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Hartmetall und Verfahren zu dessen Herstellung.
Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Materials für Stahlsehneid- werkzeuge, Ziehstempel u. dgl.
Schneidwerkzeuge sind aus Stahl oder Schnelldrehstahl gemacht worden. Zu demselben Zweck sind auch gegossene Legierungen, z. B. Stellite verwendet worden. Es sind ferner als Werkzeugmaterialien geschmolzene und gegossene Legierungen aus Wolfram, Molybdän und Tantal mit Kohle und zuweilen anderen Metallen und (oder) Metalloiden vorgeschlagen worden. Als Werkzeugmaterial ist ebenfalls mit Kobalt gesintertes Wolframkarbid verwendet worden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird eine Mischung aus Wolframmetall und Tantalkarbid verwendet, die durch eine Art Hoehfrequenzschweissung unter Druck verfestigt wird.
Dieses Material ist härter als gehärteter Stahl und Schnelldrehstahl. Letzterer zeigt im härtesten Zustand ungefähr 69 Rockwell 0, während das erfindungsgemässe Hartmetall ungefähr eine Härte von 71-76 hat.
Das Material besitzt eine ausserordentlich hohe Schneidfähigkeit, so kann es als Werkzeugspitze beim Schneiden von Stahl mit 440 Brinell mit einer Geschwindigkeit über 30 m pro Minute ohne Versagen verwendet werden, während Werkzeuge aus Schnelldrehstahl unter gleichen Bedingungen in weniger als 30 Sekunden versagen.
Das erfindungsgemässe Material besitzt auch eine ausserordentliche Dauerhaftigkeit und ist ferner frei von Ungleichmässigkeiten im Gefüge.
Die Gegenwart eines verhältnismässig weichen Metalls, wie Kobalt als Bindemittel, ist ein Nachteil, und der Prozentsatz eines solchen Metallbindemittels muss genau abgemessen werden, um die nötige Zähigkeit zu bewirken, weil sonst die Werkzeuge brüchig werden.
Wenn deshalb eine abnutzungsfeste Ecke gefordert ist, werden weniger als 3% Kobalt in der Regel verwendet, obgleich 13% bei Drehwerkzeugen zum stossweisen Schneiden von Phosphorbronze und Gusseisen für eine genügende Zähigkeit verlangt werden. Mit 13% Kobalt wird das Metall als Drehstahlspitze zum Schneiden von Hartstahl nicht zweckdienlich sein, da es unmittelbar hinter der zum Schneiden verwendeten Ecke Kraterbildung"aufweist.
Dies ist auf das Ausreissen der Wolframkarbidkörner aus dem Weichmetallbindemittel zurückzuführen.
Die Verwendbarkeit der kobaltgesinterten Wolframkarbidwerkzeuge ist deshalb nicht durch die schlechten Eigenschaften des Wolframkarbids begrenzt, sondern durch das verhältnismässig weiche Kobalt.
In der erfindungsgemässen Legierung werden metallisches Wolfram oder Molybdän oder beides zusammen mit einem Monokarbid eines Metalles der ersten Reihe der fünften Gruppe der Elemente von Mendelejeffsperiodischem System verwendet.
Der Schmelzpunkt des Wolframs ist 33700 C, des Molybdäns 26200 C, während die Schmelzpunkte von Tantal-und Niobkarbid nahe bei 40000 C liegen und Vanadinkarbid bei 27500 C schmilzt.
Man verwendet 30% bis 70% Wolfram und 70% bis 30% des Karbids des oder der anderen Bestandteile.
Bei vollständigem oder teilweisem Ersatz des Wolframs durch Molybdän tritt ein Äquivalent Molybdän an Stelle eines Äquivalentes Wolfram. Demnach würden 96 Teile Molybdän 184 Teile Wolfram verdrängen.
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Bei der Herstellung des Hartmetalls werden keine sogenannten Metallbindemittel mit niedrigerem Schmelzpunkt als Wolframkarbid verwendet.
