DE668580C

DE668580C - Composite body made of preformed iron or steel with a one-sided coating made of an iron-boron alloy

Info

Publication number: DE668580C
Application number: DEI52506D
Authority: DE
Original assignee: IND RES LAB Ltd
Current assignee: IND RES LAB Ltd
Priority date: 1935-06-06
Filing date: 1935-06-06
Publication date: 1938-12-06

Description

Es sind bereits Eisen-Bor-Legierungen für die Herstellung von Gußstücken für Arbeitszylinder der Brennkraftmaschinen, für Kolben, Pumpen usw. vorgeschlagen worden, welche einen geringen (o,S°/₀ und darunter) Kohlenstoffgehalt enthalten und in der Regel einen Weichstahl darstellen, der sich besonders leicht bearbeiten läßt und große Abschleiffähigkeit, d. h. geringe Härte besitzt. Andererseits ist es bekannt, Werkstücke, wie Kolben, die nur an einer Seite einer besonderen Beanspruchung ausgesetzt sind, aus Verbundmetallen herzustellen, deren beanspruchte Seite aus Hartmetallen, wie Stellit, Chromstahl, Schnelldrehstählen u. ä., besteht. Das gleichmäßige Auftragen dieser Hartmetalle z. B. auf die Innenfläche von Zylindern oder Rohren nach dem Vorgang des Schleudergusses ist jedoch infolge ihrer Zähflüssigkeit und des hohen Schmelzpunktes äußerst schwierig, jedenfalls aber nur in dicker Schicht möglich, die ein kostspieliges Abschleifen auf die erforderliche genaue lichte Weite nötig macht.There have already been iron boron alloys proposed for the production of castings for the working cylinder of the engine, for pistons, pumps, etc., containing a low (o, S ° / ₀ and below), carbon content and as a rule are a soft steel, which is particularly easy to work with and can be easily abraded, ie has a low level of hardness. On the other hand, it is known to manufacture workpieces, such as pistons, which are exposed to particular stress only on one side, from composite metals, the stressed side of which consists of hard metals such as stellite, chrome steel, high-speed steels and the like. The even application of these hard metals z. B. on the inner surface of cylinders or tubes after the process of centrifugal casting is extremely difficult due to their viscosity and the high melting point, but only possible in a thick layer, which makes costly grinding to the required exact clear width necessary.

Die Erfindung löst die Aufgabe, leichtflüssige, niedrig schmelzende Überzugslegierungen von großer Härte für Verbundmetalle ' namhaft zu machen, die außerdem noch den Vorzug haben, sich mit dem Grundmetall ohne weiteres dauerhaft zu verbinden. Den Gegenstand der Erfindung bilden Verbundkörper aus vorgeformtem Eisen- oder Stahlgrundmetall mit einem einseitigen Überzug aus einer Eisen-Bor-Legierung, die gleichzeitig folgende Merkmale besitzt: i. Die Überzugslegierung besteht aus 2 bis 4°/o Kohlenstoff, 0,2 bis 2,5°/₀ Bor, bis 2,5 °/o Silicium, bis 0,1 °/₀ Schwefel, bis 0,3 °/o Phosphor und als Rest Eisen nebst Verunreinigungen, 2. das besonders eingestellte Verhältnis Kohlenstoff : Bor ist derart, daß die Legierung eine Härte von über 500 Monotron-Diamantkugel-Brinell-Einheiten, d. h. über 47 Rockwell-C-Einheiten, und einen Schmelzpunkt unterhalb 1150⁰ C besitzt, 3. der Kohlenstoff liegt nur in gebundener Form vor.The invention solves the problem of making low-viscosity, low-melting coating alloys of great hardness known for composite metals, which also have the advantage of being easily and permanently bonded to the base metal. The subject of the invention is formed by composite bodies made of preformed iron or steel base metal with a one-sided coating made of an iron-boron alloy, which at the same time has the following features: i. The coating alloy consists of 2 to 4 per cent carbon, 0.2 to 2.5 per _cent boron, up to 2.5 per cent silicon, up to 0.1 per _cent sulfur, up to 0.3 per cent phosphorus and the remainder is iron and impurities, 2. the specially adjusted carbon: boron ratio is such that the alloy has a hardness of over 500 monotron diamond ball Brinell units, ie over 47 Rockwell C units, and a melting point below 1150 ⁰ C, 3. the carbon is only present in bound form.

