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Verfahren zur Herstellung gesinterter Hartmetall.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallegierungen für Werkzeuge und Arbeitsgeräte, die mindestens aus drei Karbiden bestehende Mischkristalle enthalten.
Bisher musste man für die Bearbeitung von Stahl oder Halbstahl einerseits und für Gusseisen anderseits verschiedene Hartlegierungen verwenden, denn Gusseisen hat viele Lunker und auch der
Span ist ganz anders als derjenige bei Stahl. Hartlegierungen, die sich für Stahl ausgezeichnet bewähren, könnten deshalb für Gusseisen keine Anwendung finden, und umgekehrt.
Erfindungsgemäss gelingt es, eine Hartlegierung zu schaffen, welche gleichsam universelle Anwendung zulässt.
Es war schon vorgeschlagen worden, Werkzeugkörper aus reinen Karbiden in der Weise herzustellen, dass man zwei oder mehrere Karbide, vorzugsweise von Metallen der dritten bis sechsten
Gruppe des periodischen Systems, zusammenschmolz oder zusammensinterte, wodurch ein Formkörper erhalten wurde, in dem neben den getrennten Karbiden wahrscheinlich auch bereits Mischkristalle verschiedener Karbide enthalten waren. Solche Werkzeugkörper aus den reinen Karbiden haben sich aber nicht bewährt, da sie viel zu spröde und briichig sind.
Man hat ferner vorgeschlagen, aus den verschiedensten schwer schmelzenden Metallen, wie Wolfram, Molybdän, und niedrig schmelzenden Metallen, wie Eisen, Kobalt, eine Werkzeuglegierung zu schmelzen, indem man ihr von vornherein eine zum Karburieren der schwer schmelzenden Metalle ausreichende Kohlenstoffmenge zusetzte, oder aber zuliess, dass diese Kohlenstoffmenge während des Schmelzprozesses beispielsweise aus dem Kohletiegel aufgenommen wurde. Auch hiebei mögen Mischkristalle mancher Art entstanden sein. Auf die Bildung der Mischkristalle wurde aber kein Wert gelegt und es wurde auch keinerlei Vorkehrung getroffen, dass sich gerade Mischkristalle aus den Karbiden untereinander in bestimmter Weise bilden. Irgendein Ziel in der Herbeiführung solcher Mischkristallbildung wurde überhaupt nicht verfolgt.
Schliesslich wurde auch bereits vorgeschlagen, ein Hartmetall dadurch herzustellen, dass man Mischkristalle gewisser Karbide herstellt und die so erhaltenen Mischkristalle dann durch niedrig schmelzende Hilfsmetalle, vorzugsweise der Eisengruppe, miteinander verbindet.
Auf diesem Vorschlag baut die vorliegende Erfindung auf. Es wurde die überraschende Feststellung gemacht, dass nicht durch Misehkristallbildung zwischen zwei Karbiden allein, sondern vielmehr dadurch ein Optimum an Leistung und allgemeiner Anwendbarkeit erreicht werden kann, dass man mindestens zwei Mischkristalle bildet und diese dann miteinander wiederum zu einem Mischkristall vereinigt.
Gemäss der Erfindung werden mindestens drei untereinander verschiedene Karbide von Elementen, die aus der 3. bis 6. und 8. Gruppe des periodischen Systems gewählt sind, in einer Gesamtmenge von 75% bis zu 95% des fertigen Körpers angewendet und 10% bis zur Gesamtmenge der Karbide in Mischkristallform verwendet. Die Karbide werden dann mit Hilfsmetall gesintert.
Die Mischkristalle werden erfindungsgemäss so hergestellt, dass ein Mischkristallpaar zweier Karbide und ein anderes Mischkristallpaar gebildet wird, in dem mindestens ein Karbid von denjenigen des ersten Misehkristallpaares verschieden ist. Wenn das erste Mischkristallpaar z. B. aus Wolframkarbid und Molybdänkarbid besteht, so kann das andere Misehkristallpaar z. B. aus Molybdänkarbid und Titankarbid bestehen, und der aus diesen beiden Mischkristallen seinerseits gebildete, neue Miseh-
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kristall enthält dann drei Komponenten, nämlich Wolframkarbid, Molybdänkarbid und Titankarbid. und es sind somit zwei binäre Mischkristalle"in einen ternären Mischkristall"umgebildet worden.
