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Iiartlegierung und Verfahren zu ihrer Herstelluug.
Die Erfindung betrifft eine harte, gesinterte oder geschmolzene Werkzeuglegierung und eine Verfahrensweise zu ihrer Herstellung.
Es wurde bereits vorgeschlagen, besonders leistungsfähige harte Werkzeuge aus Karbiden des Wolframs, Molybdäns oder Titans herzustellen,. denen zwecks Schaffung ausreichender Geschmeidigkeit und Zähigkeit Hilfsmetalle in beschränkter Menge, unter 30% bis zu etwa 3%, zugefügt wurden.
Die Hartmetallegierung gemäss der Erfindung verwendet gleichfalls harte Karbide, denen Hilfsmetalle der bekannten Art in beschränkter Menge zwecks Erhöhung der Zähigkeit zugesetzt sind.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, Werkzeugstücke dadurch herzustellen, dass man eine beliebige Auswahl unter den Elementen Wolfram, Molybdän, Titan, Bor, Zirkon, Vanadium, Eisen, Nickel, Chrom traf, die gewählten Bestandteile mit Kohlenstoff mischte und das so erhaltene Gemenge niederschmolz.
Welchen Zweck auch immer in solchen bekannten Fällen die niedriger schmelzenden Metalle im Gemenge hatten, ob sie nun als Katalysatoren wirken und im Schmelzfluss ausdampfen oder aber in der Schmelze verbleiben und entweder deren Giessbarkeit erhöhen oder deren Kohlenstoffaufnahme verringern sollten, jedenfalls störten sie das Eintreten des Zieles der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung besteht nämlich darin, dass in einer harten und zähen, also aus harten Karbiden und einer entsprechend beschränkten Menge von Hilfsmetallen bestehenden Werkzeuglegierung mindestens zwei Karbide in der Hauptsache in fester Lösung, also homogener Durchdringung als Mischkristalle, anwesend sind, die vor Zugabe der Hilfsmetalle durch Hitzebehandlung bereitet ist. Die Ausgangskarbide sind dabei vorteilhaft in solchem Mischungsverhältnis gewählt, dass der erhaltene Mischkristall im Bereich grösster Härte der betreffenden Mischkristallreihe liegt.
Der Begriff der Mischkristalle, als homogene feste Lösung mindestens zweier Stoffe, und ihrer grössten Hätte liegt in der Wissenschaft fest. Man hat festgestellt, dass solche feste Lösungen ein Härtemaximum aufweisen, das vom Mischungsverhältnis der in den Mischkristallen anwesenden Stoffe abhängt.
Sind die Stoffe ungefähr gleich hart, dann ergibt sich der Mischkristall grösster Härte, wenn die Stoffe im einfachen atomaren Verhältnis im Mischkristall anwesend sind. Übertrifft ein Stoff den anderen erheblich oder sehr erheblich an Härte, dann verschiebt sich das Verhältnis zugunsten des härteren Stoffes, bleibt aber ganzzahlig, also 2 : 1, 3 : 1, 3 : 2. Schliesslich hat die Wissenschaft festgestellt, dass ein solches Härtemaximum flach ist ; spricht darum die Erfindung von dem vorteilhaft härtesten Mischkristall, so fällt darunter der Bereich von etwa 5 bis 10% nach beiden Seiten von dem theoretisch härtesten Mischkristall.
Diese Lehre der Wissenschaft wird von der Erfindung zur Herstellung harter Werkzeuglegierungen in der Weise angewendet, dass die Karbide vorzugsweise zu den härtesten Mischkristallen vor ihrer Verfestigung durch die zugefügten Hilfsmetalle verwandelt werden. Das notwendige Mischungsverhältnis der Karbide ergibt sich ohne weiteres daraus, dass diese in ein-oder mehrfachem molekularem Verhältnis zusammenzusetzen sind, je nachdem ihre Härte gleich oder verschieden ist.
