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Hartmetallegierung und Verfahren zur Herstellung von Hartmetallen.
Die Erfindung betrifft Hartmetallegierungen, die ein oder mehrere Karbide und ein oder mehrere Hilfsmetalle enthalten. Die Karbide sind im Überschuss in der Legierung vorhanden, und ihre Menge beträgt vorteilhaft ungefähr 75-90% der in der Legierung enthaltenen Stoffe.
Solche Hartmetalle werden gewöhnlich in der Weise hergestellt, dass man zunächst die Karbide aus den Metallen erzeugt, indem man diese pulverisiert und mit kohlenstoffhaltigem Material, wie z. B.
Graphit, in stöchiometrischem Verhältnis mischt oder dem Kohlenstoff in geringem Überschuss zufügt, wobei diese Mischung vorteilhaft in einem Kohlerohr so weit erhitzt wird, bis die Umsetzung der Mischung zu dem Karbid erfolgt. Diese Umsetzungstemperaturen liegen gewöhnlich etwa zwischen 1600-2200 C.
Die so erhaltenen Karbide werden dann pulverisiert und innig mit dem pulverisierten Hilfsmetall gemischt, wobei diese Mischung wiederum erhitzt wird, in einer oder mehreren Stufen, auf eine Temperatur, bei welcher zumindest das Hilfsmetall schmilzt und die Verbindung der Karbide miteinander besorgt. Allgemein wird dieses Verfahren als das Sintern oder Schmelzen der Mischung zu einer Hartmetallegierung bezeichnet.
Solche Hartmetalle können dann für die verschiedensten Zwecke benutzt werden, in denen es auf ein hartes und zähes Material ankommt, so z. B. als Schneiden von Werkzeugen für die verschiedensten Zwecke.
Bis heute wurden regelmässig Karbide der sogenannten Schwermetalle benutzt. Karbide der sogenannten Leichtmetall aber wurden nicht benutzt, offenbar aus dem Grunde, weil diese Karbide im allgemeinen wenig widerstandsfähig und meistens durch Wasser schon bei normalen Temperaturen löslich sind ; um so mehr werden sie dann bei erhöhten Temperaturen entsprechend der Erhitzung des Werkzeuges bei seiner praktischen Anwendung angegriffen.
Die Erfindung wählt nun unter den Leichtmetallkarbiden besonders das Aluminiumkarbid aus und verwendet es zur Herstellung von Hartmetallegierungen. Aluminiumkarbid besitzt eine ausserordentlich gross'e Härte. Ausserdem wirkt es reduzierend. Wird darum eine Mischung, welche Aluminiumkarbid und ein Hilfsmetall enthält, gesintert, so wird der ganze in der Mischung enthaltene Sauerstoff entfernt und die so erhaltene Legierung darum ausserordentlich dicht und entsprechend zäh. Es ist bekannt, dass der Sauerstoffgehalt der Hartmetalle deren Festigkeit und Zähigkeit nachträglich beeinflusst.
Dieselben Vorteile des Aluminiumkarbids können aber auch benutzt werden, wenn man Hartmetalle erzeugt, welche neben dem Aluminiumkarbid auch andere Karbide enthalten, so z. B. Karbide von Schwermetallen, wie Wolfram, Molybdän, Titan, Mangan, Tantal, Vanadium, Zirkon, Silizium.
Bei der Herstellung einer Hartmetallegierung, die Aluminiumkarbid allein enthält, mag dieses letztere in Mengen von etwa 75 bis 90% anwesend sein, während der Rest durch ein oder mehrere Hilfsmetalle gebildet wird, wie z. B. Kobalt, Nickel, Eisen, Chrom. Chrom wird vorteilhaft in sehr geringen Mengen zugesetzt, etwa zu 0-5-2%, da festgestellt wurde, dass gerade solche kleinen Zumischungen ausserordentliche Verbesserungen der Härte der Legierung bewirken.
Als Hilfsmetall kann aber ausser den erwähnten auch ein Leichtmetall verwendet werden, insbesondere kann dieses Leichtmetall den andern Hilfsmetallen zugemischt werden. Hiezu eignet sich
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besondere Calzium, das in Zusätzen von kleinen Mengen, etwa bis zu 1%, eine ähnliche Wirkung wie der Zusatz von Chrom ausübt.
