Die Erfindung betrifft einen verschleißbeständigen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Beschichtung.

Entsprechende Schneid- oder Brechwerkzeuge sind insbesondere für den Tagebau bzw. Abraumbau von Teersand bzw. ölsand geeignet. Gleichermaßen können entsprechende Einsätze jedoch in verschiedensten anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, die besonders hohe Anforderungen an die Zähigkeit und Festigkeit der Einsätze haben.

Bisher wurden verschiedenste Materialien wie Eisenerz, Golderz, Kupfererz, Nickelerz, Zinkerz, Bauxit, Kimberlit, Granit, Kohle, Koks, Grafit, Schlacke, Kalk, Klinker, Kalkstein, Ton, Schiefer, Mergel, Gips, Ölsand, etc. durch Doppelwellenwalzenbrecher (Sizer) etc. zermah- len. Das Zerkleinerungsprinzip wird unter Bezugnahme auf Walzenbrecher kurz umrissen.

Zwei lange Wellen sind mit Rotorscheiben einer in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung ausgelegten Geometrie bestückt. Dabei sind die Rotorscheiben in Umfangsrichtung mit zahnartigen Greifwerkzeugen (Zähnen) ausgestattet. Ein spezielles Antriebssystem lässt die beiden Wellen bei niedrigeren Umfangsgeschwindigkeiten und hohen Rotormomenten gegensinnig drehen, so dass das großvolumige Aufgabegut von den gegenüberliegenden Rotorzähnen erfasst wird und zwischen die Walzen gezogen wird. Dabei leiten die Zähne punktuell so hohe Kräfte in das mineralische Aufgabegut ein, dass es bricht und somit zerkleinert wird.

Die Zähne sind auswechselbare Verschleißteile, die bei der Verarbeitung verschleißintensiver Aufgabegüter in Abhängigkeit von der Verschleißbeständigkeit ihrer Oberfläche in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen. Während die Zähne im Allgemeinen eine gute Festigkeit aufweisen, reicht ihre Zähigkeit oftmals nicht aus, um die mechanische Belastung während der Zerkleinerung schadlos zu ertragen. Als Folge davon können die Zähne abbrechen.

Ein hoher Verschleißwiderstand und eine hohe mechanische Belastbarkeit sind also die führenden Eigenschaften zur Vermeidung von wartungsbedingten Maschinenstillständen. Durch längere Standzeiten der Zähne erhöht sich die Anlagenverfügbarkeit, während gleichzeitig die erforderliche Ersatzteilmenge und der Wartungsaufwand reduziert werden. Durch eine höhere Lebensdauer der zahnartigen Verschleißteile können also erhebliche Betriebskosten eingespart werden.

Um die Standzeit entsprechender Zähne zu erhöhen, existieren verschiedenste Ansätze, die einerseits das Material, andererseits die Form der Zähne betrifft. Ein materialtechnischer Verbesserungsvorschlag besteht z.B. in der Beschichtung der Zähne. Um so eine verschleißbeständigere Oberfläche zu erhalten ist man dazu übergegangen, vorkonturierte Grundkörper der zahnartigen Einsätze mit einer Beschichtung zu versehen. Als Standard- beschichtungsverfahren für diese Werkzeuge wird zurzeit das Auftragsschweißen eingesetzt, um so auf dem Grundkörper eine Schicht aufzubringen, die dem Verschleiß verursachenden Mineral bzw. Zerkleinerungsgut besonders günstig widersteht. Obwohl entsprechende Einsätze mit einer Aufpanzerung eine deutlich erhöhte Lebensdauer aufweisen, besteht immer noch Bedarf nach verbesserten Einsätzen, die in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, über breite Temperaturbereiche gleichmäßig gut eingesetzt werden können, ohne dass sich die Beschichtung von dem Grundkörper löst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug zur Verfügung zu stellen, welcher sich durch eine besonders hohe Lebensdauer auszeichnet, und gleichzeitig in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, auch bei unterschiedlichsten Temperaturen, eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Einsatz für ein Schneid- oder Brechwerkzeug mit einem metallischen Grundkörper und einer auf dem metallischen Grundkörper aufgebrachten Beschichtung dadurch gelöst, dass die Beschichtung eine heißisostatisch aufgebrachte pulvermetallurgische Beschichtung mit eingelagerten Hartphasen ist.

