DE2518608A1

DE2518608A1 - Verschleissfeste legierung und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2518608A1
Application number: DE19752518608
Authority: DE
Inventors: Preston Lee Gale; Eugene Lee Helton; Robert Charles Mueller
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1974-05-02
Filing date: 1975-04-24
Publication date: 1975-11-13
Also published as: BR7501190A; JPS5735265B2; GB1503706A; SE7504990L; CA1061606A; SE415668B; ZA752699B; IT1035573B; AR209437A1; US3970445A; JPS50149573A; TR18540A; FR2269584A1; ES437160A1; AU8040475A; FR2269584B1; IN143477B

Description

Hamburg, den 23o April 1975 174575 ο1396 LP

Priorität: 2_O Mai 1974, U.3.Ao,

Nro 466 141

Anmelder;

Caterpillar Tractor Co,
Peoria, 111., U.SoAo

Verschleißfeste Legierung und Verfahren zu ihrer

Herstellung

Die Erfindung·bezieht sich auf eine verschleißfeste oder abriebfeste Legierung sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung» Die Erfindung betrifft insbesondere eine solche Legierung, die auch in solchen Bereichen eingesetzt werden kann, in denen mit stark schleifenden Einwirkungen zu rechnen ist.

In den Erdboden eingreifende Werkzeuge, wie Aufreißerspitzen, Greifer- oder Baggerlöffelzähne und Schneidkanten, die bei

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verschiedenen Arten von Erdbearbeitungsmaschinen oder Geräten verwendet werden, unterliegen alle einer erhöhten Abnutzung, da sie beim Einsatz der Maschinen ständig mit Gestein, oand und anderen Bodenmaterialien in Berührung kommen» Es ist deshalb besonders für solche Werkzeuge erwünscht, daß sie aus hoch verschleißfestem Material bestehen, siehe z_oB_o die US-PS 1 493 191, 3 275 426 und 3 334 996 usw. Dabei soll das Material verhältnismäßig billig sein, um die Kosten für die nicht zu vermeidende Auswechslung gering zu halten, siehe ZoB. die Britische PS 1 338 I4O0 Zur Verwendung für diesen oder andere Zwecke, die eine besonders abriebfeste Legierung verlangen, sind bereits viele verschleißfeste Legierungen entwickelt worden,. Viele solche Legierungen sind jedoch aus Materialien zusammengesetzt, die entweder schwer zu beschaffen oder teuer oder beides sind«, Z₀B₀ hat Wolfram Karbid ausgezeichnete .Eigenschaften mit Bezug auf die Verschleißfestigkeit, ist jedoch verhältnismäßig teuer« Überdies ist es besonders im Pail der Werkzeugherstellung häufig sehr wichtig, daß die Verschleißfestigkeitseigenschaft der Legierung durch Wärmebehandlung im wesentlichen unbeeinflußt bleibte Z₀B. ist ein übliches Verfahren, mit welchem aus verschleißfester Legierung bestehende Metallteile mit einem zur Erdbearbeitung dienenden Stahlwerkzeug verbunden werden, das Hartlöten, Dies Verfahren macht den Stahl des Werkzeuges jedoch weich und erfordert demnach eine Wärmebehandlung des Stahles zur Erhöhung der Festigkeitο Viele Legierungen werden durch solche Wärmebehandlung abträglich beeinflußt, so daß entweder die Legierung unter diesen Umständen nicht verwendet oder der Stahl nicht nachträglich gehärtet werden kann. Häufig sind

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auch bekannte verschleißfeste Legierungen ungeeignet für Werkzeuge, die bei ihrem Einsatz häufigen Stoßen ausgesetzt sind, da solche harten Legierungen vielfach spröde sind und daher leicht unter Stoßeinwirkung zerbrechen_o

Die Erfindung bezweckt daher, aus leicht erhältlichen Elementen eine wenig kostspielige, verschleißfeste Legierung zu schaffen_o

Die Erfindung bezweckt weiter, ein Verfahren zur Herstellung einer hoch verschleißfesten Legierung zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Material ist eine verschleißfeste Le~ gierung aus Bor, Chrom und Eisen, und erhält seine optimale Härte dadurch, daß die Legierung in Form von im wesentlichen kugelförmiger Teilchen hergestellt wird, die dann in die gewünschte Form gegossen oder in einer Matrix aus einem anderen Legierungsmaterial verteilt werden, so daß eine "zus ammeng ersetzte" Legierung gebildet wird.