Ebenso können aber auch zwei Mischkristallpaare, von denen das eine aus Wolframkarbid und Tantalkarbid und das andere aus Molybdänkarbid und Titankarbid besteht, in einen einzigen Mischkristall umgebildet werden, der nun die vier Komponenten Wolframkarbid, Molybdänkarbid, Tantalkarbid und Titankarbid enthält und somit einen"quarternären Mischkristall"darstellt. Die so erhaltenen Mischkristalle können dann geeignet zerkleinert und mit dem gewählten Hilfsmetall, wie z. B. Kobalt, Eisen, Nickel, gemischt werden.
Das so erhaltene Gemisch wird dann erhitzt, bis das Hilfsmetall mindestens teilweise in Schmelzfluss übergeht, vielleicht auch die ternären oder quarternären Mischkristalle teilweise in Lösung nimmt, worauf man abkühlen lässt, wobei sieh etwa aufgenommene Komponenten der Mischkristalle oder diese selbst wiederum ausscheiden und ein mechanisch fester Körper erwünschter Form erhalten wird. Jedes bekannte Verfahren zu seiner Herstellung und Formgebung kann im übrigen verwendet werden, nur muss so verfahren werden, dass der Kristallverband im Mischkristall nicht so weit aufgegeben wird, dass nach dem Abkühlen nicht mehr der ursprünglich beigefügte Mischkristall in gewünschter oder ausreichender Menge vorhanden ist.
Es muss also, mit andern Worten,
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und schliesslich der ternären oder quarternären Mischkristalle angestrebten und sichergestellten Ver- hältnisse soweit auch nach dem Verbinden durch die Hilfsmetalle erhalten bleiben, als für den erstrebten
Zweck notwendig ist ; denn es ist ein leichtes, durch Experiment festzustellen, bei welcher Menge des
Hilfsmetalls und bei welchen Temperaturen eine Lösung von Mischkristallen eintritt, u. zw. kann diese
Feststellung ebenso qualitativ nach Art des gelösten Mischkristalls oder seiner Komponente als auch quantitativ nach der Grössenordnung bzw. der Menge der überhaupt auflösbaren Mischkristalle bei gegebenem Hilfsmetallmenge getroffen werden.
Derart ist man schliesslich in der Lage, beispielsweise durch Zugabe einer überschüssigen Menge an Mischkristallen, oder durch besondere Auswahl des Hilfs- metalls oder seines Gemenges oder schliesslich durch Beobachtung bestimmter Temperaturgrenzen oder Aufheizungsgesetze eine in ihrer Zusammensetzung an mehrfachen und nur zweifachen Misch- kristallen definierte Hartlegierung zu schaffen.
Die überraschende Wirkung der Erfindung kann ihre mehrfache Erklärung finden. Nach der
Theorie der Mischkristalle ist regelmässig der Mischkristall härter als seine Komponenten, wenn über- haupt Misehkristallbildung eintritt. Wenn darum zwei Mischkristallpaare zur gegenseitigen Durch- dringung gebracht werden und so ein neuer, ternärer oder quarternärer Mischkristall entsteht, dann ist die Erwartung berechtigt, dass ein solcher 1ischkristall nun härter ist als alle seine Komponenten und die daraus entstandenen} 1ischkristallpaare. Ausserdem ist es Tatsache, dass sich zwischen bestimmten
Karbiden überhaupt keine Mischkristalle bilden, oder nur in gewissen beschränkten Grenzen.
Während es jedoch zuweilen unmöglich ist, einen Mischkristall von zwei bestimmten Karbiden zu bilden, besteht die Möglichkeit, je einen} 1ischkristall von einem dieser beiden Karbide mit einem dritten zu bilden und die beiden so gebildeten Mischkristalle dann in einen einzigen Kristall umzuformen.
So ist beispielsweise die Misehkristallbildung zwischen Titankarbiden und gesättigtem Wolfram karbid (WO) auf verhältnismässig geringe Mengen des Wolframkarbids beschränkt. Man muss, mit andern Worten, verhältnismässig grosse Titankarbidmengen in Kauf nehmen, wenn man durchwegs Mischkristalle von Wolframkarbid und Titankarbid in der Hartlegierung wünscht. Grosse Mengen des sehr leichten Titankarbids sind aber für bestimmte Zwecke höchst unerwünscht ; während sie bei Stahlbearbeitung ohne weiteres zulässig sind, machen sie die Bearbeitung von Gusseisen schlechterdings unmöglich. Wolframkarbid und Molybdänkarbid mischen sich hingegen praktisch in jedem Verhältnis ; sie bilden eine ununterbrochene Reihe von Mischkristallen.
