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Die
Erfindung betrifft einen Bearbeitungskörper zum Zerkleinern eines
Aufgabeguts der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung
und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bearbeitungskörpers.
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Für die Bearbeitung
von Materialien und Werkstücken
werden verschleißfeste
Bearbeitungskörper
benötigt.
Insbesondere für
die Zerkleinerung von Materialien, beispielsweise zum Mahlen von
granulatförmigen Stoffen,
werden Bearbeitungskörper,
d. h. Einwirkkörper,
benötigt,
die zumindest an ihrer Bearbeitungsfläche oder mehreren Bearbeitungsflächen verschleißfest sind.
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Die
WO 00/32 335 zeigt einen
Bearbeitungskörper
zum Zerkleinern eines Aufgabeguts, der als Metallgussformkörper mit
wenigstens einer von einem Verbundwerkstoff gebildeten Wirkfläche für die Zerkleinerung des
Aufgabeguts gebildet ist. Der Verbundwerkstoff weist in einer Gussmatrix
aus einem metallischen Gussmaterial wenigstens einen porösen Hartstoffkörper auf,
in den das Gussmaterial eingedrungen ist. Außerdem zeigt diese Druckschrift
auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bearbeitungskörpers.
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Die
WO 00/32 335 offenbart
im Detail ein Verbundgussteil mit einer metallischen Matrix und
mindestens einem in der Matrix befindlichen Einlegeteil. Das Einlegeteil
weist eine offenporige Schwammstruktur auf, und das Material der
Matrix füllt
die Poren des Einlegeteils aus. Das Einlegeteil ist ein schmelzmetallurgisch hergestelltes,
rein metallisches Teil. Die Gussmatrix des Verbundgussteils besteht
aus einem Austenit, so dass das Verbundgussteil auch nach seiner
Fertigung noch eine Duktilität
aufweist, die für
eine gegebenenfalls erforderliche Umformung hinreichend ist. Austenit
wäscht
jedoch relativ rasch aus. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung
von Einlegekörpern
aus Metallschwamm.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die Verschleißfestigkeit des Bearbeitungskörpers zu
verbessern, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine längere Nutzungsdauer.
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Die
Erfindung geht von einem Bearbeitungskörper aus, der als Metallgussformkörper gebildet
ist. Der Metallgussformkörper
weist wenigstens eine Wirkfläche
für eine
Bearbeitung oder Verarbeitung eines Materials auf, die von einem
Verbundwerkstoff gebildet wird. Wenn nachfolgend nur noch von Bearbeitung
die Rede ist, soll die Verarbeitung stets umfasst sein. Der Verbundwerkstoff
weist in einer Gussmatrix aus einem metallischen Gussmaterial wenigstens
einen porösen
Hartstoffkörper
auf, in den das Gussmaterial eingedrungen ist. Der wenigstens eine
Hartstoffkörper
ist sozusagen mit dem Gussmaterial imprägniert. Der Hartstoffkörper weist
eine höhere
Verschleißfestigkeit
bzw. Verschleißbeständigkeit
als das Gussmaterial auf, so dass durch den Verbund eine Wirkfläche mit
einer gegenüber
dem reinen Gussmaterial erhöhten
Verschleißfestigkeit
erhalten wird. Der Verbundwerkstoff besitzt vorzugsweise eine geschlossene,
porenfreie Struktur.
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Die
Matrix wird von einer verschleißfesten
Eisenbasislegierung, einem verschleißfesten Gusseisen, gebildet.
Ein molybdänlegiertes
und/oder chromlegiertes Gusseisen, insbesondere hochchromlegiertes
Gusseisen, stellt ein besonders bevorzugtes Matrixmaterial dar.
Als Beispiele für
solches Material seien GX 300 CrNiSi 952 und GX 300 CrMoNi genannt.