Ein entsprechender Einsatz zeichnet sich durch besonders hohe Festigkeit bei besonders hoher Zähigkeit aus, wobei über die eingelagerten Hartphasen in der durch HIP aufgebrachten Beschichtung eine hohe Verschleißbeständigkeit gegen mineralischen Angriff im Einsatz erzielbar ist. Da die Beschichtung durch Heißisostatisches Pressen (HIP) auf den Grundkörper aufgebracht wird, kann die Beschichtung besonders gut an die Kontur des metallischen Grundkörpers angepasst werden, so dass kaum zusätzliche abschließende Verfahrensschritte notwendig sind, um die Vorkontur des Einsatzes zu erzielen. Gleichzeitig entsteht eine besonders gute Verbindung der Beschichtung mit dem Grundkörper. Vorteilhafterweise kann der Grundkörper nach dem Aufbringen der Beschichtung und einer gegebenenfalls anschließend durchgeführten Wärmebehandlung in einem Arbeitsbereich von +60 ⁰ C bis -40 ⁰ C eine Zugfestigkeit von mindestens 700 N/mm ² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 15 J (ISO-V) aufweisen. Da es möglich ist, die entsprechenden Festigkeits- und Zähigkeitswerte in dem Grundkörper während des Beschichtungsvorgan- ges oder durch eine Kombination des Beschichtungsverfahrens mit einer zusätzlichen Wärmebehandlung zu erzielen, verringert sich die Herstellungsdauer des Einsatzes erheblich, so dass der Einsatz günstiger gefertigt werden kann. Überraschenderweise hat sich hierbei herausgestellt, dass die Festigkeits- und Zähigkeitswerte für einen sehr breiten Temperaturbereich eingestellt werden können, so dass der Einsatz für verschiedenste Anwendungen in verschiedensten geografischen Gebieten geeignet ist. Hierbei ist es möglich, die Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers durch geeignete Wahl der Verfahrensparameter genau auf den geplanten Einsatzfall einzustellen. Weitere bevorzugte Kombinationen aus Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers in dem gleichen Temperaturbereich sind eine Zugfestigkeit von mindestens 800 N/mm ² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 20 J (ISO-V),

eine Zugfestigkeit von mindestens 850 N/mm ² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 35 J (ISO-V),

eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm ² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 40 J (ISO-V), und

eine Zugfestigkeit von mindestens 900 N/mm ² und eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 50 J (ISO-V).

Die Einhaltung entsprechender Festigkeits- und Zähigkeitswerte stellt sicher, dass der Einsatz im Betrieb nicht abreißt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung wenigstens eine metallische Pulverkomponente und eine keramische Pulverkomponente. Durch die Kombination der beiden unterschiedlichen Materialien lassen sich die Eigenschaften der Schicht besonders vorteilhaft einstellen, wobei zusätzlich eine besonders gute Haftung an dem Grundkörper erzielt werden kann.

Hierbei haben sich in Bezug auf die keramische Pulverkomponente vorzugsweise Karbide, Boride, Nitride oder Oxide als besonders geeignet erwiesen. Als besonders geeignet können unter anderem metallische Karbide und Boride der Metalle Chrom, Niob, Titan, Vanadi- um und Wolfram, sowie Gemische aus diesen Karbiden / Boriden genannt werden. Entsprechende Materialien zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte aus. In Frage kommen auch Hartstoffe wie kubisches Bornitrid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Titannitrid, Titancarbo- nitrid, Aluminiumoxid Zirconiumdioxid und Aluminiumzirkonoxid. Diese Materialien zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte aus.