Als Hilfsmetall kann auch Kupfer verwendet werden, vorteilhaft in Mengen von 10 bis 25%, und seine Brauchbarkeit in einem Hartmetall, also seine Festigkeit und Zähigkeit, wird ganz wesentlich erhöht durch einen Zusatz bis zu etwa 1% metallischen Calzium.
Die Festigkeit und Zähigkeit der Hilfsmetalle kann ausser durch die erwähnten Zusätze auch durch einen Zusatz metallischen Molybdäns in geringen Mengen, bis zu etwa 2%, merklich erhöht werden. Enthält die Hartmetallegierung ein Karbid von Aluminium oder Molybdän, so wird man vorteilhaft dem Hilfsmetall Aluminium oder Molybdän zur Erhöhung seiner Festigkeit und Zähigkeit zusetzen.
Im übrigen ist es für die Erfindung gleichgültig, ob die in der Hartmetallegierung anwesenden Karbide untereinander Mischkristalle bilden oder nicht. In jedem Falle wird die Anwesenheit von Aluminimmkarbid, auch in geringen Mengen'von nur wenigen Prozenten, oder die Benutzung des Aluminiumkarbids allein in Mengen von etwa 75 bis 90% die eingangs beschriebenen Vorteile darbieten. Ein solches Hartmetall hat ausserdem noch den Vorteil, dass es ein sehr geringes spezifisches Gewicht aufweist, weil das zugemischte Aluminiumkarbid ausserordentlich leicht ist. Da nun solche Hartmetalle gewöhnlich zu einem Preise je Gewichtseinheit verkauft werden, können offenbar solche Werkzeuge oder Teile von diesen zu niedrigeren Preisen hergestellt und verkauft werden als diejenigen, die andere und schwerere Karbide ausschliesslich enthalten.
Bei Herstellung von Hartmetallgegenständen gemäss der Erfindung wird zuerst eine innige Mischung aus den gewählten Karbiden und Hilfsmetallen in möglichst feiner Verteilung, also mit grösster Ober- flächenentwieklung, hergestellt und sodann in geeignete Formen gepresst. Der Pressling wird sodann auf Sinter-oder Schmelztemperatur oder aber nur so weit erhitzt, dass die Teilchen des Gemisches in mechanisch ausreichendem Masse verbunden sind. Im letzteren Fall kann der Pressling mechanisch bearbeitet und anschliessend auf höhere Temperatur oder länger erhitzt werden, bis ein vollkommen durchgesinterter oder durchgeschmolzener Körper erhalten ist.
Bei dieser Behandlung des Gemisches ist es oft vorteilhaft, die Temperaturen allmählich oder stufenweise zu erhöhen. Wird unter Druck gearbeitet, was für besonders dichte Produkte vorteilhaft ist, kann der Druck allmählich oder stufenweise erhöht werden, man kann auch den Druck abwechselnd erhöhen und absenken während der Herstellung. Man kann schliesslich mit der Temperaturerhöhung auch eine gleichmässige oder stufenweise oder intermittierende Druckerhöhung verbinden.
Die Temperaturerhöhung kann sehr einfach erfolgen, wenn eine elektrische Beheizung gewählt ist. Diese kann wiederum eine Strombeheizung sein, bei welcher der elektrische Strom durch den zu sinternden oder schmelzenden Körper oder die Form (die meistens graphithaltìg ist) hindurchgeleitet wird. Die elektrische Heizung kann aber auch eine Induktionsheizung sein.
Durch Variationen des Druckes wird insbesondere erreicht, dass bei niedrigem Druck gebildete Poren im Material durch darauffolgende Anwendung höheren Druckes geschlossen werden. Solche Poren bilden sich nämlich meistens durch Gas-oder Dampf entwicklung während der Hitzebehandlung ; die entweichenden Dämpfe oder Gase lassen Poren zurück, die nun durch erhöhte Druckanwendung geschlossen werden können. Besondere Vorteile werden durch eine Verfahrensweise geboten, bei welcher zunächst die Temperatur erhöht, dann der Druck erniedrigt wird und dadurch den Gasen oder Dämpfen, welche bei dieser Temperatur gebildet wurden, die Möglichkeit zum Entweichen geboten wird, worauf der Druck wieder erhöht und die vorher gebildeten Poren geschlossen werden.
Hierauf kann die Temperatur weiter erhöht, der Druck wieder nachgelassen und dann erhöht werden usw., bis eine maximale Temperatur und Druck erreicht wird.