Ein weiteres bevorzugtes Matrixmaterial ist beispielsweise GX 300 NiMo3Mg
oder ADI (austempered ductile iron), deren Gefüge im wesentlichen aus bainitischer
bzw. accicularer Grundmasse bestehen. Gefüge mit bainitischer bzw. accicularer
Grundmasse sind Beispiele erfindungsgemäßer Gefüge. Falls die Gussmatrix in
einer Bainitstruktur oder mit Bainitstrukturanteil vorliegt, so
wird der untere Bainit mit einer Bildungstemperatur ab etwa 250°C und bis
etwa 350°C
aufgrund seiner höheren
Zähigkeit
einem oberen Bainit vorgezogen, der jedoch als Gefügestruktur
nicht ausgeschlossen sein soll. Über
die genannten, besonders bevorzugten Matrixmaterialien hinaus kann
jedes von Verschleißgusskörpern für die Materialbearbeitung
bekannte Gussmaterial das Matrixmaterial bilden. Das Gussmaterial
sollte allerdings eine Härte
nach Vickers von wenigstens 400 HV aufweisen.
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Der
Metallgussformkörper
wird für
die Zerkleinerung von Materialien verwendet und bildet vorzugsweise
einen Mahlkörper,
Quetschkörper
oder auch Brechkörper
zum Zerkleinern von granulatförmigem
Aufgabegut oder auch größeren Aufgabegütern. Verwendung
finden solche Verschleißgusskörper bevorzugt
in der Nahrungsmittelindustrie, der Beschichtungsindustrie, der
Zementindustrie und der Ziegeleiindustrie, um nur Beispiele zu nennen.
Insbesondere können
erfindungsgemäße Metallgussformkörper als
Mahlkörper
für die Kohle-
und Kalkvermahlung, die Klinkervermahlung und beispielsweise die
Herstellung von Zementrohmehl verwendet werden.
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Der
wenigstens eine Hartstoffkörper
ist vorzugsweise ein Keramikkörper,
der aus einem Keramikmaterial aus der Gruppe der Carbide, Oxide
und Nitride oder einer Kombination von mehreren dieser Materialien besteht
oder eines dieser Materialien oder eine Kombination von mehreren
dieser Materialien als wesentlichen Bestandteil enthält. Von
den genannten keramischen Materialien werden die Carbide besonders
bevorzugt, wobei es sich um ein oder mehrere Carbide eines Carbidbildners
oder auch um Carbide mehrerer Carbidbildner aus der Gruppe bestehend
aus Si, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti, Zr, Ta und Hf handeln kann und der
Carbidgehalt des Keramikkörpers
mindestens 20 Gew.-% und höchstens
70 Gew.-% beträgt.
Vorzugsweise beträgt
der Carbidgehalt mindestens 30 Gew.-% und höchstens 60 Gew.-%. Den carbidischen
Anteil bildet bevorzugt SiC allein oder auch in Kombination mit
anderen Carbiden.
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Die
Härte des
Hartstoffkörpers
ist vorzugsweise größer als
die des Matrixmaterials. Während
die Vickershärte
des Matrixmaterials nicht größer als
etwa 800 HV ist, besitzt der Hartstoffkörper eine Vickershärte von
mindestens 1000 HV und bevorzugter von mindestens 2000 HV. Desweiteren
besitzt er vorzugsweise auch eine größere Druckfestigkeit als das
Matrixmaterial. Keramische Hartstoffkörper der genannten Art besitzen
diese Eigenschaften und weisen nicht selten eine Vickershärte von
bis zu etwa 3000 HV auf.
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Um
ein Eindringen des Gussmaterials, und noch bevorzugterweise eine
vollständige
Durchdringung des Hartstoffkörpers
zu fördern,
ist der Hartstoffkörper
offenporig, d. h. er weist eine offene Porosität auf. Die Porendichte des
Hartstoffkörpers
sollte mindestens 5 ppi (Poren pro Quadratinch), aber höchstens
100 ppi betragen. Besonders bevorzugt ist die Porendichte mindestens
10 ppi und höchstens
50 ppi. Die Poren weisen einen Durchmesser von vorzugsweise mindestens
20 μm und
vorzugsweise höchstens
1000 μm
auf. Besonders bevorzugt ist der Durchmesser der Poren mindestens
50 μm und
höchstens
500 μm.
