Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleissbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergiessen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergießen, bei dem feste pulverförmige und/oder körnige synthetische metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe während des Eingießens der Metallschmelze in eine um ihre Symmetrieachse rotierende Schleudergußkokille mit Hilfe einer Fördereinrichtung zeitweise in die in die Kokille einfließende Metallschmelze zugegeben werden.

Es ist bekannt, rotationssymmetrische Gußkörper durch Schleudergießen herzustellen, die in unterschiedlichen Bereichen pulverförmige oder körnige Hartstoffe aufweisen können (deutsche Patentschriften Nr. 891324 und Nr. 2254705).

Dabei ist es allerdingt nötig, entweder zunächst feste Hartstoffe in eine Metallschmelze zuzugeben und anschließend die Hartstoffe gemeinsam mit der Metallschmelze in eine Schleudergußkokille einzugießen (deutsche Patentschrift Nr. 891324) oder erst nach dem Eingießen der Metallschmelze in die Schleudergußkokille Hartstoffe auf die Innenoberfläche der Schleudergußlage aufzustreuen (deutsche Patentschrift Nr. 2254705).

Nachteilig bei diesen Verfahrensweisen ist insbesondere, daß beim Zugeben von Hartstoffen in die mit Metallschmelze gefüllte Gießpfanne aufgrund der langen Einwirkzeit der Metallschmelze auf die Feststoffpartikel und des durch z.B. Rühren unterstützten Stofftausches ein großer Teil der Hartstoffe in Lösung geht und daher nicht als Verschleißschutz zur Wirkung kommt oder mit dem Aufstreuen der Hartstoffe auf eine teigige oder flüssige Schleudergußlage ein zusätzlicher zeitintensiver Arbeitsschritt verbunden ist.

In Patent Abstracts of Japan, Band 6 Nr. 150 (M-148) (1028), 10. August 1982, ist ein Verfahren zum Schleudergießen einer Walze beschrieben, bei dem Hartstoffe, z.B. WC-Pulver, der Metallschmelze in einem Eingießtrichter zugegeben werden. Die Verweilzeit der Hartstoffe in der Metallschmelze ist zwar kürzer als bei den vorgenannten bekannten Verfahren, jedoch muß bezweifelt werden, daß eine gleichmäßige Verteilung der Hartstoffe in der Metallschmelze erzielt wird.

Bei den bekannten Verfahren ist eine aufwendige Parameteroptimierung erforderlich, um die Verteilung und Tiefe der Hartstoffe in dem Gußstück reproduzierbar einstellen zu können.

Hierdurch bedingt können insbesondere Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von großen und teuren Bauteilen, wie z.B. Walzen und Rollen, nicht sicher eingehalten werden. Daher sind die bekannten Verfahren zum Erzeugen eines Hartstoff-Metallverbundes für große Präzisionsteile nicht geeignet. Ferner können zur verschleißfesten Panzerung der der Kokillenwand zugekehrten Außenfläche von rotationssymmetrischen Gußkörpern nach dem Schleudergußverfahren nur Hartstoffe sehr hoher Dichte, wie z.B. Wolframkarbid, die infolge der beim Schleudergießen einwirkenden Zentrifugalkraft radial durch die Schmelze in Richtung Kokillenwand transportiert werden, zum Einsatz kommen.

Demgegenüber lassen sich Hartstoffe geringer Dichte, wie z.B. B₄C, TiB₂, TiC, obwohl diese eine wesentlich höhere Härte als z.B. Wolframkarbid aufweisen, nicht zur Bewehrung der der Kokillenwand zugekehrten äußeren Oberfläche des Gußteils verwenden. Diese Hartstoffe reichern sich infolge der Strömungsbedingungen der Metallschmelze in der Schleudergußkokille bevorzugt auf der Innenseite bzw. im Kernbereich des Gußteils an und sind deshalb hinsichtlich des Verschleißschutzes der Außenfläche von gegossenen Vollkörpern ohne Wirkung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung anzugeben, welches insbesondere in kostengünstiger Weise eine einfache Parametersteuerung zum reproduzierbaren Erzeugen eines Hartstoff-Metallverbundes zur Bewehrung großer rotationssymmetrischer Bauteile gegen Verschleiß auch unter Verwendung von metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen hoher Härte und niedriger Dichte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zugegebenen Hartstoffe während des Eingießens der Metallschmelze im Zuführrohr der Gießvorrichtung in die Metallschmelze injiziert werden.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird einerseits die Verweilzeit der Hartstoffe in der Metallschmelze vor dem Einlaufen in die Kokille verringert und ihr Ausbringen erhöht, andererseits kann die Verteilung und Einlagerungstiefe der Hartstoffe in einfacher Weise und reproduzierbar durch die Wahl des Zeitpunktes sowie der Zeitdauer der Injektion eingestellt werden.

Da insbesondere bei großen durch Schleudergießen hergestellten Bauteilen, um die mit dem Gießvorgang und der Kokillenkontur verbundenen Fertigungstoleranzen auszugleichen, eine aufwendige Nachbearbeitung der Gußstücke erforderlich ist und diese bei hohen Hartstoffanteilen durch kostenintensives Schleifen erfolgen muß, wird zum Ausgleich der Fertigungstoleranzen vor der Zugabe von festen synthetischen Hartstoffen in den in die Kokille einfließenden Metallstrom zunächst eine spanbare Bearbeitungsschicht gegossen.