Der Ausdruck "zusammengesetzt" oder "zusammengesetzte Legierung wird hier für ein Legierungsmaterial gebraucht, bei welchem zwei oder mehrere metallurgisch verschiedene Legierungen zunächst unabhängig und getrennt voneinander hergestellt werden. Diese gesondert hergestellten Legierungen werden dann körperlich miteinander, allgemein im "trockenen" Zustand und bei Temperaturen der Atmosphäre vermischt, um ein homogenes Gemisch daraus herzustellen«. Diese Legierungsmischung vvird dann einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der eine Temperatur erreicht wird, die ausreichend hoch ist, um wenig-

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stens eine der Legierungen zum Schmelzen oder wenigstens bis zum Beginn des Schmelzens zu bringen und dadurch die Mischung zu einer einheitlichen physikalischen Masse zusammenzulöteno Es ist zu beachten, daß wenigstens eine der Legierungskomponenten während dieses "Lot"—Vorganges im wesentlichen körperlich unverändert bleibt.

Die sich ergebende "zusammengesetzte" Legierung ist zwar eine einheitliche Masse, enthält aber die beiden ursprünglichen Legierungen in unterscheidbar getrennten Teilen, und beide Legierungen behalten ihre individuellen metallurgischen Eigenschaften im einzelnen, obwohl die zusammengesetzte Legierung als ganzes ihre eigenen gesonderten metallurgischen und physikalischen Eigenschaften aufweist.

Mit der Erfindung wird demnach ein Material in Form einer verschleißfesten Legierung geschaffen, die Bor, Chrom und Eisen enthält und für eine gegebene Zusammensetzung eine maximale Härte aufweist,, Ein wesentlicher Schritt zur Herstellung dieser Legierung ist das schnelle Abkühlen und Verfestigen von im wesentlichen kugelförmigen Teilchen aus einer geschmolzenen Legierungsmischung. Die sich ergebenden festen Teilchen werden dann in die gewünschte Form gegossen oder in eine zusammengesetzte Legierung gebracht, in der die festen Teilchen durch eine Matrix aus von der Legierung verschiedenem Material zusammengehalten werden₀

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und

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der Zeichnung, in denen die Erfindung ausführlich erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine 50-fach vergrößerte Mikrophotographie eines erfindungsgemäßen Materials mit Legierungsteilchen, die in eine Legierungsmatrix eingebettet sind, und

Figo 2 eine weitere, 100-fach vergrößerte Mikrophotographie eines erfindungsgemäßen Materials mit in einer Legierungsmatrix eingebetteten Legierungsteilchen«

Nach der Erfindung wird eine verschleißfeste Legierung aus verhältnismäßig billigen und leicht verfügbaren Elementen hergestellt, die miteinander legiert und dann so b.ehandelt werden, daß sie äußerst harte, verschließfeste Teilchen geben, besonders in kugelartigen Formen,, Diese kugelförmigen Teilchen können zusammengelötet oder stattdessen zu einer zusammengesetzten' Legierung verarbeitet werden, die die kugelförmigen Teilchen in einer Matrix aus einer festen, zähen Legierung enthalte Der erfindungsgemäß verschleißfeste Legierungsteil ist im wesentlichen eine Bor enthaltende Eisen— Chrom-Legierungβ

Im einzelnen weist eine erfindungsgemäße Legierung im wesentlichen Bor, Chrom und Eisen in den folgenden Gewichtsprozenten

