DE69110825T2

DE69110825T2 - Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit reibverschleissfester Oberfläche.

Info

Publication number: DE69110825T2
Application number: DE69110825T
Authority: DE
Inventors: Pierre Brunet; Guy Maybon; Gerard Pizzini
Original assignee: Technogenia SA
Current assignee: Technogenia SA
Priority date: 1990-10-11
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: DK0480850T3; FR2667809B1; ATE124307T1; EP0480850B1; EP0480850A1; CA2052899C; AU635163B2; JPH05192761A; CA2052899A1; US5261477A; FR2667809A1; ES2075949T3; AU8575391A; DE69110825D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von metallischen Verbundwerkstücken, die eine Kontaktoberfläche aufweisen, welche für einen Widerstand gegen Abrieb bestimmt ist.
Man kennt solche mechanischen Werkstücke, bekannt als "Verschleiß"-Werkstücke, die an der Oberfläche durch eine Darbietung eines Materials verstärkt sind, welches verbesserte Eigenschaften an der Ebene des Verschleißwiderstandes durch Abrieb präsentiert.
Unter den Mitteln, die allgemein verwirklicht sind zum Erhalten einer verstärkten Kontaktfläche,können die Techniken der Darbietung von harten Legierungen durch Schweißung erwähnt werden. Diese Techniken sind allgemein bezeichnet als die Techniken unter der Benennung "hartes Ausfüllen von Fehlstellen".
Die vorliegende Erfindung betrifft im besonderen die harten Ausfüllungen von Fehlstellen unter Bewerkstelligung einer Struktur von Körnern einer hohen Härte, die untereinander durch eine Metallegierung gebunden sind, die man allgemein bezeichnet unter dem Begriff metallische Matrix.
Das harte Ausfüllen von Fehlstellen durch eine Schweißung kann bewerkstelligt werden durch eine große Vielzahl von Verfahren und Materialien. Man kann vorteilhaft ein hartes Ausfüllen von Fehlstellen auf der Basis von Wolframcarbid oder von anderen Materialien großer Härte anwenden. Man verwendet bspw. steife Auftragsstäbe oder weiche Auftragsstäbe, von denen ein Ende auf die auszufüllende Oberfläche angelegt und mit einem elektrischen Lichtbogen oder einer Oxyacetylenflamme unterworfen wird. Der Auftragsstab besteht aus einem Wolframcarbidpulver, welches in eine Legierung auf der Basis von Nickel oder anderen geeigneten Metallen eingebettet ist.
Ein solches hartes Ausfüllen von Fehlstellen, welches mit Auftragsstäben auf der Basis von Wolframcarbid erhalten ist, ergibt eine bestimmte Anzahl von Nachteilen.
Insbesondere bedienen sich die Schweißverfahren bei dem Ausfüllen einer Ablage in der Form von aufeinanderfolgenden Raupen, nebeneinander einzeln aufeinanderfolgend Seite an Seite. Es ist zu verstehen, daß die Realisierung einer relativ wichtigen Oberfläche mittels einer solchen Technik mühsam ist und eine bestimmte Fertigkeit sowie eine bestimmte Übung auf Seiten des Arbeiters erfordert.
Die innewohnenden Unbestimmtheiten eines solchen Verfahrens der Ablage von Materialien, welche die Form der aufeinanderfolgenden Raupen wiedergeben, führen zu Unregelmäßigkeiten der Dicke, die mehrere Millimeter erreichen können. Es resultiert daraus, daß diese Technik keine Werkstücke zu realisieren erlaubt, deren Abmessungen präzise sind. Und diese Technik erlaubt nicht die Realisierung von Werkstücken, deren Formen komplex sind und bspw. Rillen oder Rippen, Hohlräume, scharfkantige Anschläge aufweisen. Die Unregelmäßigkeiten der Schweißung finden sich verstärkt bei auszufüllenden Werkstücken, welche komplexe Formen darbieten.
In dem Dokument EP-A-0 123 961 wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches den tradionellen Verfahren der Gießerei verwandt ist: im Verlauf einer ersten Stufe fließt man ein geschmolzenes Metallbindemittel in eine kalte Sandform; im Verlauf einer späteren Stufe bespritzt man das in der Form enthaltene geschmolzene Metall mit einem harten Pulver, welches sich zu dem Boden der Form abwärts bewegt und die harte Schicht bildet, die ständig mit der oberen geschmolzenen Legierungsschicht verbunden ist. Ein solches Verfahren, das schwierig zu bewerkstelligen ist, erlaubt nicht die Beherrschung der Dichte und der Form der realisierten abriebfesten Schicht.
In dem Dokument GB-A-2 003 932 hat man auch ein Schmelzformen von Pulvern vorgeschlagen, die in einer Form enthalten sind. Die in diesem Dokument beschriebenen Formen bestehen aus Graphit oder einer Molybdänlegierung.
Das Dokument FR-A-2 160 117 beschreibt ein Verfahren zum inneren Auskleiden eines Zylinders durch ein Rotationssintern. Man füllt den Zylinder mit einer Bindemittellegierung und Teilchen aus einem harten Material. Man bringt die Gesamtheit auf eine erhöhte Temperatur in einem Ofen. Vom Beginn der Kühlung an beaufschlagt man den Zylinder mit einer raschen Drehung, um die harten Teilchen dazu zu zwingen, sich nach außen gegen die Wand des Zylinders zu verschieben. Nach dem Abkühlen bearbeitet man das Innere des Zylinders, um den gewünschten Durchmesser zu erhalten.
