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Dokumentenidentifikation DE202007004774U1 27.09.2007
Titel Verschleißfestes Teil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff, keramischer Kuchen für ein Teil aus keramischen Metallmatrix-Verbundstoff, Schleifwalze und Tischverkleidung, umfassend ein Teil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff
Anmelder AIA Engineering Ltd., Ahmedabad, IN
Vertreter Busse & Busse, Patent- und Rechtsanwälte, 49084 Osnabrück
DE-Aktenzeichen 202007004774
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 27.09.2007
Registration date 23.08.2007
Application date from patent application 31.03.2007
IPC-Hauptklasse C22C 29/02(2006.01)A, F, I, 20070331, B, H, DE

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff und einen keramischen Kuchen zur Verwendung in einem keramischen Metallverschleißteil. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Kuchens zur Verwendung in einem Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff. Die Erfindung betrifft ferner eine Schleifwalze, die ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff umfasst, und eine Tischverkleidung für eine Vertikaldrehbank, die ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff umfasst.

Viele gewerbliche Anwendungen betreffen Komponenten, die im Laufe der Betriebslebenszeit der Komponente verschleißen. Die Anwendungen von Teilen, die verschleißfest sein müssen, sind in der Zement-, Bergbau- und Wärmeenergieerzeugungs-Industrie recht alltäglich. Historisch gesehen wurden während der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts 12%iger Mn-Stahl und NiHard-Werkstoffe für verschleißfeste Anwendungen benutzt. In den letzten 50 Jahren sind stark chromhaltige Eisen für verschleißfeste Anwendungen erfolgreich benutzt worden und haben NiHard und 12%iges Mn Stahlmaterialien größtenteils ersetzt.

Die Suche nach einer weiter verbesserten Verschleißfestigkeit wurde fortgesetzt und in den letzten 15 Jahren werden keramische Metallmatrix-Verbundstoffe mit unterschiedlichem Erfolg für verschleißfeste Anwendungen benutzt. Die vorliegende Erfindung befindet sich in dem gleichen Bereich und verbessert die Wirtschaftlichkeit und die Verschleißeigenschaften im Vergleich zu derzeit benutzten Verbundstoffen wesentlich. Keramische Metallmatrix-Verbundstoffe umfassen keramische Teile, die in einer Metallmatrix eingebettet sind.

HINTERGRUND UND VERWEISE AUF DEN STAND DER TECHNIK

Im Hinblick auf keramische Metallmatrix-Verbundstoffe ist die erste Entscheidung naturgemäß die Wahl des keramischen Materials, das gewöhnlich in Form von Körnern vorliegt. Aluminiumoxid ist als ein gutes Schleifmaterial bekannt. In diesem Kontext ist die US-Patentschrift (Nr. 3,181,939 vom 04.05.1965) von Douglas W. Marshal (Bevollmächtigter: Norton Company Mass, USA) relevant. Die Patentschrift beschreibt die Herstellung von Schleifmitteln aus geschmolzenem Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, welche die guten Verschleißfestigkeitseigenschaften von Aluminiumoxid mit der Härte von Zirkoniumoxid kombinieren. Folglich scheinen Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-Körner die am meisten geeigneten Kandidaten für keramische Metallmatrix-Verbundstoffe zu sein. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, fünfte vollständige Überarbeitung, Teil A1, Band A1, Abschnitt 2.2, beschreibt nützliche Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-Körner.

Ein Gussverfahren mit eingebettetem hartem Material wurde in dem deutschen Patent (von Dr. Wahl) Nr. 7326661 vom 20.07.73 gelehrt.

Das japanische Patent von Hr. Tamura von KHI (Patent Nr. 62286661 vom 12.12.87) beschreibt ein Verfahren zum Imprägnieren keramischer Teilchen mit geschmolzenem Metall, um ein Verbundstoffgussteil mit guter Verschleißfestigkeit herzustellen.

Ein europäisches Patent (Nr. EP 0 575 858 B1 vom 23.06.92), das von Staub Fritz (Bevollmächtigter: Zuzel Inotech AG) eingereicht wurde, beschreibt die Herstellung eines keramischen Metallmatrix-Verbundstoffgussteils mit porösen keramischen Elementen an der Verschleißfläche. Die verwendeten keramischen Teilchen werden als Korund, Zirkoniumoxid oder Magnesiumoxid beschrieben.