Bezüglich der metallischen Pulverkomponente umfasst diese vorzugsweise eine Eisen-, Nickel- oder Kobaltlegierung. Hierbei werden die keramischen Bestandteile vorzugsweise vollständig von einer metallischen Matrix umgeben, um die Bruchfestigkeit zu erhöhen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die eingelagerten Hartstoffe aus einer reinen keramischen Pulverkomponente oder aus einem Gemisch aus 1 bis 30 Gew.-% metallischer Phase und 70 bis 99 Gew.-% keramischer Phase bestehen. Vorzugsweise können die eingelagerten Hartstoffe aus einer reinen keramischen Pulverkomponente oder aus einem Gemisch aus 1 bis 25 Gew.-% metallischer Phase und 75 bis 99 Gew.-% keramischer Phase bestehen. Hierbei können die bereits zuvor genannten Materialien für die metallische Pulverkomponente sowie die keramische Pulverkomponente eingesetzt werden. Die zuvor genannten Bereiche haben sich in der Praxis als bevorzugt erwiesen.

Vorteilhafterweise kann die Beschichtung 20 bis 80 Gew.-% der metallischen Pulverkomponente umfassen. Der metallische Anteil sollte hierbei solchermaßen gewählt werden, dass eine Umhüllung der keramischen Partikel im Inneren der Beschichtung gewährleistet ist.

Ferner kann die Beschichtung aus einem Verbund einzelner pulvermetallurgischer Komponenten mit unterschiedlichen Gebrauchseigenschaften bestehen. Auch diese Ausführungsform ermöglicht es, die Eigenschaften der Beschichtung gezielt zu bestimmen. In diesem Fall wird die Beschichtung im Gegensatz zu einer Pulverschüttung aus pulvermetallurgisch hergestellten, bereits festen oder als Pulverpreßling vorliegenden Komponenten zusammengebaut und mit einer Kapsel versehen. Anschließend folgen wie gewohnt das Evakuieren und die HIP-Behandlung. Auf diese Weise ist es möglich die Eigenschaften der Beschichtung besonders genau und homogen einzustellen.

Vorteilhafterweise kann sich der Anteil der metallischen Komponente über die Dicke der Schicht verändern, wobei sich der Anteil der metallischen Komponente vorzugsweise über die Dicke der Beschichtung in Richtung der Oberfläche der Beschichtung verändert. Eine entsprechende Beschichtung ist folglich mit einer Gradierung ausgebildet, wobei die Anteile der beiden Komponenten gezielt über die Dicke der Schicht verändert werden können und so die Eigenschaften der Beschichtung als Ganzes vorteilhaft beeinflusst werden. Dies kann sich z.B. im Hinblick auf die Verbindung der Beschichtung mit dem Grundkörper oder die Festigkeit und Zähigkeit der Außenseite der Beschichtung vorteilhaft auswirken.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung eine Härte von mindestens 45 HRC, vorzugsweise mindestens 55 HRC ₁ besonders bevorzugt mindestens 60 HRC auf. Diese Härte muss hierbei nach der erfolgten Beschichtung erzielt werden, und stellt die Härte beider Pulverkomponenten im kombinierten Zustand dar (Verbundhärte). Eine entsprechende Härte stellt sicher, dass der erfindungsgemäße Einsatz eine ausreichende Festigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweist, um auch für die Behandlung stark abrasiver Materialien eingesetzt zu werden.

Ferner kann die Schichtdicke der Beschichtung 8 bis 50 mm, vorzugsweise mindestens 10 mm, besonders bevorzugt mindestens 12 mm betragen. Die Schichtdicke kann hierbei der jeweils beabsichtigten Verwendung angepasst werden, wobei eine Schichtdicke von mindestens 10 mm eine ausreichende Verschleißbeständigkeit der Beschichtung sicherstellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können auch Einsätze mit einer dicken Beschichtung bereitgestellt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Beschichtung von dem Grundkörper löst.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Grundkörper pilzförmig ausgebildet sein. Eine entsprechende Form hat sich in der Praxis für einen auswechselbaren Einsatz bewährt. Die genaue Form kann hierbei jeweils dem Einsatzzweck angepasst werden.

Vorteilhafterweise kann der pilzförmige Körper, insbesondere der Arbeitsbereich des pilzförmigen Körpers paraboloid, paraboloid stumpfartig, kegelförmig oder kegelstumpfartig, zylindrisch oder prismatisch, kubisch oder quaderförmig ausgebildet sein. Hierbei kann der pilzförmige Körper als Hohlkörper oder Vollkörper mit oder ohne Schaft ausgebildet werden. Zusätzlich kann der Schaft lösbar ausgebildet sein.

