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EP0421374A2 - Manufacturing process of casted articles with superficial wear resisting layer and product realised with the process - Google Patents

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Info

Publication number
EP0421374A2
EP0421374A2 EP90118921A EP90118921A EP0421374A2 EP 0421374 A2 EP0421374 A2 EP 0421374A2 EP 90118921 A EP90118921 A EP 90118921A EP 90118921 A EP90118921 A EP 90118921A EP 0421374 A2 EP0421374 A2 EP 0421374A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
abrasion
model
resistant material
iron
binder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP90118921A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0421374A3 (en
Inventor
Gopal Subray Revankar
Daniel Lee Deroo
John Joseph Maberry
David P. Jones
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deere and Co
Original Assignee
Deere and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deere and Co filed Critical Deere and Co
Publication of EP0421374A2 publication Critical patent/EP0421374A2/en
Publication of EP0421374A3 publication Critical patent/EP0421374A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22CFOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04Use of lost patterns
    • B22C9/046Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/08Casting in, on, or around objects which form part of the product for building-up linings or coverings, e.g. of anti-frictional metal

Definitions

  • the invention relates to a production method for iron products with hard, abrasion-resistant material with impregnated surface layers, in which a model that dissolves during casting is used to produce a casting mold.
  • a layer is applied to the model, at least in an area to be hardened, which layer contains a powder of the abrasion-resistant material and a binder.
  • the abrasion-resistant material is deposited in the surface layer of the iron product.
  • non-aqueous binders in this process requires the subsequent use of a non-aqueous, refractory, thin mortar that is applied to the model to prevent contact between the molten metal and the molding sand, thereby improving the machinability and surface finish of the casting .
  • using non-aqueous, refractory mortar poses a variety of safety risks and is therefore completely undesirable.
  • the object to be achieved with the invention will be to provide a method of the type mentioned by which a strong bond between the abrasion-resistant material and the iron of the casting can be produced.
  • the method is also intended to enable the use of an aqueous mortar slurry.
  • the object is achieved according to the invention in the method mentioned above in that a water-containing binder solution is used as the binder.
  • a water-containing binder solution is used as the binder.
  • the use of a water-soluble binder enables the model to be coated with an aqueous mortar as a separating layer. Furthermore, the spalling problems can be largely avoided.
  • a paste is preferably produced by mixing a powder of abrasion-resistant material into the binder solution, which is then applied to the desired surface areas of the model.
  • a recess or depression is made in the surface of the desired area of the model, into which either the paste is introduced or which is initially filled with the aqueous binder solution, into which the abrasion-resistant material is then sprinkled.
  • the invention also provides the iron product created by one of the methods of the invention.
  • the present invention can be applied to the casting of any known iron product. However, it is particularly preferred for cast iron, in particular spheroidal graphite cast iron or gray cast iron.
  • EPS foamed polystyrene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • a hard, abrasion-resistant material with a particle size of about 15 microns to about 1.5 mm or more is preferred.
  • the particle size is preferably between about 140 and about 548 microns (30 mesh) and more preferably between about 140 and about 149 microns (100 mesh). Since carbon imperfections are easier to form when using powders with a finer particle size, for example 200 mesh (74 microns), coarser powder is preferred, but without fine powder being considered completely unsuitable.
  • the particles are also usually spherical, for example to improve fluidity, but the particle shape is not critical.
  • any known hard state material can be effectively used, such as e.g. B. tungsten carbide, chromium carbide and the like or a mixture thereof. It has been shown that the use of an abrasion-resistant material with sufficient wettability with regard to the cast iron used effectively reduces the chipping problems known from the prior art. Where ductile iron is used as the metal to be cast, spherical or sharp-edged tungsten carbide or a eutectic mixture of WC and W2C or other carbides such as chromium carbide are preferred, while aluminum is the least suitable.
  • the wettability of the tungsten carbide is increased when the carbon content of the powder is less than stoichiometric required (e.g. less than 6.5 percent by weight for WC). It is therefore particularly advantageous to use substoichiometric carbon, spherical tungsten carbide powder with a carbon content of approximately 4% and also a eutectic mixture of W2C and WC (commercially available under the generic name "crushed carbid") in connection with ductile iron.
  • a solution of polyvinyl alcohol (PVA) is preferred as the binder, since it is highly water-soluble and makes the use of a flammable liquid, such as alcohol, unnecessary. PVA also evaporates quickly without leaving carbon residue on the particles, increasing the wetting effect of the molten metal so that the metal can penetrate the carbide particle crosslinking in a fluid manner.
  • the binder preferably contains a solution of PVA and water with a concentration of more than 5 percent by weight of PVA, preferably between about 9.5 and about 10.5 percent by weight of PVA.
  • the method is particularly used to deliver a casting that has abrasion resistant material at a particular location (or locations) using a destructible model of the desired cast product.
  • a destructible model of certain shape and size (which depend on the desired cast product) can be made by any of the known methods.
  • some successful methods for making destructible models are described in U.S. Patents 4,093,018, 4,462,453 and 4,691,754.
  • a mass of the abrasion resistant particles and the binder solution which consists of a mixture of water and PVA is made by mixing the particles into the binder solution.
  • the paste is then applied to the surface of the model, for example by spreading or in a similar manner, to those places where it is desired to impregnate the iron surface with the abrasion-resistant material.
  • a binder solution consisting of water and PVA can also be used.
  • a ceramic slurry can be used in a known manner as a separating layer can be applied to the entire model to prevent contact between the liquid metal and the sand mold, which can improve both the machinability and the surface finish of the product.
  • the model can subsequently be used to form a casting mold and subjected to a known metal casting process.
  • a sand casting process was e.g. B. described in the previously cited article by Hansen et al.
  • One method to increase contact time is to use a superheated liquid metal.
  • the liquid metal is overheated to a temperature above the liquidus line.
  • the metal is heated to a temperature that is preferably about 250 to 320 ° C above the liquidus line.
  • Another method for increasing the contact time between metal and carbide is to increase the casting volume and thus the ratio between the casting volume and the carbide area.
  • the casting volume is chosen so that the ratio of the casting volume to the area of the abrasion-resistant material is sufficient to ensure an increased contact time between the liquid metal and the abrasion-resistant material during the casting process. This will be explained in more detail with reference to FIG. 1.
  • the abrasion-resistant layer 1 is much less likely to flake off in casting A than in casting B because the larger volume of metal 2 in A requires a longer time to solidify. It has accordingly been found that when casting thin sections, for. B. B, expanding the cast beyond the required size (as indicated by the dashed lines) increases the time of contact between the carbide and the molten metal, thereby reducing the likelihood of chipping.
  • At least one depression or depression can be formed in the foam model before the composition with the abrasion-resistant particles is applied.
  • These depressions can be produced by a conventional mechanical method, such as milling, drilling or the like.
  • the depressions or troughs preferably have a depth of about 0.5 mm to about 3.0 mm, depending on the part or the amount of wear required.
  • the recess or trough can be filled with the mass containing the hard, wear-resistant particles, which ensures the exact position in the resulting casting.
  • the binder can first be introduced into the depression, complete wetting of the foam surface being achievable.
  • the wear-resistant material consisting of isolated parts can then be poured into the recess, where it settles and the recess is closely lined. Excess PVA water binder can then be wiped off with a suitable absorbent material. If desired, you can let the wear-resistant layer dry before coating with the ceramic slurry, e.g. B. at room temperature, but preferably at elevated temperatures, particularly preferably at about 60 ° C.
  • the model is then coated with the sludge and the casting with the metal is carried out in the manner already described.
  • disks are made from a powder of wear-resistant material and a binder with the aid of molds and then divided into required formats.
  • the wear-resistant material consisting of individual parts and the PVA water binder are mixed in a mold and evenly distributed. Excess binder can be removed using a suitable absorbent material.
  • the disc is then allowed to dry under suitable conditions, the disc partially setting.
  • the disk is preferably dried over a period of about 45 to about 75 minutes, particularly preferably over 60 minutes, in an oven or the like which is kept at a temperature between about 60 and 65 ° C., particularly preferably at 60 ° C. This makes the disc strong enough to be handled and cut into the desired pieces.
  • the cut pieces are dried under conditions which allow immediate use or storage for later use . Drying is preferably carried out in a temperature range between approximately 60 ° C. and approximately 65 ° C., particularly preferably at 60 ° C., and over a period of 8 to 24 hours, particularly preferably 24 hours.
  • a completely dried slice is softened on a non-flat surface before use. This is done e.g. B. by exposing the disc to steam for about 15 to 25 seconds.
  • the disks are deformable, they can be bent around a cylinder, as shown in FIG. 3.
  • the deformed disks are then adhered or otherwise attached to the surface of the destructible model in a manner that does not adversely affect the casting of the desired product.
  • the pane can be glued to the destructible model using an aqueous solution of PVA or other suitable adhesive.
  • the aqueous PVA binder solution described above is particularly preferred as the adhesive material.
  • the manufacturing process for the disks (for example the formation of the disks from the particles and the binder) can be carried out at a location which is remote from the location of the casting process. This is an essential aspect for efficient mass production.
  • the method according to the invention can be used to produce iron products for a wide range of applications.
  • engine parts such as camshafts or eccentric rollers, agricultural equipment, field order tools, brakes, etc. can be manufactured.
  • Products made in accordance with the present invention are superior to known products because the bond between the wear resistant particles and the iron is more effective here.
  • the use of non-aqueous sludges can be dispensed with in the method according to the invention, as a result of which the associated safety risks are eliminated.
  • a PMMA model with a carbide disc attached is made by first removing the carbide and the PVA can be mixed in a rectangular shape and spread evenly. The excess binder is then removed using a suitable absorbent paper.
  • the disk and the mold are dried in an oven at a temperature of 60 ° C for 60 minutes to partially cure the binder. This will make the disc firm enough to continue using and cutting into pieces.
  • the partially hardened disc is cut with a sharp cutting edge into pieces of the desired shape and size, as shown, for example, in FIG. 2. These pieces are dried at 60 ° C for an additional 24 hours and then glued to the model using the PVA binder to form the desired model, as shown, for example, in FIG. 4.
  • the desired metal such as ductile iron
  • the desired metal is poured into the mold in a liquid state, which leads to evaporation of the model.
  • the model gas exits through the sand and the liquid metal fills the cavity left by the model.
  • the metal then hardens and forms an iron product in which a wear-resistant layer is impregnated.
  • Crushed carbide particles are then introduced into the wells and can settle.
  • the excess binder is wiped off and the layer is dried in a warm air oven at 60 ° C for 6 hours.
  • the dried model is then immersed in an aqueous ceramic slurry and swung out to remove excess sludge. Now the model is immediately placed in a warm air oven, where it is dried at 50 ° C for 16 hours.
  • Macrocrystalline, Kenface and KS-12 are trademarks of Kennametal, Inc. for tungsten carbide compositions.
  • sample pieces according to the present invention identified with sample numbers 1 to 18, were evaluated using rubber wheel rubbing tests with dry sand.
  • sample pieces were compared with comparison samples according to sample numbers 19 to 21, which contain 1020 steel, 1080 steel (hardened and tempered) and 1080 steel (hardened).
  • sample numbers 19 to 21 which contain 1020 steel, 1080 steel (hardened and tempered) and 1080 steel (hardened).
  • the results are shown in Table 2.
  • TABLE 2 Calculation of volume losses in dry sand rubber wheel abrasion tests: Material: cast metal melting core made of ductile iron with tungsten carbide and chrome carbide Pattern No. Reinforcement material Sample No.
  • spherical WC has the highest abrasion resistance (last column) of all carbide types tested, which is an order of magnitude higher than that of hardened and tempered steel. It also shows that although the spherical toilet was the best, all the sample pieces according to the invention were also good.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mold Materials And Core Materials (AREA)