Nach dem unmittelbar erfolgenden Eingießen der mit synthetischen Hartstoffen beaufschlagten Metallschmelze in die Schleudergußkokille wird zur Fertigstellung des Gußkörpers der Gießvorgang kontinuierlich mit reiner Metallschmelze fortgesetzt.

Zur Beaufschlagung mit synthetischen Hartstoffen eignen sich vorzugsweise Metallschmelzen, die aus legiertem oder unlegiertem Stahl- oder Grauguß, reinen Nichteisenmetallen, wie Cobalt und Nickel oder aus einer Nickel- oder Cobaltbasislegierung bestehen.

Ferner ist die Injektion von Karbiden der Elemente Mo, Nb, Ta, V, W und Zr in die Metallschmelze, insbesondere wegen ihrer hohen Dichte und niedrigen Lösungsgeschwindigkeit, vorteilhaft. Diese werden aufgrund der beim Schleudergießen auftretenden hohen Zentrifugalbeschleunigung radial durch die Schmelze in Richtung Kokillenwand transportiert und reichern sich im Gußkörper vor der äußeren Bearbeitungsschicht an. Zur Injektion der in die Kokille einströmenden Metallschmelze können auch sehr harte und in Metallschmelzen nur langsam lösliche Boride, Oxide und Karbide geringer Dichte, wie TiB₂, Al₂O₃, TiO₂, B₄C, TiC verwendet werden, die unter Zuhilfenahme eines anorganischen oder organischen Bindemittels durch Aggromeration mit Metallen und/oder Karbiden hoher Dichte, wie Co, Ni, Ta, W, TaC, W₂C, WC, verbunden sind.

Aufgrund der Anbindung von Hartstoffen niedriger Dichte an metallische Elemente und/oder Karbide hoher Dichte werden diese "beschwert" und lassen sich zur Bewehrung der Kokillenwand gegenüberliegenden äußeren Oberfläche des Gußkörpers verwenden. Ferner können, durch den Einsatz derartig vorbehandelter Hartstoffe, deren Einbindung im erstarrten Gußteil verbessert und verschleißfeste Hartstoff-Mischphasen während des Gießvorganges erzeugt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Gießprozeß zur Herstellung eines Hartstoff-Metallverbundes in kontinuierlicher und einfacher, kostengünstiger Weise erfolgt sowie die Verteilung, Zusammensetzung, Konzentration und Tiefe der Hartstoffe im Schleudergußkörper reproduzierbar eingestellt werden kann.

Hierdurch lassen sich u.a. der Aufwand zur Fertigbearbeitung des Gußteiles erheblich reduzieren und die Eigenschaften des Hartstoff-Metallverbundes gezielt beeinflussen. Daher ist erstmals in wirtschaftlicher und reproduzierbarer Weise das Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes im Schleudergußverfahren (Vertikal- und Horizontal-Schleuderguß) zur verschleißfesten Panzerung von großen und teuren Bauteilen, wie z.B. Walzen, Rollen, möglich. Außerdem können auch sehr harte Boride, Oxide und Karbide zur Bewehrung der äußeren, der Kokillenwand zugekehrten Oberfläche des Gußkörpers zum Einsatz kommen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigt Fig. 1 die schaubildliche Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum kontinuierlichen Herstellen eines verschleißbeständigen Hartstoff-Metallverbundes durch Schleudergießen (hier: Horizontal-Schleuderguß).

Die Schleudergußkokille 1 wird zunächst durch die Antriebsrollen 2 in eine Drehbewegung um ihre Symmetrieachse versetzt. Nach dem Erreichen einer für die gleichmäßige Verteilung der Metallschmelze in der Schleudergußkokille 1 ausreichend hohen Drehgeschwindigkeit wird nach dem üblichen Aufbringen einer Schlichte auf die Kokillenwand (in der Figur nicht gezeigt) reine Metallschmelze 3 aus der Gießpfanne 4 durch die Gießvorrichtung 5 in die kalte Schleudergußkokille 1 gegossen. Durch die hohe Wärmeabfuhr, bedingt durch die kalte Schleudergußkokille 1, erstarrt unmittelbar eine ca. 5 - 15 mm starke Bearbeitungsschicht 6. Nach Fertigstellung des Gußstückes kann die spanhebende Bearbeitung dieser Schicht, die auf den Gießprozeß und die Kokillenkontur zurückzuführenden Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. Mit Hilfe einer Fördereinrichtung 7 (hier nach dem Prinzip einer Wirbelbett-Fördereinrichtung) werden nun mit einem inerten Schutzgas als Träger- bzw. Fördergas 8, vorzugsweise Argon, feste pulverförmige und/oder körnige Hartstoffe 9 durch eine Öffnung 10 in der Gießvorrichtung 5, in der Nähe der Schleudergußkokille 1, in den die Gießvorrichtung 5 durchfließenden Metallstrom injiziert. Die Dosierung der Hartstoffe erfolgt in einfacher Weise durch Einstellung des Trägergasdruckes. Nach Beaufschlagung der Metallschmelze mit synthetischen Hartstoffen 11 wird der Gießvorgang durch Unterbrechung der Pulverzufuhr mit reiner Metallschmelze 12 bis zur Fertigstellung des Gußteiles fortgesetzt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch eine nach dem entwickelten Verfahren gegossene Walze mit einer Bearbeitungsschicht aus Stahlguß 13, einer verschleißbeständigen Schicht 14 aus Stahlguß mit eingebetteten synthetischen Hartstoffen 15 und einen Kern aus Stahlguß 16.