Ferner kann der Einsatz umfassend die Beschichtung und den Grundkörper einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterworfen werden. Durch diese zusätzliche Wärmebehandlung ist es möglich die Härte der pulvermetallurgischen Beschichtung gezielt einzustellen, wobei es jedoch von entscheidender Bedeutung ist die Anforderungen an die Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers nicht zu verletzen.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die pulvermetallurgische Beschich- tung rissfrei. Hierbei muss die Rissfreiheit nach der durchgeführten HIP-Behandlung wie auch der gegebenenfalls zusätzlich durchgeführten Wärmebehandlung gegeben sein.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt Figur 1a bis j verschiedene Formen des fertiggestellten Einsatzes.

Bei den in den Figuren 1a bis h dargestellten Formen erfindungsgemäßer Einsätze handelt es sich um pilzförmig ausgebildete Einsätze. Hierbei zeichnet sich jeder Einsatz durch einen Schaftbereich und einen auf dem Schaft angeordneten Kopfbereich aus. Der Schaft dient zur Fixierung des Einsatzes in der Walze, so dass nur der Kopfbereich auf der Oberfläche der Walze angeordnet ist.

Der Kopfbereich kann wie in den Figuren 1 a bis d, g dargestellt rotationssymmetrisch ausgebildet sein, entweder mit einer abgeflachten Oberfläche (z.B. Fig. 1b, d, g) oder im Wesentlichen spitz zulaufend (z.B. Fig. 1a, c). Gleichermaßen kann der Einsatz jedoch auch symmetrisch ausgebildet sein. Hierbei haben sich im Einsatz prismatische, kubische oder quaderförmig ausgebildete Einsätze als geeignet erwiesen.

Die in den Figuren 1 i und j dargestellten Einsätze sind als Hohlkörper ausgebildet, d.h. sie werden nicht mit einem Schaftbereich bereitgestellt. In diesem Fall sind die Walzen bereits mit einem entsprechenden Schaftbereich versehen, der sich über die Oberfläche der Walze hinaus erstreckt, und der Einsatz wird auf den Schaftbereich aufgesetzt. Der Schaftbereich kann hierbei mit der Walze fest verbunden sein oder auswechselbar ausgebildet sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft, wie oben erläutert, einen Einsatz, insbesondere einen Einsatz, welcher in einer Zerkleinerungsmaschine zur Verarbeitung verschiedenster Materialien eingesetzt werden kann. Entsprechende Zerkleinerungsmaschinen kommen unter anderem in der industriellen Verarbeitung von ölsand zum Einsatz. Gleichermaßen können die Einsätze jedoch auch für Doppelwellenwalzenbrecher (Sizer) oder andere Walzenbrecher verwendet werden, welche unter anderem auf dem Gebiet der Erz- und Gesteinszerkleinerung eingesetzt werden. Aufgrund der starken Beanspruchung der Zähne bzw. Einsätze, werden diese als gesondertes Element gefertigt, so dass sie je nach Abnutzungsgrad leicht auswechselbar sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein entsprechender Einsatz aus einem Grundkörper gefertigt, welcher auf bekannte Art und Weise aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist. Als Material für den Grundkörper hat sich z.B. hart- und vergütbarer CrNi-Stahl als geeignet erwiesen.

Der Grundkörper weist hierbei bereits die Form des späteren Einsatzes auf. Verschiedene mögliche Formen des Einsatzes sind in den Figuren 1 a bis j dargestellt. Wie deutlich wird, kann der Grundkörper als rotationssymmetrischer oder symmetrischer Körper ausgebildet sein und einen Schaft aufweisen, oder nicht. Der Grundkörper wird durch bekannte fertigungstechnische Verfahren in der gewünschten Form hergestellt.

Der Grundkörper muss eine an den jeweiligen Einsatzbereich anpassbare Zähigkeit und Festigkeit besitzen. Diese können gegebenenfalls durch eine auf den Werkstoff des Grundkörpers abgestimmte Wärmebehandlung (Härten und vergüten) eingestellt werden. Gleichermaßen ist es möglich die Kontur des Grundkörpers durch eine zusätzliche spanende Bearbeitung zu erzielen.