Man kennt ebenfalls Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus einem abriebfesten Verbundmaterial, bei welchen die Techniken der Infiltration bewerkstelligt werden, bspw. die Technik, die in den französischen Patentschriften FR-A-1 398 732 oder FR-A-2 352 890 beschrieben sind. Gemäß diesen Techniken verwendet man eine hohle Form aus Kohlenstoff oder keramischem Material, welche eine gewünschte Form hat; man plaziert einen Kern in dem Hohlraum der Form gegenüber den Gießwänden der Form; man füllt den hohlen Innenraum, der zwischen dem Kern und den Gießwänden der Form besteht, mit Wolframcarbid- oder äquivalenten Körnern, wobei die Gesamtheit vibriert wird, um die Körner festzustampfen; man plaziert Körner oder Pastillen aus Metall oder einer Bindelegierung auf den Carbidkörnern; man erwärmt die Gesamtheit auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Legierung und unterhalb der Schmelztemperatur des Kerns und der Form: die Erhöhung der Temperatur sichert das Schmelzen der Legierung oder des Bindemetalls, welches in den Raum infiltriert, der mit den Wolframcarbidkörnern gefüllt ist, und sichert die Verschweißung mit dem Kern, wenn dieser aus Metall besteht. Man läßt dann abkühlen und man kann ausformen.
Diese Technik der Infiltration paßt genügend gut für Werkstücke, die ebene abriebfeste Flächen darbieten. Die Form kann dabei tatsächlich mit geringeren Kosten realisiert werden, ohne eine komplexe Bearbeitung zu erfordern. Das Verfahren erweist sich jedoch im Gegenteil total ungeeignet für die Realisierung von Werkstücken, deren abriebfeste Oberfläche keine ebene Form darbietet, bspw. eine Oberfläche, welche Rillen und Rippen aufweist. Die Realisierung der Form aus Keramik oder aus Kohlenstoff ist dabei ein viel zu komplexer und teurer Arbeitsgang, sodaß das Verfahren nicht industriell angewendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und ein neues Verfahren der Infiltration vorzuschlagen, welches bewerkstelligt werden kann mit Hilfe von weniger teuren Mitteln, wobei ein Rückgriff auf teure Formen aus Keramik oder aus Kohlenstoff vermieden wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Anwendung dieser neuen Technik bei der Realisierung von Werkstücken, deren abriebfeste Oberfläche nicht eben ist, sondern wesentliche Oberflächenunregelmäßigkeiten wie bspw. Rippen, Rillen oder jede andere Form darbieten kann, die man gewöhnlich durch ein Gießen erhalten kann.
Bspw. visiert die Erfindung die Anwendung dieser neuen Techniken bei der Realisierung von abriebfesten Oberflächen durch eine Infiltration für die Herstellung von besonderen Werkstücken und besonders von Rohren mit einer abriebfesten Innenfläche oder von Mahlplatten. Solche Mahlplatten weisen Rippen und Rillen auf und dienen bspw. für das Holzzerfasern oder die Affinage von Papierstoff oder für das Mahlen von keramischen Materialien. Diese Anwendungen führen zu einer beträchtlichen Verbesserung, und in einer überraschenden Art und Weise, der Qualitäten und des Wirkungsgrades der so realisierten Vorrichtungen.
Das Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche der Erfindung besteht aus der Aufeinanderfolge der folgenden Stufen:
- Vorbereitung einer hohlen Form, die Gießwände mit der Form der zu realisierenden abriebfesten Oberfläche hat,
- Einleitung von Teilchen eines harten Materials, wie bpsw. geschmolzenes Wolframcarbid, in den hohlen Innenraum der Form, wobei die Gesamtheit derart vibriert wird, daß sich die Teilchen an der Oberfläche höchstens an den Wänden der Form anbauen und dicht aneinander anstoßen,
- Vorbereitung einer ausreichenden Menge einer geeigneten Legierung in einer Form, die zur Sicherstellung einer späteren Verteilung der Legierung im Verlauf ihrer späteren Schmelzphase angepaßt ist, wobei die Legierung eine Lötlegierung ist, welche geeignet ist für ein Benetzen der Teilchen des harten Materials und für ein Schmelzen bei einer Temperatur niedriger als die Schmelztemperatur der Teilchen des harten Materials und der Form,
- Erwärmen der Gesamtheit auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur der Legierung und niedriger als die Schmelztemperatur der harten Materialien und der Form,
- Beibehaltung dieser Temperatur während einer ausreichenden Zeit zur Sicherstellung der Infiltration der geschmolzenen Legierung in den Raum, der mit den Teilchen des harten Materials gefüllt ist,
- Zulassung einer Abkühlung und Ausformung.