In US-Patentschrift Nr. 6,399,176 B1 vom 04.06.2002 wird die Herstellung einer Verbundstoff-Verschleißkomponente durch Gussverfahren beschrieben. Keramische Kuchen wurden auf der Verschleißfläche eingeführt, die aus einer homogenen festen Lösung aus 20 bis 80 % Aluminiumoxid und 80 bis 20 % Zirkoniumoxid bestand.

Obwohl es folglich viele Beispiele von Verbundstoff-Verschleißkomponenten gibt, besteht weiterhin ein Bedarf an einer weiteren Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Solch eine weitere Verbesserung erhöht die Effektivität der Verschleißkomponente.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff und einen keramischen Kuchen zur Verwendung in einem keramischen Metallverschleißteil mit verbesserter Verschleißfestigkeit zu schaffen. Die bekannten Vorrichtungen bedürfen einer Verbesserung. Wenn ein Verbundstoff-Verschleißteil abgenutzt ist, muss das Teil ersetzt werden. Folglich kann während der Ersetzung des abgenutzten Teils keine Vorrichtung benutzt werden, die das Verschleißteil benutzt. Die Ersetzung des abgenutzten Teils führt zu einem Verlust hinsichtlich der Betriebszeit der Vorrichtung. Eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit führt zu einer Verringerung des prozentualen Zeitverlustes bei dem Ersetzen abgenutzter Teile solcher Vorrichtungen wie Schleifwalzen und Tischverkleidungen, die Verschleißteile aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff benutzen.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung stellt ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff bereit, wobei das Verschleißteil einen Verschleißabschnitt umfasst, der aus einem keramischen Kuchen gebildet ist, der mit Metall imprägniert ist, wobei der keramische Kuchen keramische Körner umfasst, die Aluminiumoxid umfassen, wobei der keramische Kuchen ferner Körner umfasst, die ein Material umfassen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Borkarbid, Siliziumkarbid oder Wolframkarbid.

Die vorliegende Erfindung stellt keramische Kuchen bereit, die eine verbesserte Verschleißfestigkeit aufweisen.

Vorzugsweise liegt die Menge von Karbidkörnern zwischen 1 und 25 Gew.-% des keramischen Kuchens für Borkarbid, vorzugsweise 2 und 10 Gew.-%. Eine sehr geringe Menge von Karbidkörnern hat nur eine mäßige Auswirkung, wohingegen eine große Zugabe von Karbidkörnern keinen zusätzlichen Vorteil bereitgestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Karbidkörnern hauptsächlich aus Borkarbid. Borkarbid ist das härteste und das leichteste der erwähnten Karbidmaterialien.

Folglich gelingt der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung der Verschleißeigenschaften von Teilen aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff, die durch eine Zugabe von Karbidkörnern zu den Körnern, die Aluminiumoxid umfassen, erreicht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die keramischen Körner Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und Titanoxid, wobei das Aluminiumoxid durchschnittlich in einer Menge von 30 bis 65 Gew.-%, das Zirkoniumoxid in einer Menge von 30 bis 65 Gew.-% und das Titanoxid in einer Menge von 1 bis 7 Gew.-% vorliegt, wobei alle Prozentangaben hinsichtlich des Gewichts der Körner angegeben sind.

Die Aufnahme von Zirkoniumoxid in die Aluminiumoxid umfassenden Körner hat eine positive Auswirkung auf die Verschleißfestigkeit der Körner. Die Aufnahme von Titanoxid in die Körner hat eine weitere positive Auswirkung auf die Verschleißfestigkeit. Titanoxid ist an sich bedeutend weicher als Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, was die positive Auswirkung umso bedeutender macht. Vorzugsweise liegt die Menge von Titanoxid zwischen 2 und 6 Gewichtsprozent, am meisten bevorzugt zwischen 3 und 5,5 Gew.-%. Die positive Auswirkung auf die Verschleißfestigkeit ist innerhalb dieser Gewichtsprozentangaben am deutlichsten.

Die Prozentangaben von Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid liegen vorzugsweise zwischen 40 und 55 % Aluminiumoxid und 40 bis 50 % Zirkoniumoxid.

Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-/Titanoxid-Zusammensetzung von Korn zu Korn innerhalb des Verschleißteils aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff verändern kann. Alle oben erwähnten Prozentangaben beziehen sich auf durchschnittliche Prozentangaben der Körner.