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Ein
keramischer Hartstoffkörper
weist vorzugsweise eine Schaumstruktur auf. Solch ein Keramikschaumkörper kann
aus einem Keramikmaterial bestehen und eine Struktur aufweisen,
wie sie von Gießfiltern für Metallschmelzen,
insbesondere von Gießfiltern
für Gusseisenmaterialien,
bekannt sind. Ein Gießfilter
stellt sogar unmittelbar einen besonders bevorzugten Hartstoffkörper dar.
Der Hartstoffkörper
muss daher nicht erst eigens für
die Erfindung hergestellt, sondern kann vorteilhafterweise sozusagen
von der Stange bezogen werden. Eine bevorzugte Struktur ist schwammartig.
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In
der nachfolgenden Tabelle 1 wird ein bevorzugtes Keramikschaummaterial
mit bevorzugten Wertebereichen von Materialkennwerten angegeben,
wobei besonders bevorzugte Wertebereiche in Klammern eingetragen
sind:
| Porendichte | 5–100 ppi
(10–50
ppi) |
| Porendurchmesser | 20–1000 μm (50–500 μm) |
| Oberfläche/Volumen | 0,01–10 m2/m3 (0,05–1,5 m2/m3) |
| Vickershärte | 1000–3000 HV
(> 2000 HV) |
| Carbidanteil | 20–70 Gew.-%
(30–60
Gew.-%) |
| oxidischer
Anteil (Oxide und Oxidverbindungen) | 10–60 Gew.-%
(10–50
Gew.-%) |
| Bindemittel
(anorganisch, feuerfest) | 10–30 Gew.-%
(10–30
Gew.-%) |
Tabelle
1: Schaumkeramischer Hartstoffkörper
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Der
in vorstehender Tabelle angegebene oxidische Anteil setzt sich vorzugsweise
aus keramischen Oxiden und Dioxiden zusammen. Der Oxidanteil beträgt vorzugsweise
zwischen 10 und 40 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 10 und 30
Gew.-%, und der Dioxidanteil macht vorzugsweise 2 bis 20 Gew.-%
aus. In der Tabelle ist der oxidische Anteil als Summe sämtlicher
Oxidanteile angegeben. Als Oxid ist insbesondere Aluminiumoxid Al2O3 und als Dioxid
ist insbesondere Siliziumdioxid SiO2 geeignet.
Der Anteil des Oxids liegt vorzugsweise zwischen 10 und 40 Gew.-%,
und der Anteil des Dioxids liegt vorzugsweise zwischen 2 und 20 Gew.-%.
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Der
wenigstens eine Hartstoffkörper
kann seiner Form nach an die Wirkfläche des erfindungsgemäßen Metallgusskörpers angepasst,
sozusagen maßgeschneidert
sein. In ebenfalls bevorzugter Ausführung wird der Verbundwerkstoff
mit einer Mehrzahl von Hartstoffkörpern gebildet, die an der
Wirkfläche
des Metallgusskörpers
nebeneinander, vorzugsweise so dicht als möglich nebeneinander angeordnet
und in der Gussmatrix eingebettet sind. Jeder einzelne der Mehrzahl
von Hartstoffkörpern
weist vorzugsweise folgende Abmessungen auf: Die größte Länge beträgt mindestens
10 mm und höchstens
200 mm, die größte Breite
beträgt
mindestens 10 mm und höchsten
100 mm und die größte Dicke
beträgt
mindestens 5 mm und höchstens
50 mm. Die Hartstoffkörper
können
die Form von einfachen Quadern, Prismen und/oder zylindrischen Körpern aufweisen.
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Schließlich ist
auch darauf hinzuweisen, dass ein erfindungsgemäßer Metallgussformkörper nur
lokal einen oder mehrere eingebettete Hartstoffkörper aufweisen kann, insbesondere
in einem Bereich, in dem ein gegenüber anderen Bereichen erhöhter Verschleiß zu befürchten ist.