Die Anmelderin hat in überraschender Art und Weise damit Erfolg gehabt, ein solches Verfahren der Infiltration zu bewerkstelligen unter Verwendung in Übereinstimmung mit dem Anspruch 1 einer Form aus Gießereisand, d.h. einer Form aus Sand, gebunden durch ein organisches Harz mit zwei Komponenten, wie er gewöhnlich in der Gießerei verwendet wird. Dieses Ergebnis ist besonders überraschend in dem Rahmen, wo die Formen aus Gießereisand, die man gewöhnlich für die Gießereitechniken des Maskenformens (Verfahren Croning oder Shell-Gußverfahren) verwendet, bestehend aus dem Gießen einer Metallschmelze in die Form, damit das Metall die Form des zu realisierenden Werkstückes annimmt, die Verwendung einer Form erfordern, die in dem Moment des Gießens des Metalls kalt ist. Der Sand der Form ist tatsächlich durch ein Harz gebunden, welches zur Auflösung neigt, wenn die Temperatur der Form etwa 400ºC übersteigt; das in die Form gegossene Metall zerstört bei den bekannten Techniken nicht die Form, weil das Metall sofort eine feste Schale bildet, welche das geschmolzene Metall und den Sand der Form voneinander trennt, so die Form schützt und vermeidet, daß sie mechanische Belastungen erfährt, welche ihre Auflösung hervorrufen. Es wird festgestellt, daß bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Form aus Gießereisand ihrerseits auf die Schmelztemperatur der Legierung aufgewärmt wird, also auf eine Temperatur höher als ihre Auflösungstemperatur, ohne daß dabei die Legierung in die Form eindringt. Die Form ist trotzdem dazu fähig, ihre Wirkung zum Zurückhalten der Materialien und zur Formung des Werkstückes korrekt zu erfüllen.
Das Verfahren der Erfindung erlaubt die Herstellung von massiven Werkstücken aus abriebfestem Material.
Alternativ kann das Verfahren für die Herstellung von Verbundwerkstücken angepaßt werden, die einen metallischen Kern aufweisen, der mit abriebfestem Material bedeckt ist. In diesem Fall ordnet man vor dem Einleiten der Teilchen aus hartem Material wenigstens einen Metallkern in dem Hohlraum der Form gegenüber den Gießwänden an. Der Kern sollte eine Schmelztemperatur höher als die Temperatur haben, auf welche man später die Gesamtheit für das Schmelzen der Legierung erwärmt.
Das Verfahren kann vorteilhaft bewerkstelligt werden durch Anwendung einer Induktionserwärmung. Bei der Erwärmung durch Induktion in einer Form aus Sand neigt die Form zu einem Erwärmen weniger schnell als die Lötlegierung und als der generell metallische Kern. Daraus ergibt sich, daß die Form dazu neigt, die Temperatur der Teilchen zu erniedrigen, die mit ihr in Berührung sind, sodaß die Kontaktoberfläche des Werkstückes und ihre unmittelbare Umgebung aus Teilchen des harten Materials geformt sind, die nicht einer zu wichtigen Erwärmung unterworfen sind. Die Teilchen konservieren so alle ihre Eigenschaften und neigen nicht zu einem Auflösen in der metallischen Matrix bei der Erwärmung.
Um den Widerstand gegenüber einem Abrieb zu verbessern, sieht die vorliegende Erfindung die Realisierung einer abriebfesten Kontaktoberfläche vor mittels einer Schicht aus einem Verbundmaterial, die eine sehr regelmäßige Verteilung von Pulver aus einem harten Material enthält, wie bspw. Wolframcarbid. Die Verteilung sollte von solcher Art sein, daß die abriebfeste Kontaktoberfläche die Umhüllung einer Schicht ist, bei welcher die Teilchen des harten Materials so weit wie möglich angrenzend im wesentlichen miteinander verbunden sind. Dieser Zustand wird erhalten, weil die Verteilung des Pulvers des harten Materials eine "kompakte ungeordnete" Verteilung ist über eine ausreichende Tiefe des wenigstens zwei- oder dreifachen Durchmessers der großen Teilchen, beginnend mit der abriebfesten Kontaktoberfläche. Die an ein Teilchen angelegten mechanischen Belastungen werden so direkt auf die benachbarten Teilchen übertragen, sodaß so die Belastungen verteilt werden.
In dem Fall eines Pulvers des harten Materials mit einer Körnung mit schwacher Verteilung wird eine kompakte ungeordnete Verteilung des Pulvers des harten Materials realisiert, da die Konzentration im Volumen des harten Materials mehr als etwa 60 % des Gesamtvolumens beträgt. Der freie Raum zwischen den Teilchen ist weniger als 40 % des Gesamtvolumens.
Es wird berücksichtigt, daß die Anhäufung oder "kompakte ungeordnete Verteilung" erreicht wird nach einem Feststampfen, welches durch eine Vibration des mit den Teilchen gefüllten Volumens erreicht wird. Die angelsächsischen Autoren sprechen von einer "close packing". Die veröffentlichten experimentellen Ergebnisse beruhen auf kugelförmigen Körnern einer im wesentlichen gleichen Abmessung.
Gemäß der Erfindung sollte man trotzdem eine wichtige "Wirkung der Wand" in Betracht ziehen, welche die Ansammlung der Körner beträchtlich stören wird.
Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen, die hauptsächlich veröffentlicht wurden von R. Ben Aim und P. Le Goff. Powder Technol. 1 (1967/68) 281-290 zeigen das Vorhandensein einer durch die Wirkung der Wand gestörten Schicht. Die gestörte Schicht ist in der Nähe der Wand lokalisiert mit einer Dicke von etwa d/2 (wobei d der mittlere Teilchendurchmesser ist). Jenseits dieser Zone nimmt die Anhäufung einen konstanten Mittelwert an, wenn man die Porosität berücksichtigt. In dem Fall der vorliegenden Erfindung müssen wir evtl. zwei Wände berücksichtigen, nämlich die Wand, die durch den auszufüllenden Kern gebildet wird, und die abriebfeste Oberfläche, die durch eine Wand der Form begrenzt sein könnte.