Darüber hinaus sind sich die Erfinder im Hinblick auf noch mehr bevorzugte Ausführungsformen dessen bewusst geworden, dass bei der Herstellung eines keramischen Kuchens aus Körnern die Bindeeigenschaften der Körner wichtig sind, da die Körner relativ grob sind. Folglich besteht ein Bedarf an der Zugabe anderer Bestandteile zu den keramischen Körnern, um die Bindung zwischen den Körnern und die Formbarkeit des Materials zu verbessern, aus dem der keramische Kuchen hergestellt wird. Ein solcher Bestandteil ist Natriumsilikat, das die Bindung der Körner unterstützt und die Formbarkeit verbessert.

Die Erfinder haben erkannt, dass die Zugabe eines sehr feinen keramischen Pulvers, das vorzugsweise aus Aluminiumoxidpulver besteht, nicht nur die Formbarkeit verbessert, sondern auch die Härte des Kuchens, so dass die Verschleißfestigkeit des Endprodukts erhöht wird. „Sehr feines Pulver" bezieht sich auf ein Pulver von einer Größe, die bedeutend kleiner (mindestens eine, vorzugsweise zwei Größenordnungen) als die Größe der keramischen Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-/Titanoxid-Körner ist. Solch ein feines keramisches Pulver wird vorzugsweise hinsichtlich des Gewichts der keramischen Körner (Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid und Karbid) in einem Gewichtsprozentanteil von zwischen 1 und 4 Gew.-% gemischt. Vorzugsweise liegt die Korngröße des feinen keramischen Pulvers in einem FEPA-Bereich von 1000 bis 1400 Gittergrößen. Vorzugsweise liegt die Korngröße der Aluminiumoxid umfassenden Körner und der Karbidkörner in einem FEPA-Bereich von 6 bis 12 Gittergrößen.

Die Mischung der vorstehend beschriebenen keramischen Körner, eines feinen keramischen (Aluminiumoxid-) Pulvers und von Natriumsilikat wird vorzugsweise in flexible Behälter geeigneter Formen, die vorzugsweise einen Kautschukkern aufweisen, gefüllt. Die Kuchen, die sich noch in Kernbehältern befinden, werden begast und gebacken, um eine gute Festigkeit zu entwickeln.

Die hergestellten keramischen Kuchen werden an gewünschten Flächen von Gussformen angeordnet und flüssiges Metall wird in den Hohlraum gegossen, um keramische Metallmatrix-Verbundstoff-Gussteile zu erzeugen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden ausführlicher und beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1: einen keramischen Kuchen des Standes der Technik,

2: einen keramischen Kuchen des Standes der Technik mit infiltriertem Metall,

3: einen keramischen Kuchen für ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff gemäß der Erfindung,

4: einen Kautschukkernbehälter

5: eine Schleifwalze, die ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff umfasst;

6: eine Tischverkleidung, die ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff umfasst;

7 und 8: zeigen keramische Kuchenanordnungen.

Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Im Allgemeinen sind gleiche Bestandteile in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG UND AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

1 stellt einen keramischen Kuchen des Standes der Technik dar. Der keramische Kuchen 1 umfasst keramische Körner 2 und oft ein Bindemittel 3. Das Bindemittel ist in 1 schematisch als eine dünne Schicht um einige der Körner angezeigt.

2 zeigt einen keramischen Kuchen 1 aus 1, der mit Metall 4 imprägniert ist, um ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff (MMCC) zu bilden. Um den keramischen Kuchen zu imprägnieren, wird geschmolzenes Metall eingeführt. Das geschmolzene Metall füllt die Zwischenräume zwischen den Körnern 2, um ein Teil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff zu erzeugen. Das Metall bildet die Matrix für die keramischen Körner. Aus diesem Grund werden solche Teile „Teile aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff" genannt.

Die Anwendungen von Teilen, die verschleißfest sein müssen, sind in der Zement-, Bergbau- und Wärmeenergieerzeugungs-Industrie recht alltäglich.

Es ist der vorliegenden Erfindung gelungen, die Verschleißeigenschaften von Teilen aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff zu verbessern, was durch Einführen von keramischen Körnern an der Verschleißfläche erreicht wird. Die Erfindung kombiniert in dem keramischen Kuchen die Verwendung von Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-Körnern und Körnern aus Bor-, Silizium- oder Wolframkarbid.