Die Mischung wird unter Druck der Einwirkung elektrischer Hochfrequenzwirbelströme ausgesetzt, um zwischen den einzelnen Teilen ein Verschweissen durch einen örtlichen Oberflächeneffekt herzustellen.
Durch diese Erhitzungsart wird bewirkt, dass das resultierende Material gewöhnlich eine etwas grössere Dichte als die gemeinhin vorausberechnete Dichte der Bestandteile hat.
Die zur Anwendung gelangende Temperatur ist wesentlich niedriger als die Schmelztemperatur irgendeines Bestandteiles der Zusammensetzung.
Die Mischung wird z. B. bei einer Temperatur von etwa 2000 C unter Anwendung eines Druckes von etwa 280 & y/em der Einwirkung elektrischer Hochfrequenzwirbelströme von einer Frequenz von 10.000 bis 100.000 Hertz, bei einer, Spannung von 7700 Volt ausgesetzt.
Die Spannung und die Frequenz müssen genügend hoch sein, um den lokalen Oberflächen-Funken- effekt hervorzurufen. Solche hohen Frequenzen können erreicht werden durch Verwendung einer Hoeh- frequenz-Induktionswicklung mit Hochspannungstransformator, Kondensatoren von genügender Kapazität und Quecksilberdampfgleichrichter. Die durch die Einwirkung der Hochfrequenzströme verursachten Funken bedingen dabei das Verschweissen. Solche innere Funkenbildung kann durch elektrische Widerstandserhitzung nicht hervorgerufen werden.
Dieser Vorgang kann durch folgende Anordnung erreicht werden : 26 Windungen von abgeflachtem etwa 6 mm Kupferrohr, wobei die Lagen der Wicklungen durch einen Spalt von 1'5 mm voneinander getrennt sind, sind zu einer Wicklung mit etwa 105 mm Innendurchmesser aufgewickelt. Die Wicklung ist mit Schellack überzogen und besitzt Endverbindungen, durch die Wasser zum Durchfluss durch das Kupferrohr eintritt. In die Kupferwicklung ist ein Glimmerrohr von 103 mm Aussendurchmesser, 330 mm lang und 4'7 mm stark eingefügt, an dessen unterem Ende ein feuerfester Block von 95 mm Durchmesser eingefügt ist, der auf einem durch Stahlplatten gestützten und im wesentlichen aus Stein bestehenden Block ruht.
Ein etwa 65 mm Kohlezylinder, 203 mm lang, ist mit einem Ausschnitt, der dem Querschnitt des Hartmetallstückchens entspricht, versehen. Gepulvertes Wolfram und feinverteiltes Tantalkarbid werden sorgfältig gemischt und in diese Öffnung eingeführt. Die Grösse des Stückchens berechnet sich aus dem spezifischen Gewicht des verlangten Produktes, das zwischen 11 bis 16 variiiert, je nach den Mengenverhältnissen der Bestandteile. Ein Kohlestempel wird in die Öffnung eingesetzt und eine Schraube
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Der Hoehfrequenzstrom kann durch einen Transformator und Kondensatoren genügender Kapazität oder durch rotierende Umformer erhalten werden. Der Raum zwischen Kohletiegel und Glimmerrohr ist durch amorphe Kohle ausgefüllt.
Die Zeichnung zeigt eine Anordnung im vertikalen Schnitt. 1 ist der Tiegel mit der Bohrung 2,3 der Stempel, 4 der feuerfeste Block, auf dem der Tiegel ruht, 5 die Wickelung des Hochfrequenzofens, 6 das Glimmerrohr, in dem der Tiegel in der amorphen Kohle 7 eingebettet ist und 8 ist das zu behandelnde Material. Nachdem induzierte elektrische Wirbelströme mit einer Leistung von 5 Va 40 Minuten lang eingewirkt haben, wird der Druck auf den Stempel allmählich bis zu 280 & y/cm gesteigert, bis nach 50 Minuten der Strom abgeschaltet, der Tiegel aus der amorphen Kohle entfernt wird und abkühlen kann.
Das dem Kohletiegel entnommene Produkt zeigt grösste Dichte, ist absolut gleichförmig und fähig, auf einem Siliziumkarbid-Mahlrad eine scharfe Kante aufzuwerfen. Seine Grösse entspricht der Grösse des Tiegels.