Abstract

Bei einem Herstellungsverfahren für Eisenerzeugnisse mit hartem, abriebsbeständigem Material mit imprägnierten Oberflächenschichten wird ein sich beim Gießen auflösendes Modell zur Herstellung einer Gießform verwendet. Auf das Modell wird in dem zu härtenden Bereich eine Schicht auf­gebracht, die ein Pulver aus dem abriebsbeständigen Mate­rial und ein Bindemittel enthält. Beim Gießen einer Eisen­schmelze in die Gießform lagert sich das abriebsbeständige Material in der Oberflächenschicht des Eisenerzeugnisses ab. Durch das Verfahren soll eine starke Bindung zwischen dem abriebsbeständigen Material und dem Eisen des Guß­stückes hergestellt werden. Ferner soll das Verfahren die Verwendung eines wässrigen Mörtelschlamms ermöglichen. Hierfür wird als Bindemittel eine wasserhaltige Bindemit­tellösung verwendet. Besonders bevorzugt wird eine wäss­rige Lösung von Polyvinylalkohol, welches in hohem Maße wasserlöslich ist und die Verwendung einer brennbaren Flüssigkeit entbehrlich macht.

Figure imga0001
A manufacturing process for iron products with hard, abrasion-resistant material with impregnated surface layers uses a model that dissolves during casting to produce a casting mold. A layer is applied to the model in the area to be hardened, which contains a powder of the abrasion-resistant material and a binder. When an iron melt is poured into the casting mold, the abrasion-resistant material is deposited in the surface layer of the iron product. The process is intended to create a strong bond between the abrasion-resistant material and the iron of the casting. The method is also intended to enable the use of an aqueous mortar slurry. For this purpose, a water-containing binder solution is used as the binder. An aqueous solution of polyvinyl alcohol, which is highly water-soluble and makes the use of a flammable liquid unnecessary, is particularly preferred.
Figure imga0001

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Eisenerzeugnisse mit hartem, abriebsbeständigem Material mit imprägnierten Oberflächenschichten, bei dem ein sich beim Gießen auflösendes Modell zur Herstellung einer Gieß­form verwendet wird. Auf das Modell wird wenigstens in ei­nem zu härtenden Bereich eine Schicht aufgebracht, die ein Pulver aus dem abriebsbeständigen Material und ein Binde­mittel enthält. Beim Gießen einer Eisenschmelze in die Gießform lagert sich das abriebsbeständige Material in der Oberflächenschicht des Eisenerzeugnisses ab.The invention relates to a production method for iron products with hard, abrasion-resistant material with impregnated surface layers, in which a model that dissolves during casting is used to produce a casting mold. A layer is applied to the model, at least in an area to be hardened, which layer contains a powder of the abrasion-resistant material and a binder. When an iron melt is poured into the casting mold, the abrasion-resistant material is deposited in the surface layer of the iron product.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, durch die Eisen mit einer harten, abriebsbeständigen Oberfläche beschich­tet werden kann. Dies erfolgt beispielsweise durch Flamm­spritzbeschichtung oder Plasmaspritzbeschichtung. Nach­teilig bei diesen Verfahren ist es jedoch, daß die Ober­flächenschichten beim Beschichtungsverfahren und bei der Anwendung der Eisenerzeugnisse abplatzen können und ferner hohe Verfahrenskosten entstehen.Various methods are known by means of which iron can be coated with a hard, abrasion-resistant surface. This is done for example by flame spray coating or plasma spray coating. A disadvantage of these processes, however, is that the surface layers can flake off during the coating process and when iron products are used, and furthermore high process costs are incurred.

Aus der US-PS 4,119,459 ist es auch bekannt, Karbide in die Oberfläche einzuschmelzen, indem Karbidmakroteilchen auf ein Werkstück aufgebracht werden und anschließend das Werkstück erhitzt wird. Es ist jedoch hierbei schwierig, die Karbidmakroteilchen genau an der gewünschten Stelle zu plazieren.It is also known from US Pat. No. 4,119,459 to melt carbides into the surface by applying carbide macro particles to a workpiece and then heating the workpiece. However, it is difficult to place the carbide macro particles precisely in the desired location.

Ferner ist ein Verfahren zum Angießen harter Oberflächen an Werkstücken in Verbindung mit der Anwendung von Poly­ styrolmodellen von Hansen et al, "Application of Cast-On Ferrochrome-Based Hard Surfacings to Polystyrene Pattern Castings", Bureau of Mines Report of Investigations 8942, U.S. Department of the Interior, 1985 beschrieben worden. Bei diesem Verfahren wird eine Paste, die ein Bindemittel und das gewünschte harte Material, wie z. B. Wolframkar­bidpulver, enthält, auf solche Oberflächen eines Poly­styrolmodelles aufgetragen, die den zum Verschleiß nei­genden Oberflächen des resultierenden Gusses entsprechen.There is also a method for casting hard surfaces on workpieces in connection with the use of poly styrene models by Hansen et al, "Application of Cast-On Ferrochrome-Based Hard Surfacings to Polystyrene Pattern Castings", Bureau of Mines Report of Investigations 8942, US Department of the Interior, 1985. In this process, a paste containing a binder and the desired hard material, such as. B. tungsten carbide powder, applied to those surfaces of a polystyrene model that correspond to the wear-prone surfaces of the resulting cast.

