsprozent Mangan, 1,1 Gewichtsprozent Silicium, 6,3 Gewichtsprozent Chrom, 2,4 Gewichtsprozent Bor, 34 Gewichtsprozent Kobalt und etwa 25 Gewichtsprozent Tantalcarbid. Es wird angenommen, daß die Affinität von Tantal für Kohlenstoff den Kohlenstoffgehalt der Trägermatrix verringert, so daß sich eine Auskleidung ergibt, die gleichmäßige Abnutzungseigenschaften und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit besitzt.
Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung in einer verschleißfesten und korrosionsbeständigen Legierung zum Auskleiden von Zylindern für Strangpressen und Spritzgußmaschinen zu sehen, welche Tantalcarbid enthält, das mit einer Nickel-Kobaltlegierung vermischt ist. Die Auskleidung wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß eine Menge der Legierung in den Zylinder eingebracht und die Enden des Zylinders dann verschlossen werden. Der Zylinder wird dann über den Schmelzpunkt der Legierung erhitzt und mit hohen Djrehzahlen rotiert, um die Innenfläche des Zylinders unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften zu überziehen. Die Endkappen des Zylinders werden dann entfernt und es erfolgt dann eine Fertigbearbeitung, um einen genauen Durchmesser durch Drehen und Abziehen in an sich* bekannter Weise zu erzielen. Das der Grundlegierung zugesetzte Tantalcarbid hat eine Affinität für Kohlenstoff und tendiert dazu, den freien Kohlenstoff in der schließlichen Matrix zu reduzieren, so daß sich eine Auskleidung ergibt, die eine vorteilhafte Härte und Korrosionsbeständigkeit entlang ihrer Dicke aufweist.
Im folgenden soll die Erfindung beispielsweise näher er-
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läutert werden.
Die Tantalcarbid enthaltende Nickel-Kobaltlegierung gemäß der Erfindung kann aus den in der folgenden Tabelle enthaltenen Legierungen ausgewählt werden. Es ist jedoch in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, daß Spuren von anderen Elementen in diesen Legierungen enthalten sein können, so daß die angegebenen Bereiche von Gewichtsprozenten im Hinblick darauf als angenäherte Proportionen für die Legierungsmaterialien anzusehen sind.
Bestandteil Gewichtsprozent
Kohlenstoff 0,16 bis 0,35
Nickel 28,50 bis 34,60
Mangan 0,34 bis 0,75
Silicium 0,75 bis 1,90
Chrom 4,5O bis 7,50
Bor 2,25 bis 2,90
Kobalt 28,50 bis 42,00
Tantalcarbid 10,00 bis 35,00
Die bevorzugte nicht eisenhaltige Legierung gemäß der Erfindung enthält folgende Materialien, die in den angegebenen angenäherten Proportionen miteinander verschmolzen sind:
Bestandteil Gewichtsprozent
Kohlenstoff 0,25
Nickel 30,40
Mangan - 0,55
Silicium l#lO
Chrom 6'30
Bor 2'40
Kobalt 34'00
Tantalcarbid 25,00
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Obwohl es möglich ist, Tantalcarbid in fein verteilter Form dem Basismaterial aus Nickel und Chrom zum Zeitpunkt der Auskleidung des Zylinders zuzusetzen, besteht die bevorzugte Verwendung der Legierung darin, daß die Materialien miteinander verschmolzen werden, bevor die Auskleidung des Zylinders erfolgt. Nach der Herstellung der verschmolzenen Legierung wird diese in Tabletten unterteilt oder sonstwie gekörnt und anschließend zum Auskleiden des Zylinders verwandt.
Ein auszukleidender Stahlzylinder wird auf den gewünschten Innendurchmesser bearbeitet und dann wird die Legierung gemäß der Erfindung in dessen Innenraum eingesetzt. Die zur Auskleidung erforderliche Legierungsmenge wird normalerweise so ausgewählt, daß die Dicke des bei der Auskleidung hergestellten Überzugs zunächst etwas dicker als die schließliche gewünschte Dicke des Überzugs ist.