Die gemäß Erfindung zu verwendenden Legierungen besitzen einen Schmelzpunkt zwischen 1065° und 1120⁰ C, d. h. einige hundert Grad unterhalb desjenigen von gewöhnlichen stählernen und eisernen Rohren, Zylindern u. ä. Ihre Härte ist in den Grenzen von über etwa 500 bis über 1000 enthalten, gemessen an der Monotron-Diamantkugel-Brinell-Skala (das sind 47 bis 72 Rockwell-C-Einheiten), so daß sie im allgemeinen nicht bearbeitungsfähig sind, ausgenommen durch Schleifen. Sie besitzen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung, die öfter das Zehnfache derjenigen von gewöhnlichem Gußeisen erreichen kann, sowie eine Wärmeleitfähigkeit, die weniger als ein Drittel derjenigen vonThe according to the invention to be used alloys have a melting point between 1065 ° and 1120 ⁰ C, ie several hundred degrees below that of ordinary steel and iron pipes, and cylinders. Ä. Their hardness is contained within the limits of more than about 500 to about 1000 measured on the monotron diamond ball Brinell scale (that is 47 to 72 Rockwell C units), so that they are generally not machinable, except by grinding. They have a high resistance to wear and tear, often ten times that of ordinary cast iron, and a thermal conductivity less than a third of that of

Gußeisen oder Stahl beträgt. Diese letztere Eigenschaft macht sie für Überzüge an den Zylindern von Brennkraftmaschinen besonders wertvoll, da durch diese äußerst geringe·. Wärmeleitung die Wärmeausdehnung und ί| her das Verziehen auf das Geringste verra dert werden und ein besonders geringer Spielt raum zwischen den Arbeitsteilen aufrechterhalten werden kann.Cast iron or steel. This latter property makes them suitable for coatings on the Cylinders of internal combustion engines are particularly valuable because they are extremely low. Thermal conduction is thermal expansion and ί | forgive the slightest bit of forgiveness be changed and a particularly low game space can be maintained between the working parts.

ίο Ein anderer für die Verwendung als Überzüge an Stahl-undEisenrohren und -zylindern besonders wertvoller Vorzug der Legierungen ist ihre Eigenschaft, ein vollkommenes Anhaften an einer gereinigten, erhitzten Eisen- oder Stahlfläche durch einfaches Anschmelzen bzw. Auftragen der geschmolzenen Legierung auf den erhitzten Stahl ohne Flußmittel zu gewährleisten, obwohl, wenn gewünscht, die üblichen Flußmittel Verwendung finden können, besonders falls die zu überziehende Fläche nicht ganz rein sein sollte.ίο Another for use as coatings Alloys are a particularly valuable asset on steel and iron pipes and cylinders is their property of being able to adhere perfectly to a cleaned, heated iron or steel surface by simply melting or applying the molten alloy to ensure the heated steel without flux, although, if desired, the Usual flux can be used, especially if the one to be coated Surface should not be completely pure.

Zweckmäßig erhalten die Legierungen einen Zusatz von 1,5 bis 9% Nickel, wodurch die Härte auf über 700 (bzw. 57), vorzugsweise über 800 (bzw. 62) der genannten Einheiten steigt, während der Schmelzpunkt noch unterhalb von 1150⁰C gehalten wird.The alloys are expediently given an addition of 1.5 to 9% nickel, as a result of which the hardness rises to over 700 (or 57), preferably over 800 (or 62) of the units mentioned, while the melting point is still kept below 1150 ^° C will.

Die zweckmäßigsten Gehaltsverhältnisse derThe most appropriate salary ratios of the

Legierung für die meisten technischen Zwecke sind die folgenden: Kohlenstoff von etwa 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent, Bor von etwa 0,75 bis 1,5 Gewichtsprozent, Nickel von etwa 2,5 bis 6,0 Gewichtsprozent, Silicium nicht über 1,5 Gewichtsprozent, Schwefel nicht über 0,05 Gewichtsprozent, Phosphor nicht über 0,05 Gewichtsprozent, Eisen der Rest.Alloys for most technical purposes are the following: carbon of about 2.5 to 3.5 percent by weight, boron from about 0.75 up to 1.5 percent by weight, nickel from about 2.5 to 6.0 percent by weight, silicon not more than 1.5 percent by weight, sulfur not more than 0.05 percent by weight, phosphorus not more than 0.05 Weight percent, iron the remainder.