Dieses Verfahren leidet jedoch an der mangelnden Binde­fähigkeit zwischen der verschleißfesten Schicht, bei­spielsweise Wolframkarbid, und dem Schaummodell, die vor allem darauf zurückzuführen ist, daß die fast trockene Paste die Oberfläche des geschäumten Kunstharzes nicht ausreichend benetzt. Daher dringt das Eisen vor seinem Er­starren nicht in die Schicht ein, und anstatt das Eisen zu tränken, platzt das Karbid von dem Erzeugnis ab. Ferner ist dieses Verfahren komplex und unwirtschaftlich und läßt sich nicht wirkungsvoll bei einer Produktion im großen Stil anwenden.However, this process suffers from the lack of bond between the wear-resistant layer, for example tungsten carbide, and the foam model, which is primarily due to the fact that the almost dry paste does not adequately wet the surface of the foamed synthetic resin. Therefore, the iron does not penetrate the layer before it solidifies, and instead of soaking the iron, the carbide flakes off the product. Furthermore, this process is complex and uneconomical and cannot be used effectively in large-scale production.

Ferner erfordert die Verwendung nichtwässriger Bindemittel bei diesem Verfahren die anschließende Verwendung eines nichtwässrigen, feuerfesten, dünnen Mörtels, der auf das Modell aufgebracht wird, um einen Kontakt zwischen dem ge­schmolzenen Metall und dem Formsand zu verhindern und da­mit die maschinelle Bearbeitbarkeit und Oberflächengüte des Gußstückes zu verbessern. Die Verwendung nichtwässri­ger, feuerfester Mörtel ruft jedoch eine Vielzahl von Sicherheitsrisiken hervor und ist daher völlig uner­wünscht.Furthermore, the use of non-aqueous binders in this process requires the subsequent use of a non-aqueous, refractory, thin mortar that is applied to the model to prevent contact between the molten metal and the molding sand, thereby improving the machinability and surface finish of the casting . However, using non-aqueous, refractory mortar poses a variety of safety risks and is therefore completely undesirable.

Es besteht daher das Bedürfnis nach einem Verfahren zum Imprägnieren einer Eisenoberfläche mit einem abriebsbe­ständigen Material, durch welches die Probleme des Standes der Technik überwunden, vermieden oder vermindert werden.There is therefore a need for a method of impregnating an iron surface with an abrasion resistant material that overcomes, avoids, or alleviates the problems of the prior art.

Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe wird darin sehen, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, durch welches eine starke Bindung zwischen dem abriebs­beständigen Material und dem Eisen des Gußstückes her­stellbar ist. Ferner soll das Verfahren die Verwendung eines wässrigen Mörtelschlamms ermöglichen.The object to be achieved with the invention will be to provide a method of the type mentioned by which a strong bond between the abrasion-resistant material and the iron of the casting can be produced. The method is also intended to enable the use of an aqueous mortar slurry.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren er­findungsgemäß dadurch gelöst, daß als Bindemittel eine wasserhaltige Bindemittellösung verwendet wird. Besonders bevorzugt wird hierbei eine wässrige Lösung von Polyvinyl­alkohol, welcher in hohem Maße wasserlöslich ist und die Verwendung einer brennbaren Flüssigkeit entbehrlich macht. Die Verwendung eines wasserlöslichen Bindemittels ermög­licht es, als Trennschicht das Modell mit einem wässrigen Mörtel zu überziehen. Ferner lassen sich die Abplatzpro­bleme weitgehend vermeiden.The object is achieved according to the invention in the method mentioned above in that a water-containing binder solution is used as the binder. An aqueous solution of polyvinyl alcohol, which is highly water-soluble and makes the use of a flammable liquid unnecessary, is particularly preferred. The use of a water-soluble binder enables the model to be coated with an aqueous mortar as a separating layer. Furthermore, the spalling problems can be largely avoided.

Vorzugsweise wird eine Paste durch Einmischen eines Pul­vers aus abriebsbeständigem Material in die Bindemittel­lösung hergestellt, die dann auf die gewünschten Ober­flächenbereiche des Modells aufgetragen wird.A paste is preferably produced by mixing a powder of abrasion-resistant material into the binder solution, which is then applied to the desired surface areas of the model.

Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zufolge wird an dem gewünschten Bereich des Modells in dessen Oberfläche eine Vertiefung oder Mulde eingelassen, in die entweder die Paste eingebracht wird oder die zunächst mit der wäss­rigen Bindemittellösung gefüllt wird, in die dann das ab­riebsbeständige Material eingestreut wird.According to a further embodiment of the invention, a recess or depression is made in the surface of the desired area of the model, into which either the paste is introduced or which is initially filled with the aqueous binder solution, into which the abrasion-resistant material is then sprinkled.

Von besonderem Vorteil ist es auch, zunächst eine ver­formbare Scheibe aus abriebsbeständigem Material und der Bindemittellösung herzustellen, indem das Material in eine mit Lösungsmittel gefüllte Form eingebracht wird und sich hierin absetzt. Diese Scheibe läßt sich dann auf eine ge­ wünschte Form und Größe bringen und wird dann auf das Mo­dell aufgeklebt.It is also particularly advantageous to first produce a deformable disk made of abrasion-resistant material and the binder solution by introducing the material into a mold filled with solvent and depositing it therein. This disc can then be on a ge bring the desired shape and size and is then glued to the model.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteran­sprüchen hervor.Further advantageous refinements and developments of the method according to the invention emerge from the subclaims.

Die Erfindung stellt ferner das Eisenerzeugnis bereit, das durch eines der erfindungsgemäßen Verfahren geschaffen wurde.The invention also provides the iron product created by one of the methods of the invention.

Anhand der Zeichnung sollen die Erfindung sowie weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal­tungen der Erfindung näher beschrieben und erläutert wer­den.The invention and further advantages and advantageous developments and refinements of the invention are to be described and explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigt:

  • Fig. 1 die Illustration eines Verfahrens zur Erhö­hung der Zeitdauer für den Kontakt zwischen dem flüssigen Metall und dem Karbid und
  • Fig. 2 bis 6 Photographien verschiedener Erscheinungs­formen der vorliegenden Erfindung.
It shows:
  • Fig. 1 is an illustration of a method for increasing the time for the contact between the liquid metal and the carbide and
  • 2 to 6 photographs of various aspects of the present invention.

Die vorliegende Erfindung kann beim Gießen jedes bekannten Eisenerzeugnisses angewandt werden. Sie ist jedoch bei Gußeisen, insbesondere Kugelgraphitgußeisen oder Grauguß, besonders bevorzugt.The present invention can be applied to the casting of any known iron product. However, it is particularly preferred for cast iron, in particular spheroidal graphite cast iron or gray cast iron.

Bezüglich des zerstörbaren Modells, welches in der vor­liegenden Erfindung verwendet wird, kann jedes geeignete Material verwendet werden. Geschäumtes Polystyrol (EPS) und Polymethylmethacrylat (PMMA) werden jedoch bevorzugt. PMMA eignet sich am meisten, da es weniger empfindlich be­ züglich der Ausbildung unerwünschter Kohlenstoffehlstellen während des Gießens ist und weniger Probleme hinsichtlich des Abplatzens bereitet.Any suitable material can be used with respect to the destructible model used in the present invention. However, foamed polystyrene (EPS) and polymethyl methacrylate (PMMA) are preferred. PMMA is the most suitable because it is less sensitive with regard to the formation of undesirable carbon vacancies during casting and less problems with flaking.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein hartes, abriebs­beständiges Material mit einer Partikelgröße von ungefähr 15 Mikrons bis ungefähr 1,5 mm oder mehr bevorzugt. Die Partikelgröße liegt vorzugsweise zwischen etwa 140 und etwa 548 Mikrons (30 Maschenweite) und besonders bevorzugt zwischen etwa 140 und etwa 149 Mikrons (100 Maschenweite). Da Kohlenstoffehlstellen sich leichter ausbilden, wenn Pulver mit feinerer Partikelgröße, beispielsweise 200 Maschenweite (74 Mikrons), verwendet werden, wird gröberes Pulver bevorzugt, jedoch ohne daß feines Pulver als völlig ungeeignet angesehen wird.In the present invention, a hard, abrasion-resistant material with a particle size of about 15 microns to about 1.5 mm or more is preferred. The particle size is preferably between about 140 and about 548 microns (30 mesh) and more preferably between about 140 and about 149 microns (100 mesh). Since carbon imperfections are easier to form when using powders with a finer particle size, for example 200 mesh (74 microns), coarser powder is preferred, but without fine powder being considered completely unsuitable.