Für Schneidwerkzeuge können die Hartmetallspitzen auf passende Schäfte aufgelötet werden. Mit diesen Werkzeugen wird Stahl mit ausserordentlich hoher Geschwindigkeit geschnitten. Mit dem erfindungsgemässen Material wurde Hartstahl stossweise geschnitten.
Die Zusammensetzung des Produktes kann etwas variiert werden, aber immer erhält man ein typisches Metall, das auf ein Atomgewicht Wolfram oder Molybdän ein Molekulargewicht des Monokarbids enthält, so können z. B. 184 Teile Wolfram zusammen mit 193 Teilen TaC verwendet werden. Die geeignetste Grenze der Zusammensetzung liegt zwischen 0'6 und 1'25 des Atomgewichtes von Wolfram oder Molybdän, dem 1'4 bis zu 0'6 des Molekulargewichtes Monokarbid hinzugefügt sind. Vorgezogen wird ein Monokarbid zu gebrauchen, jedoch ist eine geringe Abweichung von etwa 20% des Kohlenstoffgehaltes nicht schädlich.
Das erfindungsgemässe Material kann nicht durch Giessen hergestellt werden, denn die dabei erhaltenen Stücke sind spröde und für Stahlschneidwerkzeuge nicht verwendbar.
Statt das Karbid eines Metalles der ersten Reihe der fünften Gruppe des periodischen Systems zu verwenden, können auch mehrere Karbide dieser Reihe verwandt werden. Die Karbide, wie Vanadiumkarbid, können durch Erhitzung eines innigen Gemisches von Pentoxyd mit Kohle im Kohletiegel bei 1900 C unter Abwesenheit von Luft hergestellt werden, aber auch durch Erhitzen der Oxyde mit Äthan oder einem anderen Kohle enthaltenden Gas. Bei einer Mischung von Tantal-und Niobiumoxyd werden ungefähr 90% Ta20s und 10% Nb20s mit 22-5% ihrer Gewichte an amorpher Kohle gebraucht, wodurch ein Karbid mit etwa 6'4% C hergstellt wird. Ein geringer Natriumsilikatgehalt od. dgl. in dem Ausgangs-
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oxyd ist eher vorteilhaft als schädlich, da beim Verdampfen ein Reinigungseffekt hervorgerufen wird.
Der flockige Zustand der Karbide ist zweckdienlich. Wolframmetallpulver soll von hoher Reinheit und fein unterteilt sein und wird als feines Pulver verwendet.
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mühle gemischt und mehrere Tage gemahlen.
Dieses feine Pulver wird in der oben beschriebenen Weise der Einwirkung von Hochfrequenzinduktionsströmen unter Druck ausgesetzt. Das Erzeugnis enthält etwa 3'1% C und kann unter dem gebräuchlichen Rockwell-Diamantenspitzen-Haiteprüfer mit 150 kg Last, wie es beim Prüfen von Hartstahl geschieht, geprüft werden.
Bei der erfindungsgemässen Zusammensetzung ist die Druekhärte beider Bestandteile sehr hoch und gleichförmig, wodurch der Eindruckkörper keine Gelegenheit hat, von einem härteren zu einem weicheren Teilchen zu gleiten oder zu springen und ein gut ausgebildeter Eindruck erhalten wird. Diese Messungen zeigen die ausserordentliche Zähigkeit der erfindungsgemässen Legierung.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird Kristallisation vermieden und die Struktur des Metalles zeigt einen feinen seidenartigen, muscheligen Bruch.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Hartmetalls für Werkzeuge, Zieheisen u. dgl., dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung von fein gepulvertem Wolfram und (oder) Molybdän mit einem oder mehreren Karbiden der Metalle Tantal, Niob, Vanadium unter Druck, vorzugsweise bei einem Druck von 280 /cm, der Einwirkung von Hochfrequenzwirbelströmen bei einer Temperatur von etwa 20000 C unterworfen wird, bis die Teilchen der Mischung miteinander verfritten.