Darüber
hinaus kann besonders bevorzugt auch die Verschleißfestigkeit
der gesamten Wirkfläche
des Metallgusskörpers
durch den Verbund des oder der Hartstoffkörper mit der Gussmatrix verbessert
werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Bearbeitungskörpers in Form eines Metallgussformkörpers mit
wenigstens einer verschleißfesten
Oberfläche
umfasst zumindest die beiden folgenden Schritte: Es wird wenigstens
ein poröser
Hartstoffkörper
in einer Gussform an einer Gussformfläche befestigt, beispielsweise
mittels einem oder mehreren Formnägeln. Die Gussformfläche, an
welcher der wenigstens eine Hartstoffkörper befestigt wird, weist
vorzugsweise die Form der verschleißfesten Oberfläche des
Metallgusskörpers
auf. Falls der wenigstens eine Hartstoffkörper nur einen Bereich dieser
Oberfläche
mitbildet, die betreffende Oberfläche aber über einen größeren Bereich
besonders verschleißfest
sein soll, werden mehrere solcher Hartstoffkörper dicht an dicht nebeneinander
an der Gussformfläche
angeordnet und befestigt. Nach der Befestigung des wenigstens einen
Hartstoffkörpers
oder der mehreren Hartstoffkörper
wird die Gussform mit einer Schmelze eines im erstarrten Zustand
verschleißfesten
Eisenbasismaterials ausgegossen, so dass das Gussmaterial den oder
die Hartstoffkörper
einbettet und in den oder die Hartstoffkörper eindringt. Das Eisenbasismaterial
ist ein Gusseisenmaterial der in Anspruch 9 genannten Art. Der wenigstens
eine Hartstoffkörper
ist ein Keramikkörper
aus einem von Gießfiltern
für Eisenbasislegierungen
bekannten Material und mit einer von diesen Gießfiltern bekannten Struktur.
Vorzugsweise handelt es sich um einen Keramikschaumkörper. Die
in Bezug auf erfindungsgemäße Bearbeitungskörper gemachten
Ausführungen über den
oder die Hartstoffkörper
und das Gussmaterial gelten auch in Bezug auf das Verfahren, zumal
das Verfahren besonders bevorzugt die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskörpers für die Materialbearbeitung
betrifft.
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Der
Hartstoffkörper
behält
seine Struktur bei dem Gießvorgang
bei, d. h. er ist bei der Gießtemperatur strukturbeständig. Im
Falle von bevorzugten Eisenbasislegierungen ist der Hartstoffkörper bis
wenigstens 1400°C,
vorzugsweise bis wenigstens 1500°C,
strukturbeständig.
Keramische Materialien weisen eine gute Temperaturwechselbeständigkeit
auf, wodurch zum einen eine gute Beständigkeit gegen Ausbrüche bei
Temperaturwechseln während
des Herstellungsprozesses und zum anderen auch eine gute Beständigkeit
gegen wechselnde Temperaturen im betrieblichen Einsatz der Metallgussformkörper gewährleistet
ist. Keramische Hartstoffkörper
sind darüber
hinaus mit den üblichen
Gusswerkstoffen gut benetzbar, so dass die Herstellung von Metallgussformkörpern mit
wunschgemäß geschlossener,
porenfreier Struktur des Verbundwerkstoffs möglich ist. Da in einer bevorzugten
Verwendung als Mahlkörper
die Wirkfläche
bzw. Arbeitsfläche
des Mahlkörpers
in erster Linie auf Druck beansprucht wird und die Druckfestigkeit
bevorzugter Hartstoffkörper
höher als
diejenige des Matrixmaterials ist, wird das Matrixmaterial durch
den oder die Hartstoffkörper
gegen Abrieb und sonstige Zerstörung
geschützt,
so dass die Druckfestigkeit des Mahlkörpers oder eines vergleichbar
beanspruchten Metallgussformkörpers
an der Wirkfläche
oder allgemeiner an der verschleißfesten Oberfläche insgesamt
deutlich erhöht
wird.