Die Teilchen sind ferner gewöhnlich kugelförmig, um bei­spielsweise das Fließvermögen zu verbessern, jedoch ist die Teilchenform nicht entscheidend.The particles are also usually spherical, for example to improve fluidity, but the particle shape is not critical.

Bezüglich der Wahl des harten, abriebsbeständigen Mate­rials kann wirkungsvoll jedes bekannte Material mit einem harten Zustand verwendet werden, wie z. B. Wolframkarbid, Chromkarbid und ähnliches oder eine Mischung hieraus. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines abriebsbestän­digen Materials mit ausreichender Benetzbarkeit hinsicht­lich des verwendeten Eisengusses die aus dem Stand der Technik bekannten Abplatzprobleme wirksam vermindert. Wo duktiles Eisen als zu gießendes Metall verwendet wird, sind kugelartiges oder scharfkantiges Wolframkarbid oder ein eutektisches Gemisch aus WC und W₂C oder andere Kar­bide wie Chromkarbid bevorzugt, während Aluminium am we­nigsten geeignet ist.Regarding the choice of hard, abrasion resistant material, any known hard state material can be effectively used, such as e.g. B. tungsten carbide, chromium carbide and the like or a mixture thereof. It has been shown that the use of an abrasion-resistant material with sufficient wettability with regard to the cast iron used effectively reduces the chipping problems known from the prior art. Where ductile iron is used as the metal to be cast, spherical or sharp-edged tungsten carbide or a eutectic mixture of WC and W₂C or other carbides such as chromium carbide are preferred, while aluminum is the least suitable.

Es hat sich ferner gezeigt, daß die Benetzbarkeit des Wolframkarbids gesteigert wird, wenn der Kohlenstoffanteil des Pulvers kleiner als stöchiometrisch erforderlich ist (z. B. kleiner als 6,5 Gewichtsprozente für WC). Daher ist es besonders vorteilhaft, unterstöchiometrischen Kohlen­stoff, kugeliges Wolframkarbidpulver mit einem Kohlen­stoffgehalt von ungefähr 4 % sowie auch ein eutektisches Gemisch aus W₂C und WC (gewerblich verfügbar unter dem Gattungsnamen "crushed carbid") im Zusammenhang mit duk­tilem Eisen zu verwenden.It has also been shown that the wettability of the tungsten carbide is increased when the carbon content of the powder is less than stoichiometric required (e.g. less than 6.5 percent by weight for WC). It is therefore particularly advantageous to use substoichiometric carbon, spherical tungsten carbide powder with a carbon content of approximately 4% and also a eutectic mixture of W₂C and WC (commercially available under the generic name "crushed carbid") in connection with ductile iron.

Als Bindemittel wird eine Lösung aus Polyvinylalkohol (PVA) bevorzugt, da dieser in hohem Maße wasserlöslich ist und die Verwendung einer brennbaren Flüssigkeit, wie Al­kohol, entbehrlich macht. PVA verdunstet auch schnell, ohne Kohlenstoffrückstände auf den Teilchen zu hinter­lassen, wodurch die Benetzungswirkung des geschmolzenen Metalls gesteigert wird, so daß das Metall leichtfließend in die Vernetzung der Karbidpartikel eindringen kann. Vor­zugsweise enthält das Bindemittel eine Lösung aus PVA und Wasser mit einer Konzentration von mehr als 5 Gewichts­prozent PVA, vorzugsweise zwischen etwa 9,5 und etwa 10,5 Gewichtsprozent PVA.A solution of polyvinyl alcohol (PVA) is preferred as the binder, since it is highly water-soluble and makes the use of a flammable liquid, such as alcohol, unnecessary. PVA also evaporates quickly without leaving carbon residue on the particles, increasing the wetting effect of the molten metal so that the metal can penetrate the carbide particle crosslinking in a fluid manner. The binder preferably contains a solution of PVA and water with a concentration of more than 5 percent by weight of PVA, preferably between about 9.5 and about 10.5 percent by weight of PVA.

Das Verfahren wird insbesondere angewandt, um ein Gußstück zu liefern, das abriebsbeständiges Material an einer be­stimmten Stelle (oder an bestimmten Stellen) aufweist, wo­bei ein zerstörbares Modell des gewünschten Gußerzeugnis­ses verwendet wird. Ein zerstörbares Modell bestimmter Form und Größe (welche von dem gewünschten Gußerzeugnis abhängen) kann durch ein beliebiges der bekannten Verfah­ren hergestellt werden. Insbesondere werden einige erfolg­reiche Verfahren zur Herstellung zerstörbarer Modelle in den US-PS 4,093,018, US-PS 4,462,453 und US-PS 4,691,754 beschrieben.The method is particularly used to deliver a casting that has abrasion resistant material at a particular location (or locations) using a destructible model of the desired cast product. A destructible model of certain shape and size (which depend on the desired cast product) can be made by any of the known methods. In particular, some successful methods for making destructible models are described in U.S. Patents 4,093,018, 4,462,453 and 4,691,754.

Eine Masse aus den abriebsbeständigen Teilchen und der Bindemittellösung, die aus einem Gemisch aus Wasser und PVA besteht, wird durch Einmischen der Teilchen in die Bindemittellösung hergestellt. Die Paste wird dann bei­spielsweise durch Ausstreichen oder auf ähnliche Weise auf die Oberfläche des Modells aufgetragen, und zwar auf solche Stellen, an denen eine Tränkung der Eisenoberfläche mit dem abriebsbeständigen Material gewünscht wird. Dabei kann, falls erforderlich, zusätzlich eine Bindemittel­lösung aus Wasser und PVA verwendet werden.A mass of the abrasion resistant particles and the binder solution, which consists of a mixture of water and PVA is made by mixing the particles into the binder solution. The paste is then applied to the surface of the model, for example by spreading or in a similar manner, to those places where it is desired to impregnate the iron surface with the abrasion-resistant material. If necessary, a binder solution consisting of water and PVA can also be used.

Nachdem die Paste, die die harten, abriebsbeständigen Teilchen enthält, an den gewünschten Orten des zerstörba­ren Modells aufgetragen und die Paste bei Zimmertempera­tur oder vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen bis maxi­mal 60°C über mehrere Stunden völlig getrocknet ist, kann ein Keramikschlamm in bekannter Weise als Trennschicht auf das ganze Modell aufgetragen werden, um eine Berührung zwischen dem flüssigen Metall und der Sandform zu verhin­dern, wodurch sich sowohl die maschinelle Bearbeitbarkeit als auch die Oberflächengüte des Erzeugnisses verbessern lassen.After the paste, which contains the hard, abrasion-resistant particles, is applied to the desired locations on the destructible model and the paste has dried completely at room temperature or preferably at elevated temperatures up to a maximum of 60 ° C. for several hours, a ceramic slurry can be used in a known manner as a separating layer can be applied to the entire model to prevent contact between the liquid metal and the sand mold, which can improve both the machinability and the surface finish of the product.

Bisherige Versuche, in dieser Verfahrensstufe einen wäss­rigen Keramikschlamm anzuwenden, scheiterten, da das Auf­tragen wässriger Schlämme auf ein Schaummodell, welches eine Schicht aus Karbid und einem bisher verwendeten Bin­demittel trägt, eine unerwünschte Auflösung des Binde­mittels in dem wässrigen Schlamm hervorruft, was zur Ab­lösung der Karbidschicht führt. Die Verwendung eines PVA-­Bindemittels gemäß vorliegender Erfindung beseitigt jedoch dieses Problem und erlaubt die Verwendung eines wässrigen Keramikschlammes, sofern die oben beschriebenen, einfachen Vorkehrungen getroffen werden. Durch die Anwendung wäss­riger Schlämme gemäß vorliegender Erfindung kann ferner das Sicherheitsrisiko überwunden werden, das mit den her­kömmlichen nichtwässrigen Schlämmen verbunden war.Previous attempts to use an aqueous ceramic slurry at this stage of the process failed because the application of aqueous sludge to a foam model which carries a layer of carbide and a previously used binder causes an undesired dissolution of the binder in the aqueous slurry, which leads to the detachment of the carbide layer leads. However, the use of a PVA binder according to the present invention eliminates this problem and allows the use of an aqueous ceramic slurry, provided the simple precautions described above are taken. By using aqueous sludges according to the present invention, the safety risk associated with the conventional non-aqueous sludges can also be overcome.