3 zeigt schematisch einen keramischen Kuchen für ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff gemäß der Erfindung. Der Unterschied zwischen 1 gemäß dem Stand der Technik und 3 ist die Zugabe von Bor-, Silizium- oder Wolframkarbidkörnern 5 sowie eines feinen Aluminiumoxidpulvers 6.

In zwei Versuchsläufen waren 5 bis 20 Gew.-% Borkarbidkörner in dem keramischen Kuchen enthalten.

In den zwei Kuchen bestanden jeweils 87 % und 72 % des keramischen Kuchens aus Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-/Titanoxid-Körnern, die Aluminiumoxid im Bereich von 30 bis 65 %, Zirkoniumoxid im Bereich von 65 bis 30 % und Titanoxid im Bereich von 1 bis 7 % umfassten, wobei die Aluminiumoxid- und Zirkoniumoxidgehalte in den Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-/Titanoxid-Körnern durchschnittlich etwa 50 % betrugen und der Titanoxidgehalt etwa 5 % betrug, 3 Gew.-% des keramischen Kuchens feines Aluminiumoxidpulver waren und etwa 5 Gew.-% des keramischen Kuchens ein anorganisches Bindemittel war. In den Beispielen wurde jedes Korn, das Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid enthielt, auf einer mikroskopischen Ebene aus einer Phasenmischung unterschiedlicher fester Phasen gebildet. Die Körner wurden nicht als eine homogene feste Lösung gebildet. Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-Körner, die in den bevorzugten Beispielen benutzt wurden, weisen als Bestandteile Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid auf. Im Inneren solcher Körner ist die Zusammensetzung nicht homogen, sondern eine Phasenmischung liegt vor, das heißt, unterschiedliche Teile des Korns weisen eine unterschiedliche Zusammensetzung auf, wobei einige Teile eine feste Phase bilden, die einen ersten Prozentanteil Aluminiumoxid und einen zweiten Prozentanteil Zirkoniumoxid umfasst, und andere Teile eine andere feste Phase oder feste Phasen bilden, die unterschiedliche Prozentanteile Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid aufweisen oder hauptsächlich aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid gebildet sind. Die festen Phasen können Titanoxid umfassen. Das Korn als ganzes liegt in der Form eines Phasengemischs vor.

5 Gew.-% Borkarbid entsprechen aufgrund des Unterschieds hinsichtlich der spezifischen Anziehungskraft der Karbidkörner zu der spezifischen Anziehungskraft von Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid umfassenden Körnern etwa 7,5 Vol.-%. 20 Gew.-% entsprechen etwa 27,5 Vol.-%. Der Unterschied hinsichtlich der spezifischen Anziehungskraft zwischen Borkarbid (etwa 2,5 g/cm3) und Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid (etwa 3,8 g/cm3) bedeutet, dass ein Gewichtsprozentanteil zwischen 1 Gew.-% und 25 Gew.-% einem Volumenprozentanteil der Karbidkörner in dem keramischen Material zwischen 1,5 Vol.-% und 34 Vol.-% entspricht. Wenn Teilchen von gleicher Größe benutzt werden, das heißt, das Volumen jedes Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid- und Borkarbidkorns das gleiche wäre, würde dies bedeuten, dass eins von 60 bis 1 von 3 aus der Gesamtheit von Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid umfassenden Körnern und Karbidkörnern ein Karbidkorn ist.

Der gleiche Volumenprozentbereich führt für Siliziumkarbidkörner mit einer höheren spezifischen Anziehungskraft von 3,2 g/cm3 zu einem Gewichtsbereich zwischen 1,2 Gew.-% und 30 Gew.-% und für Wolframkarbidkörner mit einer noch höheren spezifischen Anziehungskraft von 15 g/cm3 zu einem Gewichtsbereich zwischen 5,6 Gew.-% und 66 Gew.-%.

Die Borkarbidkörner und die Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid/Titanoxid-Körner in den Beispielen wiesen die gleiche Gittergröße auf, wobei die Gittergröße in den Beispielen FEPA 10 war.

Der Verschleiß von keramischen Metallverbundstoffen mit solchen keramischen Kuchen, die Borkarbidkörner aufweisen, wurde mit dem Verschleiß von keramischen Metallverbundstoffen mit der gleichen Beschaffenheit, jedoch ohne Borkarbidkörner verglichen.

Es hat sich erwiesen, dass eine Zugabe von 5 Gew.-% Borkarbidkörnern zu einer Verminderung der Verschleißgeschwindigkeit um etwa 15 % führte; mit der Zugabe von 20 Gew.-% Borkarbidkörnern wurde keine weitere Verminderung der Verschleißgeschwindigkeit bemerkt.