Nimmt man beispielsweise das System Molybdänkarbid (M02C) und Wolframkarbid (WC), so stellt man fest, dass diese miteinander eine lückenlose Reihe von Mischkristallen bilden. Das Molekulargewicht des Molybdänkarbids ist 204, dasjenige des Wolframkarbids 206. Obwohl sowohl Wolframkarbid als auch Molybdänkarbid eine Härte über 9 in der Mohs'schen Skala besitzen, übertrifft*das Wolframkarbid das Molybdänkarbid erheblich an Härte ; darum ist das erste im doppelten Verhältnis zu dem
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kristalles errechnen. Sind 10% Hilfsmetall in der Legierung anwesend, dann reduziert sich der Anteil des Wolframkarbids an der Gesamtmenge der Legierung um diese 10% auf etwa 60% und derjenige des Molybdänkarbids auf etwa 30%.
Der Bereich des vorzugsweise härtesten Mischkristalls erstreckt sich etwa 10% nach rechts und links, in dem angenommenen Fall mit 10% Hilfsmetall also auf etwa 54 bis 66% WC, etwa 27 bis 33% M02C, Rest 10% Hilfsmetall.
Mit den theoretischen Erwägungen des Erfinders stimmen Versuche überein, die er praktisch mit Legierungen aus WC, M02C und 10% Kobalt als Hilfsmetall gemacht hat. Es ergab sich das praktische
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Kurven in der Umgebung des Härtemaximums flach.
Als Karbide, die als Mischkristalle vorzugsweise im Bereich des härtesten Mischkristalls in der Legierung anwesend sein sollen, wählt die Erfindung diejenigen des Wolframs, Molybdäns (sechste Gruppe des periodischen Systems), des Siliziums, Titans, Zirkons (vierte Gruppe), des Bors (dritte Gruppe) und oder des Vanadiums (fünfte Gruppe) aus. Als zusätzliche Hilfsmetalle wählt die Erfindung beispielsweise Chrom, Nickel, Kobalt, Eisen, Vanadium, die letzteren beiden vorzugsweise in Form des Ferrovanadins, das bekanntlich aus 20% Eisen und 80% Vanadium besteht, bei ungefähr 15000 C schmilzt und in der erfindungsgemässen Legierung in geeigneten Mengen, z. B. etwa 10%, anwesend sein kann.
Die Mischkristalle können in jeder geeigneten Weise bereitet werden. Insbesondere können die zu Mischkristallen umzuformenden Karbide, beispielsweise des Wolframs und des Molybdäns, nach geeigneter Zerkleinerung gemischt und durch eine der Sinterung entsprechende Hitzebehandlung, die also jedenfalls unter dem Schmelzpunkt der Karbide bleibt (im angenommenen Beispiel unter 2500 bzw. 2900 C), zur gegenseitigen Durchdringung und somit zur Bildung von Mischkristallen gebracht werden. Man kann aber auch die Karbide im gewünschten Mischungsverhältnis mischen und durch Schmelzen und darauffolgendes Erstarrenlassen in Mischkristalle umwandeln, sofern die angewandten Karbide solche Schmelzung ohne Zerfall zulassen.
Auf jeden Fall erhält man derart ein Mischkristall, welches das weichere der beiden Ausgangskarbide an Härte übertrifft, und das bei Auswahl der Ausgangskarbide in solchem Mischungsverhältnis, welches dem vorzugsweise härtesten Mischkristall entspricht, auch das härtere der beiden Ausgangskarbide seinerseits noch an Härte übertrifft, so dass durch die Erfindung ganz besonders harte Metallkarbide für die Werkzeuglegierung zur Verfügung gestellt werden.
Den so bereiteten Ausgangsstoffen werden nun die in der Hauptsache die Zähigkeit der Legierung bestimmenden Hilfsmetalle beigemengt, und das Ganze wird hierauf gesintert oder soweit (regelmässig nur das Hilfsmetall) geschmolzen, als dies ohne wesentlichen Zerfall der Mischkristalle möglich ist. Diese Hitzebehandlung erfolgt vorzugsweise durch Induktion (Hochfrequenz) im Vakuum, um in der Legierung enthaltene oder sich bildende Gase, besonders aber den meist in Spuren vorhandenen Sauerstoff zu entfernen. Der Hitzebehandlung kann ein Pressen des Gemenges in die gewünschte Form vorangehen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Karbide des Wolframs, Molybdäns, Titans, Zirkons, Siliziums, Bors oder Vanadiums und Hilfsmetalle enthaltende Hartlegierung, besonders für Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Hauptsache Mischkristalle mindestens zweier dieser Karbide enthält, die mit den Hilfsmetallen legiert sind.