Der Zylinder wird dann an seinen Enden mit Metallplatten zugeschweißt und in einem Ofen auf die Schmelztemperatur der Legierung auf etwa 1149° (21OO°F) erhitzt. Der Zylinder wird dann aus dem Ofen entfernt und mit hoher Drehzahl auf Walzen rotiert, um die geschmolzene Legierung durch Zentrifugalkräfte entlang der Innenseite des StahlZylinders auszubreiten. Der mit einem Überzug versehene Zylinder wird während der Rotation abgekühlt und die gesamte Zylinderanordnung wird dann in ein Bett aus Isoliermaterial wie z.B. Sand, Quarz oder dergleichen gebracht, um eine gesteuerte Kühlung durchzuführen und eine gute Haftung an der Stahlunterlage zu gewährleisten, damit eine Rißbildung möglichst vollständig vermieden wird. Schließlich werden die Endkappen entfernt,, bevor die übliche erwähnte Nachbearbeitung erfolgt.
Die Eigenschaften einer derartigen Legierung sind in der folgenden Tabelle enthalten:
Makrohärte 49 bis 55 Rc
Mikrohärte - Karbide 1000 bis 1100
- Vickers-Matrix 52 Rc
Nominelle Zugfestigkeit 2531/3726 kp/cm
(36000/53000 psi)
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2 Nominelle Druckfestigkeit 1758 kp/cm
(25000 psi) Bruchfestigkeit 0,20%
Dichte 8,5 g/cm _
(0,309 lb/in )
Ferner wurde in einem Gußzustand festgestellt, daß die Konzentration von Tantalcarbid gleichmäßig entlang der Dicke des auszukleidenden Überzugs ist.
Obwohl die Legierung gemäß der Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die Verwendbarkeit als Auskleidung für bimetallische Zylinder beschrieben wurde, ist eine derartige Legierung auch für viele andere Anwendungszwecke verwendbar, bei denen es auf eine große Härte und gute Korrosionsbeständigkeit ankommt. Beispielsweise können Mischer mit einer derartigen Legierung ausgekleidet werden.
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Claims (6)

281265Q DIPL.-PHYS. F. ENDLICH c - bos» ukt£rpi=affemhoff;n 22. März 1978 PATENTANWALT E/Ei Iu«EJfN MÜNCHEN 84 36 PHONE F.ENDLICH, POSTFACH D - 8034 U NTE R P FA FFEN H O FE N :: PATENDLICH MÜNCHEN TELEX: B2I730 Meine Akte: L-4390 D.P. Loinax + R.M. Boggs Patentansprüche
1. Verschleißfeste und korrosionsbeständige Legierung, g e kennze ichne t durch die folgenden zusammengeschmol-
. zenen Materialien in Gewichtsprozent der Zusammensetzung:
Bestandteil . Gewichtsprozent
Kohlenstoff 0,16 bis 0,35
Nickel 28,50 bis 34,60
Mangan 0,34 bis 0,75
Silicium . 0,75 bis 1,90
Chrom 4,50 bis 7,50
Bor 2,25 bis 2,90
Kobalt. . 28,50 bis 42,00
Tantalcarbid . 10,00 bis 35,00
2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
Bestandteil Gewichtsprozent
Kohlenstoff 0,25
Nickel 30,40
Mangan 0,55
Silicium 1,10
Chrom 6,30
Bor 2,40
Kobalt 34'00
Tantalcarbid 25,00
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281265Q
3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 zur Auskleidung eines Stahlzylinders.
4. Stahlzylinder für Strangpressen oder Spritzgußmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2 ausgekleidet ist.
5. Stahlzylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennze ichne t, daß die Auskleidung eine durch Zentrifugalkräfte verteilte Gußlegierung ist
6. Stahlzylinder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e •kennze ichne t , daß die Konzentration von Tantalcarbid entlang der Dicke der Auskleidung im wesentlichen konstant ist.
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DE19782812650 1977-03-30 1978-03-22 Verschleissfeste und korrosionsbestaendige legierung Granted DE2812650A1 (de)

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