Die Verteilung der Teilchen des harten Materials ist vorzugsweise kompakt ungeordnet in der Schicht des Verbundmaterials über eine Dicke von wenigstens gleich dem sechsfachen Durchmesser der größten Teilchen, die in der Schicht des Verbundmaterials enthalten sind. Auf diese Art und Weise sind die Belastungen, die evtl. auf ein Teilchen der abriebfesten Oberfläche ausgeübt werden, besser reflektiert auf die Teilchen der tiefer liegenden Schichten, und sie befinden sich besser verteilt. Man reduziert so ebenfalls die störenden Wirkungen der Wände, die vorstehend erwähnt wurden.
In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird der Begriff "Körnigkeit" verwendet für die globale Bezeichnung der dimensionsmäßigen Eigenschaften der Pulverkörner, also hauptsächlich ihres mittleren Durchmessers oder des Durchmessers einer Kugel mit denselben Volumen, wobei jedes Pulver im Prinzip eine Körnigkeit mit einer relativ schwachen Verteilung darbietet.
Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen, ausgeführt unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, bei welchen
Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch ein mechanisches Werkstück zeigt, welches mit einer abriebfesten Oberflächenschicht gemäß der vorliegenden Erfindung bedeckt ist;
Fig. 2 schematisch eine Detailansicht mit vergrößertem Maßstab der abriebfesten Oberflächenschicht der Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 bis 7 die unterschiedlichen Stufen des Verfahrens der Herstellung einer abriebfesten Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen im Falle der Herstellung eines Werkstückteils in der Form einer Platte;
Fig. 8 schematisch ein Verfahren der Herstellung eines Rohres zeigt, welches eine abriebfeste Innenfläche aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 9 in vergrößertem Maßstab die Struktur der Form aus Sand zeigt, die für das Verfahren der Erfindung verwendet wird.
In Fig. 1 ist in einem Querschnitt eine schematische Ansicht eines Werkstückes gezeigt, das mit einer abriebfesten Oberflächenschicht bedeckt ist. Gemäß der Erfindung besteht die abriebfeste Oberflächenschicht 1 aus einer Schicht eines Verbundmaterials auf der Basis eines Pulvers aus hartem Material, wie bspw. geschmolzenem Wolframcarbid, gebunden in eine Legierung auf der Basis von Nickel. Die Schicht 1 ist auf die Oberfläche eines metallischen Kerns 2 gelötet, wobei der Kern 2 bestimmt ist zur Sicherstellung der mechanischen Selbsterhaltung des Werkstückes. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Kern 2 aus einem Vorprodukt in der Form einer Platte, welche die abriebfeste Schicht 1 trägt.
Die Schicht 1 des Verbundmaterials enthält eine kompakte ungeordnete Verteilung von Pulver aus hartem Material. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht da Pulver des harten Materials aus einem ersten Pulver 3, bestehend aus geschmolzenem Wolframcarbidkörnern, deren Körnigkeit relativ wichtig ist, und einem zweiten Pulver 4 aus Wolframcarbidkörnern, deren Körnigkeit schwächer ist. Die Körnigkeit des ersten Pulvers ist vorzugsweise so, daß die Körner im Mittel etwa einen Durchmesser haben, der um das zehnfache höher ist als die Körner des zweiten Pulvers 4. Man kann bspw. Körner des ersten Pulvers verwenden, deren Durchmesser zwischen 1800 und 2400 Microns beträgt, und Korner des zweiten Pulvers 4, deren Durchmesser zwischen 100 und 400 Microns aufweist.
Man sollte sich darauf einrichten, daß in der abriebfesten Schicht 1 die Teilchen des harten Pulvers im wesentlichen nebeneinanderliegend sind, hauptsächlich in der Nähe der Oberfläche 5, die zur Bildung der abriebfesten Kontaktoberfläche bestimmt ist. Bspw. befindet sich das Teilchen 6 im wesentlichen nebeneinanderliegend mit den benachbarten Teilchen 7 und 8 und es ist ebenso nebeneinanderliegend mit dem Teilchen 9 der tiefer liegenden Schicht. Die Teilchen der äußeren Schicht, wie bspw. die Teilchen 6, 7 und 8, sind in solcher Art und Weise angeordnet, daß sie so weit wie möglich tangential zu der äußeren Fläche 5 der Schicht 1 des Verbundmaterials sind, wobei die abriebfeste Kontaktoberfläche 5 die Umhüllung der angrenzenden Oberflächenschicht der Teilchen bildet, wie bspw. der Teilchen 6, 7 und 8. Die Teilchen, wie das Teilchen 10 des zweiten Pulvers 4, nehmen die Zwischenräume ein, die zwischen den Körnern des ersten Pulvers bestehen, wobei die Teilchen des zweiten Pulvers 4 ebenfalls in Bezug aufeinander im wesentlichen nebeneinanderliegend sind und in Berührung mit den Körnern des ersten Pulvers.