Wird das Nickel ausgelassen, so vermindert sich die Härte wesentlich, trotzdem sie für einige Zwecke immer noch beträchtlich ist. ♦o Es wurde gefunden, daß durch zusätzliche andere Metalle, wie Chrom, Wolfram, Mangan, Vanadin, Molybdän, Kobalt in geringen Gehalten, kein namhafter Vorteil· erreicht wird. Aluminium muß aus der Legierung ferngehalten werden, da schon geringe Mengen einen wesentlichen Härteabfall bedingen; daher ist die Verwendung des nach dem Thermitverfahren hergestellten Ferrobors, das nennenswerte Mengen Aluminium enthält, als Bestandteil der Legierung ausgeschlossen. Kupfer in gewissen Mengen (beträchtlich über 1%) vermindert ebenfalls die Härte der Legierung. If the nickel is left out, the hardness is considerably reduced, despite the fact that it is for some purposes is still considerable. ♦ o It was found that additional other metals such as chromium, tungsten, manganese, Vanadium, molybdenum, cobalt in low contents, no notable advantage · achieved will. Aluminum must be kept away from the alloy, as even small amounts cause a substantial drop in hardness; therefore the use of the Thermit method Ferrobors produced, which contain significant amounts of aluminum, are excluded as part of the alloy. Copper in certain amounts (well over 1%) also reduces the hardness of the alloy.

Die Herstellung der Legierung geschieht durch Zusammenschmelzen der einzelnen Elemente. The alloy is produced by melting the individual elements together.

Zwecks Erzeugung der Überzüge auf der Innenfläche der Verbundkörper, z. B. Stahloder Eisenrohre bzw. -zylinder, werden dünne Stäbe der Legierung in kleine Stücke zerkleinert, die benötigte Menge derselben wird je nach der gewünschten Dicke des Überzuges in das Rohr oder den Zylinder eingeführt, der zuvor sorgfältig innen z. B. durch Naß-■behandlung gereinigt worden ist, und das .•"Efide (oder die Enden) des Zylinders wird afi& Stahlscheiben oder Pfropfen, welche einpgfczwängt, angeschweißt oder sonstwie befestigt werden, abgeschlossen, wobei die eine Scheibe oder Pfropfen eine sehr kleine öffnung zwecks Entweichens der Gase und Luft besitzt. In einigen Fällen wird mit der Beschickung eine geringe Menge von Natriumcarbonat, Natriumborat, Calciumfluorid usw. eingeführt, um etwaige nichtmetallische Bestandteile aufzunehmen, was aber bei gut gereinigter Metallfläche nicht notwendig ist. Es empfiehlt sich auch ■— was an sich bekannt ist —, eine kleine Menge einer Flüssigkeit, Z.B.Methylalkohol, einzuführen, die ein nichtoxydierendes Gas zwecks Vertreibung von Luft entwickelt.In order to produce the coatings on the inner surface of the composite body, e.g. B. steel or iron pipes or cylinders, thin rods of the alloy are crushed into small pieces. B. has been cleaned treatment by wet ■, and the. • "Efide (or ends) of the cylinder is afi & Steel discs or plugs which einpgfczwängt, welded or otherwise secured completed, wherein the one disc or grafting a very small In some cases, a small amount of sodium carbonate, sodium borate, calcium fluoride, etc. is introduced with the charge in order to absorb any non-metallic components, but this is not necessary if the metal surface is well cleaned. It is also recommended ■ - which is known per se - to introduce a small amount of a liquid, e.g. methyl alcohol, which evolves a non-oxidizing gas to expel air.