Es können verschiedene Verfahren angewandt werden, um den Keramikschlamm auf das Modell aufzutragen, z. B. Bestrei­chen der Oberfläche unter Verwendung einer Bürste oder Luftversprühung des Schlammes. Jedoch wird unter den Be­dingungen einer Massenproduktion ein unmittelbares Ein­tauchen des Modells in den Schlamm als wirkungsvollste Methode angesehen.Various methods can be used to apply the ceramic slurry to the model, e.g. B. Brush the surface using a brush or air spray the slurry. However, under the conditions of mass production, direct immersion of the model in the sludge is considered the most effective method.

Es hat sich ferner herausgestellt, daß die Auflösungspro­bleme des Bindemittels in dem wässrigen Schlamm weiter vermindert werden können, wenn das Modell schnell aus dem Schlamm herausgezogen, anschließend überschüssiger Schlamm von dem Modell abgeschwenkt und das Modell sofort einem Warmluftofen zugeführt wird, der für eine vollständige Austrocknung vorzugsweise auf einer Temperatur von etwa 50°C für einige Stunden gehalten wird.It has also been found that the problems of dissolving the binder in the aqueous sludge can be further reduced if the model is quickly withdrawn from the sludge, then excess sludge is swept away from the model and the model is immediately fed to a hot air oven which is required for complete drying preferably held at a temperature of about 50 ° C for a few hours.

Nachfolgend kann das Modell zur Ausbildung einer Gießform herangezogen und einem bekannten Metallgießverfahren un­terworfen werden. Ein Sandgußverfahren wurde z. B. in dem bereits zitierten Aufsatz von Hansen et al beschrieben.The model can subsequently be used to form a casting mold and subjected to a known metal casting process. A sand casting process was e.g. B. described in the previously cited article by Hansen et al.

Beim Metallguß hat es sich gezeigt, daß mit Verlängerung der Zeitdauer, während der das abriebsbeständige Material mit dem flüssigen Metall in Berührung kommt, die Neigung zum Abplatzen des Materials abnimmt. Ein Verfahren, um die Kontaktzeit zu erhöhen, besteht in der Verwendung eines überhitzten Flüssigmetalls. Hierbei wird das flüssige Me­tall auf eine Temperatur überhitzt, die über der Liquidus­linie liegt. Um eine geeignete Überhitzung sicherzu­stellen, wird das Metall auf eine Temperatur erhitzt, die vorzugsweise etwa 250 bis 320°C über der Liquiduslinie liegt. Hierdurch wird die Erstarrungszeit und damit auch die Zeit für das Eindringen des Metalls in die Karbid­schicht verlängert, so daß sich eine nichtabplatzende Oberflächenschicht ausbilden kann.In the case of metal casting, it has been found that with an increase in the time during which the abrasion-resistant material comes into contact with the liquid metal, the tendency for the material to flake off decreases. One method to increase contact time is to use a superheated liquid metal. The liquid metal is overheated to a temperature above the liquidus line. To ensure proper overheating, the metal is heated to a temperature that is preferably about 250 to 320 ° C above the liquidus line. As a result, the solidification time and thus also the time for the penetration of the metal into the carbide layer is extended, so that a non-flaking surface layer can form.

Ein weiteres Verfahren zur Erhöhung der Kontaktzeit zwi­schen Metall und Karbid liegt in der Erhöhung des Abguß­volumens und damit des Verhältnisses zwischen Abgußvolumen und Karbidfläche. Mit anderen Worten, das Abgußvolumen wird so gewählt, daß das Verhältnis von Abgußvolumen zur Fläche des abriebsbeständigen Materials ausreicht, um eine erhöhte Kontaktzeit zwischen dem flüssigen Metall und dem abriebsbeständigen Material während des Gießvorganges zu gewährleisten. Dies soll anhand der Fig. 1 näher erläutert werden.Another method for increasing the contact time between metal and carbide is to increase the casting volume and thus the ratio between the casting volume and the carbide area. In other words, the casting volume is chosen so that the ratio of the casting volume to the area of the abrasion-resistant material is sufficient to ensure an increased contact time between the liquid metal and the abrasion-resistant material during the casting process. This will be explained in more detail with reference to FIG. 1.

Wie aus Fig. 1 entnommen werden kann, ist die Wahrschein­lichkeit des Abplatzens der abriebsbeständigen Schicht 1 im Guß A viel geringer als im Guß B, weil das größere Metallvolumen 2 in A eine längere Zeitspanne für das Er­starren erfordert. Es hat sich demgemäß gezeigt, daß beim Gießen dünner Abschnitte, z. B. B, eine Ausweitung des Gusses über die erforderliche Größe hinaus (wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet wurde) die Zeit des Kontakts zwischen Karbid und flüssigem Metall erhöht und damit die Wahrscheinlichkeit eines Abplatzens vermindert.As can be seen from Fig. 1, the abrasion-resistant layer 1 is much less likely to flake off in casting A than in casting B because the larger volume of metal 2 in A requires a longer time to solidify. It has accordingly been found that when casting thin sections, for. B. B, expanding the cast beyond the required size (as indicated by the dashed lines) increases the time of contact between the carbide and the molten metal, thereby reducing the likelihood of chipping.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vor dem Auftragen der Masse mit den abriebsbeständigen Teilchen in dem Schaummodell wenigstens eine Vertiefung oder Mulde ausgebildet werden. Diese Vertiefungen können durch ein übliches maschinelles Verfahren, wie Fräsen, Bohren oder dergleichen, hergestellt werden. Die Vertie­fungen oder Mulden haben vorzugsweise eine Tiefe von etwa 0,5 mm bis etwa 3,0 mm, was von dem Teil oder der erfor­derlichen Verschleißdauer abhängt.According to an alternative embodiment of the invention, at least one depression or depression can be formed in the foam model before the composition with the abrasion-resistant particles is applied. These depressions can be produced by a conventional mechanical method, such as milling, drilling or the like. The depressions or troughs preferably have a depth of about 0.5 mm to about 3.0 mm, depending on the part or the amount of wear required.

Die Vertiefung oder Mulde kann mit der Masse ausgefüllt werden, die die harten, verschleißfesten Teilchen enthält, wodurch die genaue Lage im sich ergebenden Gußstück si­chergestellt ist.The recess or trough can be filled with the mass containing the hard, wear-resistant particles, which ensures the exact position in the resulting casting.

Anstatt die Masse in die Vertiefung einzubringen, kann zu­erst das Bindemittel in die Vertiefung eingebracht werden, wobei eine vollständige Benetzung der Schaumoberfläche er­reichbar ist. Anschließend kann das aus vereinzelten Tei­len bestehende verschleißfeste Material in die Vertiefung eingegossen werden, wo es sich absetzt und die Vertiefung eng auskleidet. Überschüssiges PVA-Wasser-Bindemittel kann dann durch ein geeignetes absorbierendes Material abge­wischt werden. Falls gewünscht, kann man vor der Beschich­tung mit dem Keramikschlamm die verschleißfeste Schicht trocknen lassen, z. B. bei Raumtemperatur, jedoch vorzugs­weise bei erhöhten Temperaturen, besonders bevorzugt bei etwa 60°C.Instead of introducing the mass into the depression, the binder can first be introduced into the depression, complete wetting of the foam surface being achievable. The wear-resistant material consisting of isolated parts can then be poured into the recess, where it settles and the recess is closely lined. Excess PVA water binder can then be wiped off with a suitable absorbent material. If desired, you can let the wear-resistant layer dry before coating with the ceramic slurry, e.g. B. at room temperature, but preferably at elevated temperatures, particularly preferably at about 60 ° C.

Anschließend wird das Modell mit dem Schlamm beschichtet und der Guß mit dem Metall in der bereits beschriebenen Weise durchgeführt.The model is then coated with the sludge and the casting with the metal is carried out in the manner already described.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Scheiben aus einem Pulver aus verschleißfestem Material und einem Bindemittel unter Zuhilfenahme von Formen her­gestellt und dann in erforderliche Formate unterteilt.According to a further embodiment of the invention, disks are made from a powder of wear-resistant material and a binder with the aid of molds and then divided into required formats.