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Gegenüber einem
metallurgischen Zulegieren von Carbiden weist der erfindungsgemäß gebildete
Verbund als Vorteil auf, dass die mechanischen Eigenschaften des
Metallgusskörpers
nicht durch gewöhnlich spießige Carbide
gestört
werden, da aufgrund der glattwandig porösen Struktur des Hartstoffkörpers keine
innere Kerbwirkung im erstarrten Gussmaterial, d. h. in der Werkstoffgrundstruktur,
auftritt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
erläutert.
An dem Ausführungsbeispiel
offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination
die Gegenstände
der Ansprüche
vorteilhaft weiter. Es zeigen:
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1 einen
Metallgussformkörper
mit eingebetteten Hartstoffkörpern
in einem Querschnitt,
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2 eine
Gießform
mit darin ausgelegten Hartstoffkörpern
für eine
Herstellung eines Metallguss-Probekörpers und
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3 den
gegossenen Metallguss-Probekörper.
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In 1 ist
in einem Querschnitt ein Metallgussformkörper 1 dargestellt,
der im Ausführungsbeispiel ein
Mahlplattensegment für
ein Mahlwerk für
die Vermahlung von granulatförmigen
Stoffen, beispielsweise Kohle, Kalk, Klinker oder Zementrohmehl,
ist. Der Metallgussformkörper 1 kann
als Zylinderringsegment, wie beispielsweise der in 3 dargestellte
Metallguss-Probekörper,
ausgebildet sein. Auch ein Guss als voller Zylinderring oder auch
jeder anderen Mahlkörperform
ist denkbar. Der Guss erfolgt statisch unter Schwerkraft in einer
Gussform mit einem Überkopfspeiser 5.
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Der
Metallgussformkörper 1 weist
an einer Stirnfläche,
die eine plane Arbeits- bzw. Wirkfläche 2 bildet, einen
Verbundwerkstoff in einer über
die gesamte Wirkfläche
gleichmäßig dicken
Schicht 3 von etwa 20 mm Schichtdicke auf. Der Verbundwerkstoff
dieser Schicht besteht aus einer Mehrzahl von dicht nebeneinander angeordneten
Hartstoffkörpern 7 (2),
die von dem erstarrten Gussmaterial durchdrungen sind. Das Gussmaterial
bildet eine Gussmatrix 4, in der die Hartstoffkörper 7 eingebettet
sind und im Verbund mit dem Gussmaterial die Wirkfläche 2 bilden.
Um eine möglichst
vollkommene Durchdringung zu ermöglichen,
weisen die Hartstoffkörper 7 eine
offene Porosität
auf. Die Hartstoffkörper 7 bestehen
aus einer hochtemperaturfesten Schaumkeramik, die bei dem Gießvorgang,
d. h. bei der Gießtemperatur
der Metallschmelze ihre offenporige Struktur beibehält.
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Im
Ausführungsbeispiel
werden die Hartstoffkörper 7 durch
eine Schaumkeramik gebildet, wie sie von Gießfiltern für Eisenbasisschmelzen, vorzugsweise
Gusseisen, bekannt sind. Die in ppi (Poren pro Quadratinch) gemessene
Porendichte der Hartstoffkörper 7 wird
dem Gussmaterial angepasst gewählt.
Als Filter für die
betreffende Schmelze verwendbare Schaumkeramik weist von Hause aus
bereits eine für
die möglichst vollkommene
Durchdringung günstige
Porosität
auf, so dass die Anpassung grundsätzlich keine Probleme bereitet.
Da an Gießfilter
wegen der bei Filteranwendungen höheren Verstopfungsgefahr auch
höhere
Anforderungen an die Durchströmbarkeit
und damit die Durchdringbarkeit gestellt werden, ist die Forderung
nach vollkommener Durchdringbarkeit bei Verwendung von Gießfiltermaterialien
leicht erfüllt.
Da für
die Herstellung des Metallgusskörpers 1 die
Hartstoffkörper 7 nur
ein einziges Mal durchströmt,
d. h. durchdrungen werden müssen,
kann davon ausgegangen werden, dass sämtliche Gießfilter, die zum Filtern von
Eisenbasisschmelzen verwendet werden, auch als Hartstoffmaterial
für den
Verbundwerkstoff des Metallgusskörpers 1 geeignet
sind. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Porendichte der
Hartstoffkörper 7 für den Metallgusskörper 1 sogar
größer sein
kann als die Porendichten der üblichen
Gießfilter
für Eisenbasisschmelzen.