Der geschlossene Zylinder wird alsdann allmählich und gleichmäßig in einem Ofen unter langsamer Umdrehung erhitzt, und zwar gerade etwas über den Schmelzpunkt der Beschickung, worauf der rotglühende Zylinder rasch aus dem Ofen herausgezogen und zwischen waagerechten Dornen einer Drehbank eingespannt oder auf sich drehende Walzen aufgelegt wird, so daß der Zylinder sofort in Umdrehung mit einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 600 m in der Minute versetzt wird. Die Umdrehung wird etwa ¹Z₂ bis ι Minute fortgesetzt, wobei währenddem durch Strahlung so viel Wärme abgeleitet wurde, daß die geschmolzene Schicht der Legierung in gleichmäßiger Dicke an der Zylinderfläche fest geworden ist. Nach vollständigem Abkühlen wird, das eine bzw. die beiden Enden des Zylinders durch Abschneiden geöffnet und der so gut wie ganz glatte Überzug bis auf die erforderliche lichte Weite abgeschliffen. Die Außenseite des Zylinders kann in beliebiger Weise bearbeitet werden.The closed cylinder is then gradually and evenly heated in a furnace with slow rotation, just a little above the melting point of the charge, whereupon the red-hot cylinder is quickly pulled out of the furnace and clamped between the horizontal mandrels of a lathe or placed on rotating rollers, so that the cylinder is immediately set in rotation with a peripheral speed of about 600 m per minute. The rotation is continued for about ¹ ₂ to ι minute, during which time so much heat was dissipated by radiation that the molten layer of the alloy has solidified in a uniform thickness on the cylinder surface. After complete cooling, one or both ends of the cylinder is opened by cutting and the almost completely smooth coating is sanded down to the required inside width. The outside of the cylinder can be machined in any way.

Die so erzeugten Hartüberzüge können sehr dünn, z. B. von 0,75 mm Dicke oder noch weniger, aber auch sehr dick sein,, je nach der Menge der eingebrachten Beschickung. Jedenfalls sind sie mit dem Metall des Rohres oder Zylinders zu einem Ganzen vereinigt, und zwar an allen Stellen, so daß Teile des Gegenstandes abgebrochen werden können, ohne daß sich der Überzug abschält. Ein besonderer Vorzug besteht darin, daß die lichte Weite des Überzuges dadurch vorherbestimmt werden kann, daß eine genau abgemessene Menge der Beschickung eingebracht wird.The hard coatings produced in this way can do a lot thin, e.g. B. 0.75 mm thick or even less, but also very thick, depending on the amount of feed introduced. Anyway, they are with the metal of the pipe or cylinder combined into a whole, in all places, so that parts of the Object can be broken off without the coating peeling off. A special The advantage is that the clear width of the coating is thereby predetermined can be that an accurately measured amount of the charge is introduced.

Solche Rohre sind besonders als Motor- und Pumpenzylinder oder Arbeitstrommeln geeignet, namentlich bei Pumpen für sandhaltige Flüssigkeiten, ferner als Einlagehülsen für dieSuch pipes are especially used as motor and Pump cylinders or working drums suitable, especially for pumps for sand-containing pumps Liquids, also as insert sleeves for the

Zylinder der Brennkraftmaschinen, dann für Bremstrommeln, Stahlblechmäntel und sämtliche Hohlkörper, die einer sehr starken Reibung ausgesetzt sind. Die Dauerhaftigkeit solcher Arbeitsteile ist etwa 6 mal so groß wie ί die der üblichen. ,Cylinders of internal combustion engines, then for brake drums, sheet steel jackets and everything else Hollow bodies that are exposed to very strong friction. The durability such working parts is about 6 times as large as ί that of the usual. ,

Claims

Claims: ^ν * ··

ι. Composite body made from preformed

ίο iron or steel with a one-sided coating of an iron-boron alloy, characterized in that the coating alloy simultaneously has the following features owns:

a) The alloy consists of 2 to 4% of carbon, 0.2 to 2.5% boron, up to 2, s ° / ₀ silicon, up to 0.1% sulfur, up to 0.3. ° / ₀ phosphorus, remainder iron and impurities;

b) the ratio of carbon to boron is adjusted so that the alloy has a hardness of over 500 monotron diamond ball Brinell units (about 47 Rockwell C units) and one. Has a melting point below 1150 ^° C .;

c) the carbon is only present in bound form.

2. Composite body according to claim 1, characterized in that the coating alloy compared to the features ge according to claim 1 has the following differences:

a) The alloy still contains 1.5 to

9 7o Ni;

b) the hardness is about 700 (or 57), preferably above 800 (or 62) of said units and the melting point is below 1150 ° C, preferably below 1120 ⁰ C.

3. Composite body according to claim 1, characterized in that the coating alloy with respect to the features according to Claim 1 has the following differences:

a) the alloy contains 2.5 to 3.5 ° / ₀ carbon, 0.75 to 1.5% B ° ^r> ^2> 5 to 6% nickel;

b) hardness and melting point according to claim 2.

4. Hollow, tubular body (tube, cylinder or the like) made of iron or steel, the is coated on its inner surface with an alloy which has the characteristics of Claims 1, 2 or 3 has.