Wie oben erläutert, widersprechen diese Ergebnisse dem Stand der Technik. Überraschend hat die Zugabe sogar einer relativ geringen Menge von Karbidkörnern eine positive Auswirkung. Die Erhöhung der Verschleißfestigkeit ist nicht proportional zu der Menge zugesetzter Borkarbidkörner, was die Gegenwart eines zusammenwirkenden Effekts anzeigt, wobei die Aufnahme sogar einer relativ geringen Karbidmenge (zwischen 2 und 10 %) eine schützende Wirkung hat, wodurch die Verschleißfestigkeit erhöht wird.

Die vorteilhafte Wirkung hat sich in einem Bereich von 5 % als wesentlich höher erwiesen als in einem Bereich von 20 %. Ein bevorzugter Gewichtsbereich für Borkarbid liegt zwischen 2 und 10 Gew.-%.

Ein bevorzugter Gewichtsbereich für Borkabridkörner zwischen 2 und 10 Gew.-% entspricht für Siliziumkarbid einem Gewichtsbereich zwischen 2,5 Gew.-% und 12,5 Gew.-% und für Wolframkarbid einem Gewichtsbereich zwischen 3,6 Gew.-% und 40 Gew.-%.

Die Korngrößen von Keramikkörnern werden normalerweise in Gittergrößen ausgedrückt. Die empfohlenen Gittergrößen zur Verwendung bei der Herstellung eines keramischen Metallmatrix-Verbundstoffs liegen im Bereich von 6 bis 12 Gittergrößen gemäß der FEPA-Norm. Vorzugsweise weisen die Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid- und Karbidkörner eine vergleichbare Gittergröße auf, das heißt, sie unterscheiden sich um nicht mehr als 4 Gittergrößen, vorzugsweise um nicht mehr als zwei Gittergrößen.

Um solche Körner an gewünschten Stellen anordnen zu können, ist die Bildung von Kuchen einer erforderlichen Form notwendig. Darüber hinaus müssen solche Kuchen eine angemessene Festigkeit aufweisen, um einem eventuellen Versinken durch flüssiges Metall standzuhalten. Es hat sich erwiesen, dass die Zugabe eines sehr feinen keramischen Pulvers, das vorzugsweise Aluminiumoxidpulver umfasst, zusammen mit Natriumsilikat eine verbesserte Formbarkeit bereitstellt und eine Erhöhung der Festigkeit erreicht. Die Zugabe von feinem Aluminiumoxidpulver mit einer Gittergröße von 1000 bis 1400, vorzugsweise 1200, verleiht thixotrope Eigenschaften. Vorzugsweise wird feines Aluminiumoxidpulver benutzt, jedoch könnten im Rahmen dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung andere feine keramische Pulver, zum Beispiel Zirkoniumoxid- oder Aluminiumoxid-/Zirkoniumoxid-Pulver benutzt werden. 4 zeigt schematisch die Aufnahme eines feinen Aluminiumoxidpulvers 6.

Die Mischung der vorstehend beschriebenen Mineralteilchen und des Keramik-, vorzugsweise Aluminiumoxidpulvers wird vorzugsweise mit einem geeigneten Bindemittel wie Natriumsilikat vermischt. Jedoch hat der Erfinder erkannt, dass solch eine Mischung manchmal keine angemessene Rohfestigkeit (das heißt, Festigkeit im rohen, noch nicht gebackenen Zustand) aufweist und die Formen der keramischen Kuchen, wie der Erfinder erkannt hat, vorzugsweise in flexiblen, vorzugsweise Kautschuk-, zum Beispiel Silikonkautschukkern-Behältern aufgenommen werden. Die Verwendung von Kautschukkernbehältern zur Herstellung von keramischen Kuchen ist ein Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung.

4 zeigt schematisch die Verwendung eines Kautschukkernbehälters 7 um die keramischen Kuchen 1.

Die oben beschriebene Mischung wird in die Kautschukkernbehälter, die eine gewünschte Form aufweisen, gefüllt und mit Kohlenstoffdioxid behandelt, um eine angemessene Festigkeit zur Bearbeitung zu entwickeln. Weitere keramische Formen in den Kautschukkernbehältern werden ein bis vier Stunden lang auf eine Temperatur zwischen 80 bis 220°C erwärmt, so dass die angemessene Festigkeit erzeugt wird.