Zuerst wird das aus Einzelteilen bestehende verschleiß­feste Material und das PVA-Wasser-Bindemittel in einer Form gemischt und gleichmäßig verteilt. Überschüssiges Bindemittel kann durch ein geeignetes absorbierendes Ma­terial entfernt werden. Die Scheibe läßt man dann unter geeigneten Bedingungen trocknen, wobei die Scheibe teil­weise abbindet. Vorzugsweise wird die Scheibe über eine Zeitdauer von etwa 45 bis etwa 75 Minuten, besonders be­vorzugt über 60 Minuten, in einem Ofen oder dergleichen getrocknet, der auf einer Temperatur zwischen etwa 60 und 65°C, besonders bevorzugt auf 60°C, gehalten wird. Hier­durch wird die Scheibe fest genug, um anschließend gehand­habt und in die gewünschten Stücke geschnitten werden zu können.First, the wear-resistant material consisting of individual parts and the PVA water binder are mixed in a mold and evenly distributed. Excess binder can be removed using a suitable absorbent material. The disc is then allowed to dry under suitable conditions, the disc partially setting. The disk is preferably dried over a period of about 45 to about 75 minutes, particularly preferably over 60 minutes, in an oven or the like which is kept at a temperature between about 60 and 65 ° C., particularly preferably at 60 ° C. This makes the disc strong enough to be handled and cut into the desired pieces.

Nachdem die Scheibe in Stücke gewünschter Form und Größe geschnitten ist bzw. nachdem Löcher in die Scheiben ge­bohrt wurden, wie es in Fig. 2 abgebildet ist, werden die geschnittenen Stücke unter Bedingungen getrocknet, welche eine sofortige Benutzung oder eine Lagerung für eine spä­tere Anwendung erlauben. Vorzugsweise erfolgt das Trocknen in einem Temperaturbereich zwischen etwa 60°C und etwa 65°C, besonders bevorzugt bei 60°C, und über eine Zeit­dauer von 8 bis 24 Stunden, besonders bevorzugt 24 Stun­den.After the disc is cut into pieces of the desired shape and size, or after holes have been drilled in the discs, as shown in Fig. 2, the cut pieces are dried under conditions which allow immediate use or storage for later use . Drying is preferably carried out in a temperature range between approximately 60 ° C. and approximately 65 ° C., particularly preferably at 60 ° C., and over a period of 8 to 24 hours, particularly preferably 24 hours.

Vorzugsweise wird eine vollständig getrocknete Scheibe vor einer Anwendung auf einer nichtebenen Fläche weich ge­macht. Dies erfolgt z. B. dadurch, daß die Scheibe für etwa 15 bis 25 Sekunden einem Dampf ausgesetzt wird.Preferably, a completely dried slice is softened on a non-flat surface before use. This is done e.g. B. by exposing the disc to steam for about 15 to 25 seconds.

Sind die Scheiben verformbar, so lassen sie sich um einen Zylinder biegen, wie es Fig. 3 zeigt. Die verformten Scheiben werden dann durch Kleben oder auf andere Weise auf die Oberfläche des zerstörbaren Modells auf eine Weise befestigt, die das Gießen des gewünschten Produktes nicht ungünstig beeinflußt. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Scheibe auf das zerstörbare Modell geklebt werden, indem eine wässrige Lösung von PVA oder andere geeignete Kleb­stoffe verwendet werden. Die vorstehend beschriebene wäss­rige PVA-Bindemittellösung wird als Klebematerial beson­ders bevorzugt.If the disks are deformable, they can be bent around a cylinder, as shown in FIG. 3. The deformed disks are then adhered or otherwise attached to the surface of the destructible model in a manner that does not adversely affect the casting of the desired product. As shown in Fig. 4, the pane can be glued to the destructible model using an aqueous solution of PVA or other suitable adhesive. The aqueous PVA binder solution described above is particularly preferred as the adhesive material.

Mit den sich ergebenden zerstörbaren Modellen mit den harten, verschleißfesten Teilchen werden dann Gußerzeug­nisse wie oben beschrieben hergestellt. Beispiele für Guß­erzeugnisse gemäß vorliegender Erfindung gehen aus den Fi­guren 5 und 6 hervor.The resulting destructible models with the hard, wear-resistant particles are then used to produce castings as described above. Examples of cast products according to the present invention are shown in FIGS. 5 and 6.

Das Verfahren wird insbesondere bei einer Massenfertigung vorteilhaft angewendet. Beispielsweise kann bei der An­ wendung des zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiels der Herstellungsprozess für die Scheiben (z. B. die Ausbildung der Scheiben aus den Teilchen und dem Bindemittel) an einem Ort durchgeführt werden, der abseits vom Gießver­fahrensort liegt. Dies ist ein wesentlicher Gesichtspunkt für eine leistungsfähige Massenproduktion.The method is particularly advantageously used in mass production. For example, the An Using the last-described exemplary embodiment, the manufacturing process for the disks (for example the formation of the disks from the particles and the binder) can be carried out at a location which is remote from the location of the casting process. This is an essential aspect for efficient mass production.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden, um Eisenprodukte für eine breite Anwendungspalette herzu­stellen. Insbesondere können Motorteile, wie beispiels­weise Nockenwellen oder Exzenterrollen, landwirtschaft­liche Geräte, Feldbestellungswerkzeuge, Bremsen usw., her­gestellt werden. Produkte, die gemäß der vorliegenden Er­findung hergestellt wurden, sind den bekannten Produkten überlegen, da die Bindung zwischen den verschleißfesten Teilchen und dem Eisen hier wirksamer ist. Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Verwendung nicht­wässriger Schlämme verzichtet werden, wodurch die damit verbundenen Sicherheitsrisiken entfallen.The method according to the invention can be used to produce iron products for a wide range of applications. In particular, engine parts such as camshafts or eccentric rollers, agricultural equipment, field order tools, brakes, etc. can be manufactured. Products made in accordance with the present invention are superior to known products because the bond between the wear resistant particles and the iron is more effective here. Furthermore, the use of non-aqueous sludges can be dispensed with in the method according to the invention, as a result of which the associated safety risks are eliminated.

Um die vorliegende Erfindung sowie deren Vorteile näher zu beschreiben, werden im folgenden besondere Ausführungsbei­spiele angegeben, welche jedoch lediglich beispielhaft sind und keinerlei Einschränkung darstellen.In order to describe the present invention and its advantages in more detail, special exemplary embodiments are given below, which are, however, only exemplary and do not constitute any restriction.

BEISPIELEEXAMPLES Beispiel 1:Example 1: Verfahren (A) und (B) zur Erzeugung eines Eisenerzeug­nisses gemäß der vorliegenden Erfindung.Process (A) and (B) for producing an iron product according to the present invention.

(A) Es wird ein PMMA-Modell mit einer daran angebrachten Karbidscheibe hergestellt, indem zunächst das Karbid und das PVA in einer rechteckigen Form gemischt und gleichmäßig ausgebreitet werden. Das überschüssige Bindemittel wird dann unter Verwendung eines geeig­neten absorbierenden Papieres entfernt.(A) A PMMA model with a carbide disc attached is made by first removing the carbide and the PVA can be mixed in a rectangular shape and spread evenly. The excess binder is then removed using a suitable absorbent paper.

Die Scheibe wird zusammen mit der Form 60 Minuten lang in einem Ofen bei einer Temperatur von 60°C ge­trocknet, um das Bindemittel teilweise auszuhärten. Hierdurch wird die Scheibe fest genug, um sie weiter zu verwenden und in Stücke zu schneiden.The disk and the mold are dried in an oven at a temperature of 60 ° C for 60 minutes to partially cure the binder. This will make the disc firm enough to continue using and cutting into pieces.

Die teilweise ausgehärtete Scheibe wird mit einer scharfen Schneide in Stücke von gewünschter Form und Größe geschnitten, wie sie beispielsweise in Fig. 2 darstellt sind. Diese Stücke werden bei 60°C während weiterer 24 Stunden getrocknet und anschließend unter Verwendung des PVA-Bindemittels auf das Modell ge­klebt, wobei das gewünschte Modell gebildet wird, wie es beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist.The partially hardened disc is cut with a sharp cutting edge into pieces of the desired shape and size, as shown, for example, in FIG. 2. These pieces are dried at 60 ° C for an additional 24 hours and then glued to the model using the PVA binder to form the desired model, as shown, for example, in FIG. 4.

Dann wird auf bekannte Art eine Gießform hergestellt, indem z. B. das hergestellte Modell in einen Guß­eisenformkasten in gebundenen oder ungebundenen Sand eingebettet wird. Das entsprechende Verfahren wird auf Seite 3 des oben zitierten Aufsatzes von Hansen et al näher beschrieben.Then a mold is made in a known manner by z. B. the model is embedded in a cast iron box in bound or unbound sand. The corresponding procedure is described in more detail on page 3 of the article by Hansen et al cited above.