Bor etwa 6,0 - etwa 12 $

Chrom etwa 25 - etwa 61 fi

Eisen Rest

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Diese Kombination von Elementen in den angegebenen Prozentsätzen liefert eine zusammengesetzte Mischung aus Eisen und Chrom-Boriden mit äußerst hohen Härtewerten, die typisch
im Bereich einer Knap-Härte von etwa 1200 bis «etwa 1600 kg/mm liegen oder etwa Rockwell-Härte G 70 haben«. An sich wäre zu erwarten, daß die hohen Anteile an Bor und Chrom, die durch die vorstehenden Bereiche bestimmt sind, zu einer äußerst
spröden Legierungskomposition führen würden,. Dies ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Legierung praktisch nicht der Fall. Wahrscheinlich beruht dies auf den hohen Eisen-Anteilen in der Legierung, wodurch eine Eisen-Phase gebildet wird, die der
Legierung die erforderliche Fähigkeit verleihto

Als erfindungsgemäß verschleißfeste Komponente empfiehlt sich auch, eine der vorstehenden Komposition sehr ähnliche Legierung mit der nachfolgend angegebenen Zusammensetzung:

Bor 6,0 - etwa 12 i«

Chrom 61 - etwa 70 $>

Kohlenstoff 0,05 - etwa 2 #

Eisen Rest

Diese Legierung zeigt eine außerordentliche Härte nach Verarbeitung zu Schrot in der nachfolgend beschriebenen Weise»

Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird bei
umgebungstemperatur die geschmolzene Legierungsmischung auf eine Fläche gegossen, die aus einem Material wie etwa Graphit hergestellt und über einem Behälter mit flüssigem Kühlmittel angeordnet ist© "Vorzugsweise wird die geschmolzene Mischung

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in einem Strahl aus einer Höhe von etwa 4-5 Fuß (etwa 120 150 cm) über der Kühlfläche ausgegossen. Als flüssiges Kühlmittel wird am einfachsten Wasser verwendet. Stattdessen können auch andere Kühlflüssigkeiten benutzt werden_o Der Behälter wird mit dem flüssigen Kühlmittel bis zu einer Höhe gefüllt, die ausreicht, um eine vollständige Verfestigung der Legierungsteilchen zu gewährleisten, bevor sie den Boden des GefäiSes mit der Abschreckflüssigkeit erreichen»

Beim Auftreffen auf die kalte Fläche explodiert oder zerstäubt die Mischungsschmelze in Mausende von kugelförmigen Teilchen verschiedener Größe, die unmittelbar in den Behälter mit dem Kühlmittel fallen, in dem sie sehr schnell abkühlen und sich verfestigen

Mit diesem Verfahren hergestellte Legxerungsmischungen zeigen hohe Festigkeits- und Harte-Sigenschaften bei gleichzeitiger hoher Verschleißfestigkeit_o Die außerordentliche Härte und Festigkeit dieser Legierungsteilchen wird wenigstens zum Teil auf die Oberflächenspannung zurückgeführt, die in den Teilchen entsteht, wenn sie nach Berührung der kalten Fläche sich zu Kugelformen ausbilden«

Die Härte der Legierungsteilchen, die erfindungsgemäß hergestellt worden sind, ist mit derjenigen solcher Legierungs— teilchen verglichen worden, die gleiche Größe und Zusammensetzung haben und durch bekannte Verfahren hergestellt worden sind« Z.B. wurden bei einem Versuch Metallstücke mit einer Legierungszusammensetzung von 25$ Chrom, 8,8 fö Bor und 66,2 $> Eisen verteilt und gesiebt, so daß Teilchen mit einer Größe

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entsprechend einer Maschenweite von 10 - 20 erhalten wurden_o Diese zeigten eine Knoop-Härte von etwa 1100 kg/mm "bei 500 g Belastung» Ähnlich große Teilchen derselben Legierungsmischung wurden erfindungsgemäß durch Zerstäuben hergestellt» und zeigten eine Knoop-Härte von etwa 1400 kg/mm bei 500 g .Belastungo