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Die
Gussmatrix
4 wird beispielsweise von dem Werkstoff GX 300
CrNiSi 952 gebildet. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind neben diesem
Werkstoff weitere besonders bevorzugte Werkstoffe für die Gussmatrix
4 des
Ausführungsbeispiels
und jeden anderen erfindungsgemäßen Metallgussformkörper angeführt.
| Kurzzeichen | Werkstoffnummer
DIN 1695/Handelsname | Gefüge |
| G-X
300 NiMo 3 Mg | 0.9610 | Bainit
und/oder Martensit, Kugelgraphit, Gefüge im allgemeinen frei von
Carbiden |
| G-X
260 NiCr 4 2
G-X 330 NiCr 4 2 | 0.9620
Ni-Hard 2
0.9625 Ni-Hard 1 | Zementit
in überwiegend
martensitischer Grundmasse |
| G-X
300 CrNiSi 9 5 2 | 0.9630
Ni-Hard 4 | Vorwiegend
Chrom-Carbide in martensitischer Grundmasse gegebenenfalls mit Restaustenit. |
| G-S
300 CrMo 15 3
G-X 300 CrMoNi 15 2 1
G-X 260 CrMoNi 20
2 1
G-X 260 Cr 27
G-X 300 CrMo 27 1 | 0.9635
Legierung 15-3
0.9640 Legierung 15-2-1
0.9645 Legierung
20-2-1
0.9650
0.9655 | Vorwiegend
Chrom-Carbide in einer Grundmasse, die je nach Zusammensetzung und
Wärmebehandlung überwiegend
aus Perlit, Martensit oder Austenit besteht. |
Tabelle
2: Gussmatrix-Werkstoffe
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2 zeigt
eine ringsegmentförmige
Gießform 6 von
oben, an deren Bodenfläche
nebeneinander Hartstoffkörper 7 dicht
nebeneinander gelegt sind. Die Hartstoffkörper 7 werden je durch
Quader mit einer Länge
von 75 mm, einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 20 mm gebildet.
Die Hartstoffkörper 7 werden
in dieser Anordnung mit Formnägeln
an der Bodenfläche
der Gießform 6 befestigt.
Für den
Abguss des Probekörpers
wurden exakt quaderförmige
Hartstoffkörper 7 verwendet,
wie sie unmittelbar als Keramikschaum-Gießfilterkörper erhältlich sind.
Zur vollkommen gleichmäßigen Überdeckung
der Bodenfläche
der Gießform 6,
und damit zur Ausbildung einer vollkommen gleichmäßigen Verbundstruktur
in der Verbundwerkstoffschicht 3 (1), können selbstverständlich auch
der Form der Wirkfläche 2 des
Metallgusskörpers 1 exakter
angepasste Hartstoffkörper 7 verwendet
werden. Insbesondere kann die Verbundwerkstoffschicht 3 auch mit
einem einzigen, homogenen Hartschichtkörper gebildet werden.
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3 zeigt
den gegossenen Probekörper
nach der Entnahme aus der Gießform 6.
Der Probekörper ist
im Bereich einer Ringsegmentfläche 8 angeschliffen
worden. Die von dem Verbundwerkstoff gebildete Oberfläche des
Probekörpers
ließ sich
extrem schwierig schleifen. Der Abtrag lag hauptsächlich in
der Schleifscheibe und nicht am Probegusskörper. Im Vergleich zu einer
herkömmlichen
Fertigungsmethode, d. h. einem Metallgusskörper nur mit der Gussmatrix 4 und
ohne die Verbundwerkstoffschicht 3, konnte ein deutlicher
Anstieg der Verschleißbeständigkeit
der Gussoberfläche
beobachtet werden, wie dies für
einen Metallgussformkörper 1 zur
Materialbearbeitung vorteilhaft ist.