Nach der Fertigstellung des Grundkörpers wird dieser mit einer verschleißbeständigen pulvermetallurgischen Beschichtung versehen. Diese Beschichtung wird durch heißisostati- sches Pressen verdichtet und gleichzeitig mit dem Grundkörper verbunden. Um das heißi- sostatische Pressen durchzuführen, wird der Grundkörper zuvor mit einer Kapselung verbunden, in welche ein Pulver oder ein zuvor hergestelltes Pulvergemisch eingefüllt wird.

Das Pulvergemisch der Beschichtung weist hierbei wenigstens zwei wesentliche Bestandteile auf, einen keramischen und einen metallischen Pulverbestandteil, die zuvor miteinander vermischt wurden. Der keramische Bestandteil kann hierbei lediglich eine keramische Phase aufweisen oder aus einer bereits zuvor hergestellten Mischung, umfassend metallische und keramische Partikel, bestehen. Die Korngröße der beiden Pulver, des metallischen sowie des keramischen Pulvers, können geeignet durch bekannte Sieb- und Mahlverfahren eingestellt werden. Bei der Herstellung kann zunächst das Pulver jedes Bestandteils für sich allein vorbehandelt werden, z.B. in Bezug auf die Einstellung der Korngröße, und anschließend werden beide Pulver miteinander vermischt, um eine homogene Verteilung beider Bestandteile innerhalb der Schicht zu erzielen. Das fertiggestellte Pulver wird in die Kapsel eingefüllt und umgibt hierdurch die Oberfläche des Grundkörpers. Anschließend wird die Kapsel verschlossen und auf bekannte Art und Weise dem HIP-Verfahren unterzogen. Die Kapselung besteht hierbei aus metallischen, gut umformbaren Blechen, die über ein geeignetes Schweißverfahren miteinander und auch mit dem Grundkörper verbunden werden.

Sofern notwendig, kann die Beschichtung auch mit einem Gradienten aufgebaut werden, so dass in der Nähe des Grundkörpers im Wesentlichen ein Bestandteil vorherrscht und dessen Anteil sich bis zur Oberseite der Schicht allmählich verringert.

Sofern die Beschichtung mit einem Pulvergradienten ausgebildet werden soll, erfolgt die Einfüllung des Pulvers vorzugsweise schrittweise, sofern notwendig unter Einführen einer Trennschicht, die vor dem Durchführen des HIP-Verfahrens entfernt wird.

HIP-Parameter, die sich zum Aufbringen der Beschichtung als besonders geeignet erwiesen haben, sind eine Temperatur von 800 bis 1.300 ⁰ C und ein Druck von 80 bis 200 MPa, bei einer Verfahrensdauer von 1 bis 6 Stunden.

Nach dem Durchführen des HIP-Verfahrens, wird die Kapselung entfernt und der Einsatz liegt endformnah vor. Durch den HIP-Vorgang wird die Beschichtung einerseits fest mit dem Grundkörper verbunden und gleichzeitig die Pulvermischung verdichtet. Diese so entstehende Beschichtung ist nach dem heißisostatischen Pressen rissfrei.

Durch die auf den Grundkörper während des HIP-Verfahrens ausgeübte Temperaturbehandlung ist es möglich, die Zähigkeit und Festigkeit des metallischen Grundkörpers bereits an den gewünschten Einsatzbereich anzupassen, so dass gleichzeitig mit Aufbringen der Beschichtung auch die gewünschte Zähigkeit und Festigkeit des Grundkörpers erzielt werden kann. Gegebenenfalls kann sich, sofern notwendig, an das HIP-Verfahren noch eine zusätzliche Wärmebehandlung anschließen. Die Anforderungen an die Festigkeit und Zähigkeit des Grundkörpers werden dabei nicht verletzt. Durch diese zusätzliche Wärmebehandlung kann die Härte der pulvermetallurgischen Beschichtung auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Hierbei ist die Beschichtung auch nach der zusätzlichen Wärmebehandlung rissfrei.

Die Außenkontur des Einsatzes nach dem HIP-Verfahren entspricht der Außenkontur des Werkzeuges und ist dem Einsatzzweck angepasst. Hierbei ist die Außenkontur in der Regel kegelförmig mit verrundeter Spitze und verrundeten Kanten ausgebildet.