Die Verteilung der Teilchen des harten Materials, wie bspw. der Teilchen 6 oder der Teilchen 10, ist regelmäßig in der Schicht des Verbundmaterials über eine Dicke wenigstens gleich dem sechsfachen Durchmesser der Teilchen des ersten Pulvers 3. Man stellt fest, daß auf diese Art und Weise die abriebfesten Eigenschaften der Oberfläche verbessert werden, möglicherweise durch die Tatsache, daß die mechanischen Belastungen zwischen den Teilchen besser verteilt werden durch eine Ansammlung von kompakteren Körnern.
Die Teilchen des ersten Pulvers 3 und die Teilchen des zweiten Pulvers 4 sind in der abriebfesten Schicht 1 eingebettet in eine metallische Matrix. Die metallische Matrix kann bspw. gebildet sein aus einer Legierung des Typs Neusilber auf der Basis von Kupfer, Zink und Nickel. Andere Legierungen des Typs einer Lötlegierung können verwendet werden in dem Rahmen, wo sie bei angemessenen Temperaturen schmelzen und dazu geeignet sind, die Körner des harten Materials, wie bspw. geschmolzenes Wolframcarbid, korrekt zu benetzen.
Die Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab die Körner des ersten Pulvers 3, die Körner des zweiten Pulvers 4 und die Legierung 11, welche die Körner verbindet.
In Fig. 1 ist beispielhaft eine Oberfläche 5 dargestellt, die im wesentlichen eben ist und einen unebenen Bereich 12 aufweist, bspw. eine Rille oder eine Aushöhlung. Die Oberflächenverteilung der Pulverkörner sollte über die gesamte Oberfläche 5 sichergestellt sein.
Die Körner des ersten Pulvers 3 und des zweiten Pulvers 4 sind vorteilhaft kugelförmige Teilchen, erhalten durch ein Schmelzen, eine Dispersion und eine Abkühlung von Tröpfchen. Solche kugelförmigen Teilchen aus Wolframcarbid werden bspw. durch die Anmelderin hergestellt und verkauft unter der Marke Sphérotène.
Das Verfahren der Herstellung einer abriebfesten Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 3 bis 7 gezeigt. Dieses Verfahren ist eine besondere Art des Gießens oder des Übergießens auf ein metallisches Werkstück, welches den Kern 2 bildet. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht das Verfahren aus den folgenden Hauptstufen:
a) gemäß der Fig. 3 wird eine hohle Form 13 vorbereitet, die Gießwände aufweist, welche die Form der zu realisierenden abriebfesten Oberfläche haben; bspw. ist der Boden 14 der Form dafür vorgesehen, daß er die abriebfeste Oberfläche aufweisen soll;
b) gemäß den Fig. 4 und 5 wird der Kern 2 gegenüber den Gießwänden der Form angeordnet, und man füllt Körner aus geschmolzenem Wolframcarbid oder aus einem anderen harten Material in den Raum 15, der zwischen dem Kern 2 und der Form 13 besteht; in dem Fall einer Hohlform 13, die einen Behälter bildet, wie dargestellt in den Figuren, kann man zuerst die Körner aus geschmolzenem Wolframcarbid an dem Boden der Form anordnen und dann den Kern 2 auf der Schicht der Körner ablegen; die Gesamtheit wird vorzugsweise vibriert, um die Körner festzustampfen, derart, daß die Körner an der Oberfläche soweit wie möglich gegen die Wand 14 der Form anbauen und in Bezug aufeinander dicht aneinander anstoßen;
c) gemäß der Fig. 5 wird eine genügende Menge einer passenden Legierung 16 vorbereitet, unter einer angepaßten festen Form, wobei Mittel angeordnet werden, um die spätere Verteilung der Legierung im Verlauf ihrer späteren Schmelzphase sicherzustellen; bspw. ordnet man einen Block der Legierung 16 auf dem Kern 2 an und legt einen Kanal 17 an, welcher den Kern durchquert und durch welchen hindurch die Legierung 16 laufen kann, um in den Raum 15 einzudringen, der die Körner aus geschmolzenem Wolframcarbid enthält; die Legierung ist eine Lötlegierung und dazu fähig, die Körner aus geschmolzenem Wolframcarbid und den Kern 2 zu benetzen und auf eine Temperatur niedriger als die Schmelztemperatur des Kerns 2 und der Form 13 zu schmelzen;
d) gemäß der Fig. 6 wird die Gesamtheit des Werkstückes, der Form und der Legierung durch ein angepaßtes Verfahren erwärmt, bis das Schmelzen der Lötlegierung erhalten wird sowie ihre Infiltration quer über die Kohlenstoffkörner und ihre Verschweißung mit dem metallischen Kern 2 vor einem Ausgefülltsein; die Gesamtheit wird dafür auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur der Legierung erwärmt und niedriger als die Schmelztemperatur des Kerns 2 und der Form 13;
e) man läßt dann abkühlen und entformt, wie dargestellt in Fig. 7.
Man erhält so eine Platte, welche den Kern 2 und die abriebfeste Schicht 1 aufweist.
Dasselbe Verfahren der Infiltration kann auch in Abwesenheit eines Kerns 2 angewendet werden.
Gemäß der Erfindung wird der aktive Bereich der Form 13, welcher die Formflächen aufweist, aus Gießereisand realisiert, der durch Harze gebunden ist, die gewöhnlich in der Gießereitechnik verwendet werden.
Wenn eine solche Form aus Sand in einem Verfahren verwendet wird, bei welchem die Erwärmung durch magnetische Induktionsmittel bewirkt wird, dann stellt man fest, daß man eine klassische Gießereiform verwenden kann ohne äußere Wände.