Das gewünschte Metall, wie beispielsweise duktiles Eisen, wird in flüssigem Zustand in die Form abge­gossen, was zu einem Verdampfen des Modells führt. Das Modellgas tritt durch den Sand aus, und das flüs­sige Metall füllt den von dem Modell zurückgelassenen Hohlraum aus. Das Metall erhärtet dann und bildet ein Eisenerzeugnis, in das eine verschleißfeste Schicht imprägniert ist.The desired metal, such as ductile iron, is poured into the mold in a liquid state, which leads to evaporation of the model. The model gas exits through the sand and the liquid metal fills the cavity left by the model. The metal then hardens and forms an iron product in which a wear-resistant layer is impregnated.

(B) In ein PMMA-Modell werden mehrere Vertiefungen mit einer Tiefe von 0,5 mm an solche Stellen eingelassen, an denen die verschleißfreien Schichten entstehen sollen. Ein Bindemittel, welches aus einer wässrigen Lösung mit 10 Gewichtsprozent PVA besteht, wird in die Vertiefungen gegossen.(B) In a PMMA model, several depressions with a depth of 0.5 mm are inserted in those places where the wear-free layers are to be created. A binder, which consists of an aqueous solution with 10 percent by weight PVA, is poured into the wells.

Zerkleinerte Karbidteilchen werden dann in die Ver­tiefungen eingebracht und können sich absetzen. Der Überschuß an Bindemittel wird abgewischt, und die Schicht wird in einem Warmluftofen bei 60°C über 6 Stunden getrocknet.Crushed carbide particles are then introduced into the wells and can settle. The excess binder is wiped off and the layer is dried in a warm air oven at 60 ° C for 6 hours.

Das getrocknete Modell wird dann in einen wässrigen Keramikschlamm eingetaucht und ausgeschwenkt, um über­schüssigen Schlamm zu entfernen. Jetzt wird das Mo­dell sofort in einen Warmluftofen eingebracht, wo es bei 50°C über 16 Stunden getrocknet wird.The dried model is then immersed in an aqueous ceramic slurry and swung out to remove excess sludge. Now the model is immediately placed in a warm air oven, where it is dried at 50 ° C for 16 hours.

Auf gleiche Weise wie beim Beispiel 1(A) wird dann eine Gußform hergestellt und das Eisenerzeugnis ge­gossen.Then, in the same manner as in Example 1 (A), a mold was made and the iron product was cast.

Beispiel 2:Example 2: Erproben von Musterstücken, die gemäß vorliegender Er­findung hergestellt wurden.Testing of samples made in accordance with the present invention.

Mehrere Musterstücke gemäß der vorliegenden Erfindung, die duktiles Eisen und verschiedene harte Materialien ent­halten, wurden unter Verwendung eines PMMA-Modells ge­gossen. Diese Musterstücke sind in Tabelle 1 näher be­schrieben. TABELLE 1 Material Maschenweite Benetzbarkeit 1. GTE angular WC (1) 40/80 benetzt durch D.I. 2. GTE spherical WC (1) 40/80 benetzt durch D.I. 3. GTE spherical WC (1) 100/200 benetzt durch D.I. 4. Macrocryst., WC (2) 40/80 benetzt durch D.I. 5. Macrocryst., WC (2) 100/140 benetzt durch D.I. 6. Macrocryst., WC (2) 140/200 benetzt durch D.I. 7. Macrocryst., WC (2) 200/325 benetzt durch D.I. 8. Macrocryst., WC (2) 325/15 micron benetzt durch D.I. 9. Kenface, WC+6w/0Co(3) 40/80 benetzt durch D.I. 10. KS-12, WC+12w/0Co(4) 100/140 benetzt durch D.I. 11. KS-12, WC+12w/0Co(4) 140/200 benetzt durch D.I. 12. Chrom. Carbide (5) 60/120 benetzt durch D.I. (1) Hervorragende Benetzbarkeit (2) Gute Benetzbarkeit (3) Benetzbarkeit ist geringer als die von Macrocrystalline WC (4) Benetzbarkeit ist gleich der von Macrocrystalline WC (5) Hervorragende Benetzbarkeit, Karbid neigt zum Auflösen im Gußeisen Several sample pieces in accordance with the present invention containing ductile iron and various hard materials were cast using a PMMA model. These sample pieces are described in more detail in Table 1. TABLE 1 material Mesh size Wettability 1.GTE angular toilet (1) 40/80 wetted by DI 2.GTE spherical toilet (1) 40/80 wetted by DI 3.GTE spherical toilet (1) 100/200 wetted by DI 4. Macrocryst., WC (2) 40/80 wetted by DI 5. Macrocryst., WC (2) 100/140 wetted by DI 6. Macrocryst., WC (2) 140/200 wetted by DI 7. Macrocryst., WC (2) 200/325 wetted by DI 8. Macrocryst., Toilet (2) 325/15 micron wetted by DI 9. Kenface, WC + 6w / 0Co (3) 40/80 wetted by DI 10. KS-12, WC + 12w / 0Co (4) 100/140 wetted by DI 11. KS-12, WC + 12w / 0Co (4) 140/200 wetted by DI 12. Chrome. Carbide (5) 60/120 wetted by DI (1) Excellent wettability (2) Good wettability (3) wettability is lower than that of Macrocrystalline WC (4) Wettability is the same as that of Macrocrystalline WC (5) Excellent wettability, carbide tends to dissolve in cast iron

Macrocrystalline, Kenface und KS-12 sind Handelsmarken von Kennametal, Inc. für Wolframkarbidzusammensetzungen.Macrocrystalline, Kenface and KS-12 are trademarks of Kennametal, Inc. for tungsten carbide compositions.

Diese der vorliegenden Erfindung entsprechenden Muster­stücke, die mit den Musternummern 1 bis 18 gekennzeichnet sind, wurden unter Verwendung von Gummiradabreibungstests mit Trockensand bewertet.These sample pieces according to the present invention, identified with sample numbers 1 to 18, were evaluated using rubber wheel rubbing tests with dry sand.

Insbesondere wurden diese Musterstücke mit Vergleichs­mustern gemäß der Musternummern 19 bis 21 verglichen, die 1020-Stahl, 1080-Stahl (gehärtet und angelassen) bzw. 1080-Stahl (gehärtet) enthalten. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt. TABELLE 2 Berechnung der Volumenverluste bei Trockensand-Gummiradabreibungstests: Material: Gußmetallschmelzkern aus duktilem Eisen mit Wolframkarbid und Chromkarbid Muster-Nr. Verstärkungsmaterial Probe-Nr. Anfangsgewicht gm Endgewicht gm Gewichtsverlust gm Dichte gm/cm³ Volumenverlust cm³ durchschn. Volumenverlust cm³ 1 MC 1 99.4599 99.3885 0.0714 10.87 6.564 7.521 2 MC 2 93.1229 93.048 0.0749 10.87 6.886 3 MC 3 100.3228 100.2237 0.0991 10.87 9.111 4 CR3C2 1 85.7913 857356 0.0557 7.05 7.896 7.971 5 CR3C2 2 86.4831 86.4241 0.059 7.05 8.364 6 CR3C2 3 81.7488 81.6948 0.054 7.05 7.655 7 GTE-WC, scharfk. 1 101.7786 101.7226 0.056 11.95 4.686 5.648 8 GTE-WC, scharfk. 2 93.9399 93.8593 0.0806 11.95 6.744 9 GTE-WC, scharfk. 3 89.5642 89.4983 0.0659 11.95 5.514 10 GTE-WC, kugelf. 1 94.5713 94.5287 0.0426 12.77 3.335 2.834 11 GTE-WC, kugelf. 2 89.2265 89.2028 0.0237 12.77 1.855 12 GTE-WC, kugelf. 3 92.6073 92.565 0.0423 12.77 3.312 13 Kenface 1 95.413 95.2824 0.1304 7.54 17.294 20.119 14 Kenface 2 94.278 94.1113 0.167 7.54 22.148 15 Kenface 3 93.545 93.3769 0.1683 7.54 22.320 16 KS-12 1 95.813 95.5581 0.2549 9.32 27.346 28.119 17 KS-12 2 95.558 90.9325 0.2397 9.32 25.716 18 KS-12 3 93.321 93.0284 0.2917 9.32 31.294 19 Stahl 1020 1 96.2164 95.45 0.7664 7.85 97.518 97.518 20 Stahl 1080 (Q+T) 1 33.57 21 Stahl 1080(nur Q) 1 24.57 In particular, these sample pieces were compared with comparison samples according to sample numbers 19 to 21, which contain 1020 steel, 1080 steel (hardened and tempered) and 1080 steel (hardened). The results are shown in Table 2. TABLE 2 Calculation of volume losses in dry sand rubber wheel abrasion tests: Material: cast metal melting core made of ductile iron with tungsten carbide and chrome carbide Pattern No. Reinforcement material Sample No. Initial weight gm Final weight gm Weight loss gm Density gm / cm³ Volume loss cm³ average Volume loss cm³ 1 MC 1 99.4599 99.3885 0.0714 10.87 6,564 7,521 2nd MC 2nd 93.1229 93,048 0.0749 10.87 6,886 3rd MC 3rd 100.3228 100.2237 0.0991 10.87 9,111 4th CR3C2 1 85.7913 857356 0.0557 7.05 7,896 7,971 5 CR3C2 2nd 86.4831 86.4241 0.059 7.05 8,364 6 CR3C2 3rd 81.7488 81.6948 0.054 7.05 7,655 7 GTE-WC, sharp. 1 101.7786 101.7226 0.056 11.95 4,686 5,648 8th GTE-WC, sharp. 2nd 93.9399 93.8593 0.0806 11.95 6,744 9 GTE-WC, sharp. 3rd 89.5642 89.4983 0.0659 11.95 5,514 10th GTE-WC, spherical. 1 94.5713 94.5287 0.0426 12.77 3,335 2,834 11 GTE-WC, spherical. 2nd 89.2265 89.2028 0.0237 12.77 1,855 12 GTE-WC, spherical. 3rd 92,6073 92,565 0.0423 12.77 3,312 13 Kenface 1 95,413 95.2824 0.1304 7.54 17,294 20,119 14 Kenface 2nd 94,278 94.1113 0.167 7.54 22,148 15 Kenface 3rd 93,545 93.3769 0.1683 7.54 22,320 16 KS-12 1 95,813 95.5581 0.2549 9.32 27,346 28,119 17th KS-12 2nd 95,558 90.9325 0.2397 9.32 25,716 18th KS-12 3rd 93,321 93.0284 0.2917 9.32 31,294 19th Steel 1020 1 96.2164 95.45 0.7664 7.85 97,518 97,518 20th Steel 1080 (Q + T) 1 33.57 21st Steel 1080 (only Q) 1 24.57