Für eine ähnliche Prüfung wurde eine Legierungsmischung mit 40$ Ohrom, 10% Bor und 50$ Eisen verwendete Die durch Zerteilen eines größeren Gußstückes erzeugten Teilchen hatten eine Knoop-Härte von 1200 - 1300 kg/mm bei 500 g Belastung. Die erfindungsgemäß hergestellten Teilchen hatten eine Knoop-Härte von 1500 - 1600 kg/mm² bei 500 g Belastung«

Noch härtere kugelförmige Teilchen können erfindungsgemäß mit Legierungsmischungen hergestellt werden, die zusätzlich zu Bor_T Chrom und Eisen bis zu 2$ Kohlenstoff enthalten. Eine Mischung aus etwa 62,5$ Or, 9$ B, 1,8$ 0 und Rest Fe bildet eine eutektische metallurgische Mischung aus Ohrom-Boriden und Eisen-Karbiden. Legierungen aus diesem rüschungsbereich liefern einen ochrot mit einer Knoop-Härte im Bereich von 1700 - 2000 kg/mm² bei 100 g Belastung.

Nach der Verfestigung werden die kugelförmig en Legierungsteilchen aus dem flüssigen Kühlmittel herausgenommen. Sodann werden aie vorzugsweise mit einem Schutzmetall überzogen, insbesondere dann, wenn die Teilchen nachfolgend mit einer Matrix-Legierung verlötet werden, um die gewünschte zusammengesetzte Legierung zu bilden· Dieser Metallüberzug dient dazu

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die Legierung während der Lagerung gegen Oxidation zu schützen,, ./eiter wird dadurch in einem gewissen Ausmaß die Bindung der 'Teilchen mit dem Substrat während der Hartlötung verzögert und damit eine Legierungsdiffusion in das Substrat verhindert. Eine Diffusion begünstigt das Zerfressen der harten kugelförmigen Teilchen und verschlechtert die erwünschte kristalline Struktur der Schrotteilchen, wenigstens in deren Umfangsbereichen. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vmr, daß die kugelförmigen Teilchen mit Nickel überzogen werden.» Es können aber auch 'andere Metalle, wie Kupfer oder Chrom, verwendet werden, die den gewünschten Schutz gewährleisten.

Das Überziehen kann durch übliches Galvanisieren ausgeführt werden« Die kugelförmigen Teilchen werden in einen trommeiförmigen Behälter eingebracht, der Öffnungen aufweist," die mit feinem Maschendraht überdeckt sind, so daß die kleinen Teilchen in dem Behälter gehalten werden«, Der Behälter wird dann in eine metallische Plattierungslösung, Z₀B₀ für eine liickelplattierung, eingetaucht und darin gedreht, während elektrischer Strom angelegt wird«. Die Lösung kann frei durch die sich drehende Trommel fließen und alle darin befindlichen Teilchen erreichen_e Bin Metallüberzug von etwa 0,001 bis etwa 0,003" (etwa 0,0254 bis etwa 0,0762 mm) reicht aus, um eine Oxidation zu verzögern und während der Erzeugung der zusammengesetzten Legierung durch Sintern oder Hartlötung die Gefahr eines Anfressens durch die Matrix-Legierung so gering wie möglich zu halten_o

Die kugelförmigen Legierungsteilchen können auch mit oder

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ohne Plattierung durch mechanische Verdichtung zu einem homogenen Block der gewünschten Form gebildet werdeno Auch können die Teilchen an der gewünschten otelle eingegossen werden, oder können gesondert gegossen und dann in Bindung gebracht werden_o. Außerdem können die Legierungsteilchen in eine Matrix aus einem anderen Material eingearbeitet werdeno Im allgemeinen ergibt sich eine größere Härte und Festigkeit dadurch, daß ein Körper allein aus den kugelförmigen Legierungsteilchen bestehto Häufig ist es jedoch vorteilhaft, einen zusammengesetzten Körper aus Legierungsteilchen und Matrix-Material herzustellen, Z₀B₀ empfiehlt sich eine zusammengesetzte Legierung aus kugelförmigen Teilchen und festem, zähem Matrix-Material, falls die Fähigkeit zur Aufnahme von Stößen verstärkt werden solle