Wenn man gegensätzlich dazu das Schmelzen der Legierung sicherstellen will durch eine Einführung der Gesamtheit in einen herkömmlichen Ofen, der durch Konvektion und Konduktion funktioniert, so muß man dann ein Einsetzen der aktiven Wände der Form aus Sand in ein Gehäuse vorsehen, das aus äußeren Wänden aus Metall oder feuerfesten Materialien gebildet ist, wobei die äußeren Wände die mechanische Beibehaltung der Form sicherstellen. Wie bspw. in dem Schnitt der Fig. 9 schematisch dargestellt ist, besteht die Form aus einer inneren Gießwand 30 aus Gießereisand, gebunden mit Harzen, und einem Gehäuse 31 aus Metall oder feuerfestem Material. Das Gehäuse 31 kann durch Zusammenbau von mehreren Platten 32 und 33 gebildet sein, die man nachdem Gießen entfalten kann. Die innere Gießwand 30 aus Sand präsentiert eine Dicke, die für die Ausbildung von Rippen, Rillen oder anderen Unregelmäßigkeiten der Oberfläche ausreicht, welche man der zu realisierenden abriebfesten Schicht zu geben wünscht.
Nach dem Abkühlen wird die Gesamtheit demontiert, und der Sandteil der Form wird am häufigsten zerstört.
Die Realisierung der Form wird im Verlauf einer vorhergehenden Stufe der Vornahme eines Aufdruckes bewirkt; im Verlauf dieser Stufe präpariert man den mit Harzen vermischten Gießereisand, wobei man vor der Aufnahme der Harze auf das Gemisch aus Sand und Harzen ein Modellstück auflegt, welches die Außenform der abriebfesten Oberfläche des letztlich zu realisierenden Werkstückes anlegt. Man nimmt so den Aufdruck des Modellstückes vor, und nach der Aufnahme der Harze macht die Form aus Sand die zu realisierende Form der abriebfesten Oberfläche haltbar. Man entfernt das Modellstück.
Ein anderes Beispiel der Realisierung ist in Fig. 8 dargestellt. Es handelt sich um die Realisierung der Ausfüllung im Innern eines Metallzylinders. In diesem Fall ist die Form ein feuerfestes Rohr 18 aus gepreßtem Gießereisand. Die Heizvorrichtung kann ein Induktor 19 sein, der durch einen Frequenzgenerator gespeist wird, welcher bspw. bei 10.000 Hertz arbeitet. Eine Stütze 20 erlaubt die Unterhaltung einer Drehung während des Erwärmens sowie auch die Vibration der Gesamtheit. Man kann vorteilhaft eine äußere Isolierung des Rohres durch ein Keramikrohr oder feuerfeste Fasern 21 vorsehen, welche die thermischen Verluste begrenzen und so eine raschere Erhöhung der Temperatur erlauben. Die rohrförmige feuerfeste Form 18 wird in das Metallrohr 22 eingefügt, welches mit der abriebfesten Schicht bedeckt werden soll. Über den gesamten Umfang der feuerfesten Form 18 wird zwischen dieser Form und dem Metallrohr 22 ein Zwischenraum geschaffen. Es werden Körner aus Wolframcarbid durch ein Vibrieren in den Zwischenraum gefüllt, der zwischen der Form 18 und dem Rohr 22 besteht. Eine ergänzende Menge 24 von Kohlenstoffkörnern wird in dem oberen Bereich vor dem Eingang des Zwischenraumes 23 angeordnet. Diese ergänzende Menge 24 ist für ein Einführen in den Zwischenraum 23 bei der Erwärmung der Gesamtheit bestimmt, um die Wirkung der unterschiedlichen Ausdehnung zwischen dem Metallrohr 22 und der Form 18 zu kompensieren. Unter diesen Bedingungen ist zu verstehen, daß man die ergänzende Menge 24 in das Innere des Zwischenraumes 23 während der Erwärmung der Gesamtheit, alles bei einem Vibrieren, pressen muß. Die Lötlegierung wird in den oberen Bereich des Zwischenraumes 23 eingeführt und durch den Induktor 19 erwärmt. Der Induktor 19 erwärmt auch und gleichzeitig das auszukleidende Metallrohr 22. Das Innere der feuerfesten Form 18 kann mit einem isolierenden feuerfesten Material 26 gefüllt sein.
Die Anmelderin hat durch dieses Verfahren insbesondere Rohre realisieren können, die innen mit Ablagerungen auf der Basis von Wolframcarbid einer Dicke von 2 bis 7 mm ausgekleidet waren und die folgenden Abmessungen hatten:
- Außendurchmesser 300 mm, Höhe 600 mm, Innendurchmesser 260 mm, Kohlenstoffdicke 6 mm;
- Außendurchmesser 30 mm, Innendurchmesser 15 mm, Höhe 300 mm, Kohlenstoffdicke 2 mm.
Bei diesen Beispielen wirken die Unterschiede zwischen den Ausdehnungskoeffizienten der Auskleidung auf der Basis von Wolframcarbid und dem Metall des auszukleidenden Rohres 22 bei der Abkühlung eine Druckbeaufschlagung der Auskleidung, was sozusagen die Zuverlässigkeit des Verfahrens vermehrt.
In bestimmten Fällen kann man dazu verleitet sein, eine vorhergehende Stufe zu verwenden, um die Oberfläche des Kerns 2 zu präparieren, insbesondere die auszukleidende Innenfläche des zylindrischen Rohres 22, um eine gute Schweißung des Lots zu erlauben. Diese vorhergehende Stufe besteht aus der Realisierung der folgenden Arbeiten:
- Schleifen oder Sandstrahlen der Oberfläche des Kerns 2,
- Metallisierung mit einer dünnen Schale der Legierung des Typs Nickel/Chrom/Bor/Silizium, die bekannt ist unter der Bezeichnung "selbstschmelzende" Legierung; diese Metallisierung wird mittels eines Oxyacetylenbrenners realisiert, der mit einer Pulverzuführvorrichtung ausgerüstet ist, oder eines klassischen Brenners der Pulvermetallisierung.