Die Ergebnisse zeigen, daß kugelförmiges WC die höchste Abriebsbeständigkeit (letzte Spalte) von allen getesteten Karbidarten hat, die um eine Größenordnung höher liegt als die von gehärtetem und angelassenem Stahl. Ferner zeigt sich, daß zwar das kugelförmige WC das beste war, jedoch alle erfindungsgemäßen Musterstücke ebenfalls gut waren.The results show that spherical WC has the highest abrasion resistance (last column) of all carbide types tested, which is an order of magnitude higher than that of hardened and tempered steel. It also shows that although the spherical toilet was the best, all the sample pieces according to the invention were also good.

Auch wenn die Erfindung lediglich anhand einiger Ausfüh­rungsbeispiele beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen und Vari­anten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.Even if the invention has only been described on the basis of a few exemplary embodiments, many different alternatives, modifications and variants which fall under the present invention will become apparent to the person skilled in the art in the light of the above description.

Claims (16)

1. Herstellungsverfahren für Eisenerzeugnisse mit har­tem, abriebsbeständigem Material mit imprägnierten Oberflächenschichten, bei dem ein sich beim Gießen auflösendes Modell des gewünschten Eisenerzeugnisses zur Herstellung einer Gießform verwendet wird, auf welches wenigstens in einem zu härtenden Bereich eine Schicht aufgebracht wird, die ein Pulver aus dem ab­riebsbeständigen Material und ein Bindemittel ent­hält, wobei beim Gießen einer Eisenschmelze in die Gießform das abriebsbeständige Material sich in der Oberflächenschicht des Eisenerzeugnisses ablagert, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel eine wasserhaltige Bindemittellösung verwendet wird.1. Production process for iron products with hard, abrasion-resistant material with impregnated surface layers, in which a model of the desired iron product that dissolves during casting is used to produce a casting mold, to which a layer is applied, at least in an area to be hardened, which contains a powder from the contains abrasion-resistant material and a binder, wherein when an iron melt is poured into the casting mold, the abrasion-resistant material is deposited in the surface layer of the iron product, characterized in that a water-containing binder solution is used as the binder. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Paste auf wenigstens einen Oberflächenbe­reich des Modells aufgetragen wird, die Pulver aus einem abriebsbeständigen Material sowie die Binde­mittellösung enthält.2. The method according to claim 1, characterized in that a paste is applied to at least one surface area of the model, which contains powder of an abrasion-resistant material and the binder solution. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den zu härtenden Bereichen in die Oberfläche des Modells wenigstens eine Vertiefung oder Mulde eingelassen wird, in die die wasserhaltige Binde­mittellösung und das abriebsbeständige Material ein­gebracht wird.3. The method according to claim 1, characterized in that in the areas to be hardened in the surface of the model at least one recess or depression is inserted, in which the water-containing binder solution and the abrasion-resistant material is introduced. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung oder Mulde eine Tiefe von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 3 mm aufweist.4. The method according to claim 3, characterized in that the recess or trough has a depth of about 0.5 mm to about 3 mm. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, da­durch gekennzeichnet, daß eine verformbare Scheibe hergestellt wird, die abriebsbeständiges Material und Bindemittellösung enthält und aus der wenigstens ein Stück gewünschter Form und Größe hergestellt wird, welches auf wenigstens einen zu härtenden Bereich auf die Oberfläche des Modells aufgebracht wird.5. The method according to any one of claims 1, 3 and 4, characterized in that a deformable disc is produced, which contains abrasion-resistant material and binder solution and is produced from the at least one piece of the desired shape and size, which on at least one area to be hardened the surface of the model is applied. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück mit der Bindemittellösung auf die Ober­fläche des Modells aufgeklebt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that the piece with the binder solution is glued to the surface of the model. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Herstellung der Gießform das Modell mit einem Keramikschlamm überzogen wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the model is coated with a ceramic slurry before the production of the casting mold. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikschlamm eine wässrige Basis hat.8. The method according to claim 7, characterized in that the ceramic slurry has an aqueous base. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenerzeugnis Gußeisen, ins­besondere duktiles Gußeisen oder Grauguß, enthält.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the iron product contains cast iron, in particular ductile cast iron or gray cast iron. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das abriebsbeständige Material kugelartiges Wolframkarbid, scharfkantiges Wolfram­karbid, Chromkarbid, ein eutektisches Gemisch aus WC und W₂C oder eine Mischung hieraus enthält.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the abrasion-resistant material contains spherical tungsten carbide, sharp-edged tungsten carbide, chromium carbide, a eutectic mixture of WC and W₂C or a mixture thereof. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das abriebsbeständige Material ein weiteres Zu­satzelement, vorzugsweise Kobalt, umfaßt.11. The method according to claim 10, characterized in that the abrasion-resistant material comprises a further additional element, preferably cobalt. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das sich beim Guß auflösende Mo­dell Polystyrol oder Polymethylmethacrylat enthält.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the model which dissolves when cast contains polystyrene or polymethyl methacrylate. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine wässrige Lösung von Polyvinylalkohol enthält.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the binder contains an aqueous solution of polyvinyl alcohol. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyvinylalkohol in dem Bindemittel mit einem Anteil von mehr als 5 Volumen-%, vorzugsweise mit einem Anteil von 9,5 bis 10,5 Volumen-%, enthalten ist.14. The method according to claim 13, characterized in that the polyvinyl alcohol is contained in the binder in a proportion of more than 5% by volume, preferably in a proportion of 9.5 to 10.5% by volume. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des sich beim Gießen auflösenden Modells derart gewählt wird, daß das Ver­hältnis des Gußvolumens zur Fläche der abriebsbe­ständigen Schicht, mit der das Modell getränkt ist, groß genug ist, um beim Gießen eine vergrößerte Kon­taktdauer zwischen flüssigem Metall und abriebsbe­ständigem Material zu liefern.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the volume of the model dissolving during casting is chosen such that the ratio of the casting volume to the area of the abrasion-resistant layer with which the model is impregnated is large enough to to provide increased contact time between liquid metal and abrasion resistant material during casting. 16. Eisenerzeugnis mit einer abriebsbeständigen Schicht, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt ist.16. Iron product with an abrasion-resistant layer, which is produced by a method according to any one of claims 1 to 15.
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