Die Kuchen werden an gewünschten Flächen der feuerfesten Gussformen angeordnet. Nach dem Verschließen der Gussformanordnungen wird flüssiges Metall in den Hohlraum gegossen. Die flüssige Metallzusammensetzung wird in Abhängigkeit von der Anwendung ausgewählt. Schlagzähe Anwendungen können Stahl erfordern und schlaganfällige Anwendungen können Eisen tolerieren. Die Chromstähle können unter Zugabe anderer legierender Elemente wie Mn, Mo, Ni und Cu zwischen 0,2 bis 1,2 % C und 2 bis 8 % Cr enthalten. Der Mn-Stahl kann zwischen 0,8 bis 1,2 % C und 8 bis 14 % Mn mit anderen Elementen wie vorliegenden Si-, Cr-, S- und P-Zugaben und Unreinheiten enthalten. Die Eisen können zwischen 1 bis 3,5 % C, 11 bis 28 % Cr unter Zugabe anderer legierender Elemente wie Mo, Ni und Cu enthalten.

Im Allgemeinen werden für Verschleißfestigkeitsanwendungen gewöhnlich die oben erwähnten Stahl- und Eisenarten benutzt. Jedoch ist das Verfahren gleichermaßen auch für sämtliche nicht eisenhaltige Legierungen anwendbar.

Die Gussformen werden nach einer angemessenen Abkühlzeit geöffnet und die so hergestellten Verschleißteile werden einer speziellen Wärmebehandlung ausgesetzt, so dass der metallische Abschnitt eine bessere Verschleißfestigkeit entwickelt.

BEISPIELE

Ein Verschleißteil, das als Schleifwalze beschrieben wird, die von Wärmeenergiestationen benutzt wird, wurde mit Hilfe des obigen Verfahrens hergestellt. Dieses Teil wurde mittels Schleudergussverfahren hergestellt. Die Herstellungsabfolge betraf die Herstellung von Kuchen aus Mineralkörnern, die Einführung der Kuchen und die Herstellung von Verbundstoff-Gussteilen, die Einsätze genannt werden, die Anordnung der Einsätze in der Schleuderdüse und das Gießen von SG-Eisen in die Drehdüse, um das Verbundstoff-Gussteil zu erzeugen. Das auf diese Weise hergestellte Gussteil wurde wärmebehandelt und bei der Verschleißanwendung ausprobiert. Es verbesserte die Lebenszeit der Verschleißkomponenten nachweislich und wesentlich. 5 stellt eine Vertikalspindel-Drehbank mit Gussteilen aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff MMCC auf dem Schleiftisch 8 und Schleifwalzen 9 dar.

Ein anderes Verschleißteil, das als Tischverkleidung für eine Vertikaldrehbank beschrieben wird, wurde hergestellt. Kuchen aus Mineralkörnern wurden an der Verschleißfläche des Gussteils eingeführt. Das Gussteil wurde mittels eines herkömmlichen Gussverfahrens hergestellt. 6 zeigt sehr schematisch eine Tischverkleidung 10 mit Teilen aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff MMCC als Einsätze. Das Gussteil wurde wärmebehandelt und maschinell hergestellt und auf Verschleißeigenschaften geprüft. Eine bedeutende Verbesserung von bis zu 15 % der Verschleißfestigkeit, siehe die obigen Beispiele, wurde durch die Zugabe von Karbidkörnern für Tischverkleidungen für Vertikaldrehbanken beobachtet.

3 stellt eine einfache Gestaltung für den keramischen Kuchen dar. Innerhalb des Rahmens der Erfindung kann der keramische Kuchen in verschiedene Formen und Gestalten ausgebildet werden und die keramischen Kuchen können in verschiedenen Mustern angeordnet werden. 7 und 8 stellen solche Formen und Gestalten und Muster dar. 7 stellt eine Anordnung von streifenähnlichen keramischen Kuchen dar. 8 zeigt einen keramischen Kuchen, der mit großen Öffnungen 11 und kleinen Öffnungen 12 versehen ist. Diese Öffnungen werden auf einem rechteckigen Gitter bereitgestellt. 7 und 8 werden als Beispiele gegeben.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung einer Mischung der erwähnten Karbidkörner in dem Konzept der Erfindung eingeschlossen ist.