Das Pulver aus geschmolzenem Wolframcarbid oder einem anderen harten Material, welches für die Realisierung der abriebfesten Oberfläche verwendet wird, kann vorteilhaft gebildet sein aus einer vorhomogenisierten Mischung von zwei Pulvern 3 und 4 von verschiedenen Körnigkeiten, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde und wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Das Pulver ist vorteilhaft aus Körnern gebildet, die überwiegend kugelförmig sind und die alle aus demselben Material bestehen, bspw. geschmolzenem Wolframcarbid.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse wurden erhalten bei Verwendung eines Pulvers aus geschmolzenem Wolframcarbid, welches etwa 4 Gew.-% Kohlenstoff enthält. Ein solches Pulver bildet tatsächlich eine chemisch stabile Zusammensetzung, die in der Legierung bei der Stufe der Infiltration keine Auflösung und wiederholte Abscheidung des Wolframcarbids ergibt. Man konserviert so die Abmessungen, die Kompaktheit und die metallischen Eigenschaften des Wolframcarbids: der geschmolzene Kohlenstoff, der selbst sehr hart ist, vermehrt die Härte der erhaltenen abriebfesten Oberfläche und folglich den Widerstand gegenüber dem Abrieb und der Erosion; die Abwesentheit der Auflösung erlaubt eine Auswahl der Größe der Körner vom Beginn der Herstellung an als eine Funktion der gewünschten Größe der Körner in der endgültigen abriebfesten Oberfläche; die Abwesenheit der Auflösung favorisiert die Beibehaltung der maximalen Kompaktheit, da sich keine wiederholte Anordnung oder wiederholte Verteilung der Körner im Verlauf der Infiltration ergibt. Die Stabilität der Zusammensetzung erfordert kein rasches Abkühlen nach der Infiltration der Legierung.
Die Körnigkeit des verwendeten Sandes für die Anfertigung der Form kann verschieden sein zu derjenigen der Körner aus Wolframcarbid der abriebfesten Oberfläche. Die Anmelderin hat trotzdem festgestellt, daß regelmäßigere Resultate und verbesserte Oberflächenzustände erhalten werden, wenn die Sandkörner, welche die Innenwand 30 der Form 13 bilden, einen mittleren Durchmesser haben, der etwas kleiner ist als derjenige der kleinsten Körner 4 aus Wolframcarbid; der Sand kann vorteilhaft einen mittleren Durchmesser der Körner haben, der um das 1- bis 3-fache niedriger ist als der mittlere Durchmesser der Körner aus Wolframcarbid, wie es in Fig. 9 dargestellt ist.
In den Fällen, wo man eine besonders widerstandsfähige Kontaktoberfläche 5 erhalten will, kann man vorteilhaft eine spätere Stufe der Eliminierung der Oberflächenzone der Schicht 1 des abriebfesten Materials durch ein Schleifen oder Polieren anwenden. Eine Wegnahme des Materials über eine Tiefe von etwa d/2, wobei d der Durchmesser der großen Teilchen des harten Materials ist, eliminiert beträchtlich die Zone der durch die Wirkung der Wand gestörten Körner.
Eine besonders interessante Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Realisierung von Zerfaserungs- oder Raffinationsplatten für die Herstellung von Papiermasse oder von Mahlplatten für die keramische Industrie. Die Kontaktoberfläche von solchen Platten ist tatsächlich für die Darbietung von Rippen und Rillen geplant.
In dem Fall von Mühlen für die keramische Industrie wird die Realisierung einer solchen Platte gegenwärtig mit den klassischen Schweißtechniken sichergestellt, und man führt sehr teure Handarbeiten durch.
In dem Fall der Platten für die Herstellung von Papierstoff verhindert die erforderliche Präzision der Abmessungen ein Ausweichen auf die klassischen Schweißtechniken. Man weicht gegenwärtig auf traditionelle Gießverfahren aus, jedoch schließen diese Verfahren die Einfügung von festen Teilchen aus hartem Material in die Metallschmelze aus: Eine solche Schmelze würde völlig ungenügende Resultate ergeben und insbesondere eine sehr ungleichmäßige und unkontrollierte Verteilung der Körner aus Kohlenstoff in der abriebfesten Schicht.
Die herkömmlichen Verfahren der Infiltration sind ebenfalls ungeeignet, da sie sehr teure Strukturen der Formen aus Keramik oder aus Kohlenstoff erfordern.
Eine andere interessante Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Rohren, deren Innenbohrung eine abriebfeste Oberfläche aufweist. Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung führt zu wesentlichen Einsparungen bei der Realisierung solcher Rohre und erzeugt einen sehr präzisen Zustand der Oberfläche und eine sehr präzise Oberflächenform, was mit den herkömmlichen Techniken mit niedrigen Kosten zu erreichen nicht möglich war.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, die ausführlich beschrieben worden sind, sondern sie schließt die verschiedenen Varianten und Verallgemeinerungen ein, die in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche enthalten sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes mit abriebfester Oberfläche, bestehend aus den folgenden Stufen:

a) Vorbereitung einer hohlen Form (13), die Gießwände mit der Form der herzustellenden abriebfesten Oberfläche (5) aufweist,

b) Einleitung von Teilchen eines harten Materials, wie bspw. Wolframcarbid, in den hohlen Innenraum der Form (13), wobei die Gesamtheit derart vibriert wird, daß sich die Teilchen an der Oberfläche höchstens an den Wänden der Form anbauen und dicht aneinander anstoßen,

c) Vorbereitung einer ausreichenden Menge einer geeigneten Legierung (16) in einer Art und Weise, die zur Sicherstellung einer späteren Verteilung der Legierung im Verlauf ihrer späteren Schmelzphase angepaßt ist, wobei die Legierung eine Lötlegierung ist, welche geeignet ist für ein Benetzen der Teilchen des harten Materials und für ein Schmelzen bei einer Temperatur niedriger als die Schmelztemperatur der Teilchen des harten Materials und der Form (13),

d) Erwärmen der Gesamtheit auf eine Temperatur höher als die Schmelztemperatur der Legierung und niedriger als die Schmelztemperatur der Teilchen des harten Materials und der Form (13),

e) Sicherstellung der Infiltration der geschmolzenen Legierung in den mit den Teilchen des harten Materials gefüllten Raum,

f) Zulassung einer Abkühlung und Ausformung,

dadurch gekennzeichnet, daß die Form eine Gießwand aus Gießereisand gebunden durch Harze aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen der Stufe a) und der Stufe b) wenigstens einen Metallkern (2) gegenüber den Gießwänden der Form (13) anordnet, wobei der Kern (2) eine Schmelztemperatur höher als die Erwärmungstemperatur der Gesamtheit im Verlauf der Stufe d) hat.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man im Verlauf der Stufe d) die Gesamtheit durch magnetische Induktion erwärmt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Form (13) eine innere Gießwand (30) aus Gießereisand gebunden durch klassische Harze aufweist, wobei die innere Gießwand (30) durch einen Halte-Formkasten (31) aus Metall oder feuerfestem Material gestützt wird,

- im Verlauf der Stufe d) die Gesamtheit durch einen herkömmlichen Wärmeleitungs- und Strahlungsofen erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sand der Form einen mittleren Durchmesser der Körner aufweist, der um das Ein- bis Dreifache kleiner ist als der mittlere Durchmesser der Körner des harten Materials der abriebfesten Schicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Stufe des Erwärmens eine Komplementärmenge (24) des Pulvers des harten Materials in die Form bei einer Vibration einführt, um seine differentielle Wärmeausdehnung zu kompensieren.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine vorhergehende Stufe der Vorbereitung eines Kerns (2) vor der Aufnahme der abriebfesten Schicht aufweist, wobei die Stufe der Vorbereitung die folgenden Phasen ausweist:

- Schleifen oder Sandstrahlen der Oberfläche,

- Metallisierung durch eine dünne Schale der selbstschmelzenden Legierung des Typs Nickel/Chrom/Bor/Silizium mittels eines Lötbrenners.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es eine vorhergehende Stufe der Aufnahme eines Aufdruckes aufweist, in deren Verlauf man die Form (13) vorbereitet durch eine Abnahme des Aufdruckes eines Modellstückes vor der Übernahme der Harze.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es eine spätere Stufe der Eliminierung durch ein Schleifen oder ein Oberflächenpolieren der Stapelzone der Körner aufweist, die durch die Wirkung der Wand gestört ist, wobei die zu eliminierende Dicke im wesentlichen gleich der Hälfte des Durchmessers der großen Teilchen des harten Materials ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die mittlere Hauptabmessung der Teilchen des harten Materials, welche das Skelett der Schicht des zusammengesetzten Materials bilden, in solcher Art und Weise auswählt, daß der mittlere Durchmesser der großen Teilchen kleiner oder gleich der sechsfachen Gesamtdicke der Schicht des zusammengesetzten Materials ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver des harten Materials aus geschmolzenen Wolframcarbidkörnern besteht, die etwa 4 Gew.-% Kohlenstoff enthalten, um eine chemisch stabile Verbindung zu bilden, die keiner Auflösung/wiederholten Ausfällung des Wolframcarbids in der Legierung bei der Stufe der Infiltration unterliegt.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebfeste Oberfläche (5) gestaltet ist für eine Darbietung von Rippen und Rillen, wobei das Werkstück aus einer Zerkleinerungsplatte für die keramische Industrie oder einer Zerfaserungs- oder Raffinationsplatte für die Herstellung von Papiermasse besteht.

13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebfeste Oberfläche (5) rohrförmig ist.

14. Anwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die abriebfeste Berührungsoberfläche (5) die Innenfläche eines Rohres ist.