Ebenso ist aber auch die richtige Abkühlung von grösster Wichtigkeit. Gemäss der Erfindung wird darum der fertige Gegenstand unter einem Druck abgekühlt, der ungefähr gleich demjenigen ist, der bei höchster Temperatur angewandt worden ist. Dieser Druck wird so lange beibehalten, bis sich der Gegenstand ungefähr auf die sogenannte kritische Temperatur und unter diese abgekühlt hat. Diese kritische Temperatur wird bei der Behandlung glasartiger Gegenstände regelmässig beachtet, merkwürdigerweise aber bisher niemals bei der Herstellung von Hartmetallen. Unter kritischer Temperatur versteht man jenen Temperaturbereich, innerhalb dessen sich die Dehnung des behandelten geschmolzenen oder gesinterten Materials sprunghaft ändert. Hiebei treten Strukturänderungen auf, die Spannungen in dem Körper zur Folge haben.
Bei karbidhaltigen Körpern können hiebei ferner Graphitausseheidungen auftreten. Hiebei handelt es sich auch nicht um eine ganz bestimmte Temperatur, sondern um einen grösseren Temperaturbereich, und dieser ist wieder für jeden Körper je nach seiner Zusammensetzung verschieden. Bei Hartmetallkörpern der hier in Betracht kommenden Art ist dieser kritische Temperaturbereich zwischen etwa 800-1250 C anzunehmen. Oberhalb der kritischen Temperatur geht der Körper in eine Art plastischen Zustand über.
Hat man diese Temperatur für einen Körper bestimmter Zusammensetzung festgestellt, dann kann man umgekehrt bei der Abkühlung solcher Körper nach dem Sintern oder Schmelzen erfindung gemäss verfahren derart, dass der Druck während des'-Abkühlens nicht wesentlich unter denjenigen abgesenkt wird, der beim Ende des Sinterns oder Schmelzens vorhanden war, bis die kritische Temperatur
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erreicht und durchschnitten ist. Sobald dies geschehen ist, kann ebensowohl die Temperatur als auch der Druck schnell abgesenkt werden, u. zw. stufenweise oder kontinuierlich. Man wird derart ein Material erhalten, das frei von inneren Spannungen ist.
Es ist noch zu beachten, dass sich das behandelte Material mit steigender Temperatur ausdehnt.
Ist es in einer Form eingeschlossen, deren Wärmedehnung geringer ist als diejenige des eingeschlossenen Materials, so wird sieh der auf das Material durch die Form selbst ausgeübte Druck automatisch erhöhen, während umgekehrt dieser Druck automatisch beim Abkühlen sich erniedrigt. Will man darum den Druck konstant erhalten, so müssen entsprechende Mittel vorgesehen werden. So kann beispielsweise Flüssigkeits-oder Gasdruck auf einen nachgiebigen Teil der Form ausgeübt werden, und dieser Druck kann durch geeignete Mittel geregelt werden. In gleicher Weise kann die Variation oder Einstellung des Druckes bei der Hitzebehandlung vor dem Sintern oder Schmelzen bewirkt werden.
Die Erfindung ist im übrigen nicht beschränkt auf Hartmetalle der hier ausdrücklich erwähnten Zusammensetzungen, sondern kann allgemein angewandt werden für jedes Hartmetall, das ein oder mehrere Karbide im Überschuss und ein oder mehrere Hilfsmetalle enthält, wobei diese letzteren entweder als Bindemittel oder als Mittel zur Verhinderung der Rekristallisation oder in beiden Hinsichten wirken können, je nach der Menge, in der sie angewandt werden und die etwa 3-25% des Hartmetalls beträgt.
Die Hitzebehandlung ist von besonderer Wirkung, wenn Aluminiumkarbide anwesend sind, wie hier früher beschrieben wurde, obwohl auch beim Fehlen von Aluminiumkarbid und in Gegenwart von einem oder mehreren Karbiden der früher erwähnten Schwermetalle allein die Wirkung der Hitzebehandlung sowohl vor als auch nach dem Sintern bzw. Schmelzen erreicht werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Hartmetallegierung, die ein oder mehrere Karbide und 3-25% eines oder mehrerer Hilfsmetalle, wie Kobalt, Nickel, Eisen, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass es Aluminiumkarbid allein oder neben einem oder mehreren Karbiden des Wolframs, Molybdäns, Titans, Mangans, Tantals, Vanadiums, Zirkons, Siliziums enthält.