VORTEILE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von keramischen Metallverschleißteilen mit besseren Verschleißfestigkeitseigenschaften als die der keramischen Metallverschleißteile, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform verbessert die vorliegende Erfindung die Verschleißfestigkeit sogar noch weiter und verbessert die Formbarkeit der Mischungen durch Zugabe eines feinen keramischen Pulvers, vorzugsweise aus Aluminiumoxid.

Die Verwendung flexibler, vorzugsweise Silikonkautschukkern-Behälter, die Teil einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind, ermöglicht auch die Herstellung von Kuchen von komplexer Form.


Anspruch[de]
Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff (MMCC), wobei das Verschleißteil einen Verschleißabschnitt umfasst, der durch einen keramischen Kuchen (1) gebildet ist, der mit Metall (4) imprägniert ist, wobei der keramische Kuchen keramische Körner (2) umfasst, die Aluminiumoxid umfassen, wobei der keramische Kuchen (1) ferner Körner (5) umfasst, die ein Material umfassen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Borkarbid, Siliziumkarbid oder Wolframkarbid. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei das Karbid Borkarbid ist. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 2, wobei der Borkarbidgehalt in dem keramischen Kuchen zwischen 1 Gew.-% und 25 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 3, wobei der Borkarbidgehalt in dem keramischen Kuchen zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei das Karbid Siliziumkarbid ist. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 5, wobei der Siliziumkarbidgehalt in dem keramischen Kuchen zwischen 1,2 Gew.-% und 30 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 5, wobei der Siliziumkarbidgehalt in dem keramischen Kuchen zwischen 2,5 Gew.-% und 12,5 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei das Karbid Wolframkarbid ist. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 8, wobei der Wolframkarbidgehalt in dem keramischen Kuchen zwischen 5,6 Gew.-% und 66 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 8, wobei der Wolframkarbidgehalt in dem keramischen Kuchen zwischen 3,6 Gew.-% und 40 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumoxid umfassenden Körner Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und eine Menge Titanoxid umfassen. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch, wobei der Titanoxidgehalt in den Aluminiumoxid umfassenden Körnern zwischen 2 und 6 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 12, wobei die Titanoxidmenge in den Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid umfassenden Körnern zwischen 3 und 5,5 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumoxidmenge zwischen 40 und 55 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zirkoniumoxidmenge zwischen 40 und 50 Gew.-% liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gittergröße der keramischen Körner in einem FEPA-Bereich von 6 bis 12 liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der keramische Kuchen ferner ein feines keramisches Pulver (6) umfasst. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 17, wobei der keramische Kuchen hinsichtlich des Gewichts der keramischen Körner zu 1 bis 4 Gew.-% feines keramisches Pulver umfasst. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 17 oder 18, wobei das feine keramische Pulver (6) eine Gittergröße aufweist, die mindestens zwei Größenordnungen kleiner ist als die Gittergröße der keramischen Körner (2, 5). Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das feine keramische Pulver Aluminiumoxidpulver umfasst. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Gittergröße des feinen keramischen Pulvers in einem FEPA-Bereich von 1000 bis 1400 liegt. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der keramische Kuchen Natriumsilikat als ein Bindemittel (3) umfasst. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach Anspruch 12, umfassend ein Natriumsilikat-Bindemittel im Bereich von 4 bis 6 %. Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff entweder Chromstahl, der zwischen 0,2 bis 1,2 % C und 2 bis 8 % Cr enthält, unter Zugabe anderer legierender Elemente wie Mn, Mo, Ni und Cu umfasst oder Mn-Stahl, der zwischen 0,8 bis 1,2 % C und 8 bis 14 % Mn enthält, unter Zugabe und mit Unreinheiten von anderen Elementen wie Si, Cr, S und P umfasst, oder die Eisen, die zwischen 1 bis 3,5 % C, 11 bis 28 % Cr enthalten, unter Zugabe anderer legierender Elemente wie Mo, Ni und Cu umfasst. Keramischer Kuchen (1) für ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff (MMCC) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Schleifwalze (9), umfassend ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff (MMCC) nach einem der Ansprüche 1 bis 24. Schleifwalzen-Drehbank, umfassend eine Schleifwalze nach Anspruch 26. Tischverkleidung (10) für eine Vertikaldrehbank, umfassend ein Verschleißteil aus keramischem Metallmatrix-Verbundstoff (MMCC) nach einem der Ansprüche 1 bis 24.






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