Die Fig. 1 und 2 zeigen Mikrophotographien der zusammengesetzten oder Mischungslegierung nach der Erfindung» Die verschleißfesten kugelförmigen Legierungsteilchen sind deutlich zu erkennen«, Fig. 1 zeigt kugelförmige Teilchen mit einer Zusammensetzung aus 35$ Cr, 10,9$ B und dem Rest Eisen, Die dünne Nickelschicht, welche die Verschleißfeste Kugel umgibt, ist ebenfalls zu erkennen. Figo 2 zeigt auch eine Mikrophotographie eines Musters der Mischungslegierung» Das kugelförmige Teilchen wurde analysiert und ergab 50$ Or, 10,9 B und Rest Fe₀ Das kugelförmige Teilchen war ebenfalls nickelplafcbiert _β

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung des

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/erfahrene und der Mischung nach der Erfindung_o

Beispiel

Eine_ Mischung aus Armeo-Block-Eisen, Elektrolyt-Chrom und Ferro bor wurde in einem Induktionsofen bei 2600 bis 2700° Fahrenheit (1427 - 1482⁰C) geschmolzen, um daraus harte Teilchen nach der Erfindung herzustellen. Die sich ergebende üiiochung der verschleißt"esten Legierung enthielt 66$ Fe, 25/0 Ct und 9fo B₀ Die geschmolzene Legierung wurde aus einer Höhe von etwa 3 Fuß (0,9 m) auf eine schrägstehende Graphitplatte gegossen, die unmittelbar über einem Behälter gehalten wurde, der mit vVasser gefüllt war. Beim Auf treffen auf die Graphitplatte wurde der aus geschmolzener Legierung bestehende Strahl zu Teilchen verschiedener Größe zerteilte -Beim Eintritt in Wasser verfestigte sich die Legierung zur bildung kugelförmiger Teilchen. Das Verfahren ergab kugelförmige Guiäteilchen, die hauptsächlich aus Boriden bestanden und eine Knoop-fiärte von I4OO und darüber zeigten» Diese ieilchen wurden dann elektrolytisch gereinigt und mit einer Ilickelschicht überzogen, um eine Oberflächenoxidation zu verzögern und die Bindung zur Matrix-Legierung zu verbessern·

- PATENTANSPRÜCHE -

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verschleißfeste Legierung, bestehend hauptsächlich aus Eisen, Chrom und Bor, in Gestalt gegossener kugelförmiger' Teilchen»

2ο Legierung nach Anspruch 1 mit einer Teilchengröße, die im wesentlichen durch Ausgießen eines Strahles der Legierungsschmelze aus einer Höhe von etwa 0,9 - 1,5 m auf eine harte Fläche zur Zerstäubung des auftreffenden Strahles in die entsprechenden, anschließend abgeschreckten und verfestigten Teilchen bestimmt ist_o

3ο Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 25 - etwa 61 Gew.^ Chrom, etwa 6 - etwa 12 Gew_o$ Bor, Rest Eisen.

4« Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch etwa 61 - etwa 70 Gew_e$ Chrom, etwa 6 - etwa 12 Gew_o$ Bor, etwa 0,05 - etwa 2 Gew»^ Kohlenstoff, Rest Eisen< >

5· Legierung nach Anspruch 1-4» dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen zusätzlich mit einem Metallüberzug versehen sind.

6ο Legierung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch einen Überzug aus einem Metall, das aus der aus Nickel, Chrom und Kupfer bestehenden Gruppe gewählt ist_o

7ο Verfahren zur Herstellung von Legierungen auf Chrom-Eisen-

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Basis mit verbesserten Härteeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß kugelförmige Gußteilchen hergestellt werden, indem eine Legierungsschmelze zu Tröpfchen zerstäubt und anschließend schnell abgeschreckt und verfestigt wird? solange die Legierungsteilchen noch Tropfenform habeno

8β Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl der Legierungsschmelze auf eine unmittelbar über einem Kühlflüssigkeitsbad angeordnete Platte gegossen wirde

9ο Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine G-raphitplatte verwendet wird«

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