Wenn man darum Wolframkarbid und Molybdänkarbid im gewünschten Mengenverhältnis zu einem Misehkristall umformt, wenn man weiterhin Molybdänkarbid und Titankarbid (die gleichfalls weitestgehend Mischkristalle bilden) in geeignetem Verhältnis miteinander mischt, so kann man aus diesen beiden Mischkristallpaaren leicht einen ternären Mischkristall bilden, der nun Wolframkarbid, Titankarbid und Molybdänkarbid in gewünschter Menge enthält. Das anwesende Molybdänkarbid vermittelt gleichsam die sonst unmöglich Mischkristall- bildung, und es ist wegen seiner dem Wolframkarbid weitgehend ähnlichen Eigenschaften auch sonst als nützlicher Bestandteil der Legierung anzusprechen.
Ähnliches gilt, wenn man einen Mischkristall aus hochgesättigtem Wolframkarbid und Molybdän- karbid einerseits und aus Tantalkarbid und Titankarbid anderseits herstellt. die dann zu einem quarternären Mischkristall auch mit Mengen Titankarbids, wie z. B. von 16% und mehr, umgebildet werden können. die sonst in das hochgesättigte Wolframkarbid allein nicht einzuverleiben wären.
Die Erfindung ist aber durchaus nicht darauf beschränkt, dass man Karbide mischt, die aus Kohlenstoffverbindungen untereinander verschiedener Elemente bestehen. Vielmehr fällt unter die Erfindung auch jeder} 1isehkristall. der aus verschiedenen gesättigten Karbiden desselben Elements besteht, wie z. B. aus Wolframmonokarbid und Wolframdikarbid.
Die Erfindung ist durchaus nicht darauf beschränkt, dass in ihr durchweg mindestens ternäre Mischkristalle der verwendeten Karbide vorhanden sind, vielmehr genügt es, wenn sich wesentliche Mengen solcher Mischkristalle vorfinden, über 10%, zweckmässig etwa die Hälfte oder mehr als die
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Hälfte der in der Hartlegierung anwesenden Karbide.
Enthält diese also etwa 5 bis 25% Hilfsmetalle, dann wird zweckmässig die Menge ternärer oder quarternärer Mischkristalle der dritten bis sechsten Gruppe des periodischen Systems sich auf annähernd etwa 35 bis 45% der Hartlegierung und darüber bis zu 75 bis 95% bemessen, während der Rest aus binären und/oder einfachen Karbiden derselben oder anderer Gruppen des periodischen Systems und aus Hilfsmetall, vorzugsweise aus der achten Gruppe des periodischen Systems in Mengen von etwa 5 bis 25% der Legierung besteht.
Mindestmengen der aufzuwendenden Karbidkomponenten sind deshalb schwer anzugeben, da beispielsweise Titankarbid volumenmässig viermal so gross ist und dementsprechend viermal so viel ausgibt als Wolframkarid. Dennoch mag hier die Menge der anzuwendenden Karbide in Gewichtsprozenten auf mindestens etwa 1% begrenzt werden.
In der Herstellung der Legierung wird man also darauf zu achten haben, dass die zu Miseh- kristallpaaren zusammenzusetzenden Karbide in den vorgesehenen Mengen auch wirklich Misch- kristalle bilden und dass die so erhaltenen Mischkristalle wiederum mit dem andern Mischkristallpaar eine feste Lösung (Mischkristall) ergeben. Ebenso wird aber auch der Mischkristall so auszuwählen sein, dass er nicht die vorgenommene Mischung in unerwünschter oder unbeherrschbarer Weise rückgängig macht oder verändert.
Als Karbide kommen für die Erfindung in Betracht insbesondere das Karbid des Siliziums, Bors, Titans, Zirkons, Vanadiums, Tantals, Niobs, Chroms, Molybdäns, Wolframs, Kobalts, Nickels, Eisens. Als Hilfsmetalle kommen in erster Linie in Betracht die sogenannten Zähmetalle, dargestellt insbesondere durch die Eisengruppe mit Metallen der vierten, fünften, sechsten und achten Gruppe des periodischen Systems.
Als besonders vorteilhaft hat sich beispielsweise eine Legierung bewährt mit etwa 60 bis 75% Wolframkarbid, sei es in der Form W2C oder WC oder im Mischkristall ; Titankarbid etwa 10 bis
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Grenzen wiederum ergab Titankarbid in Mengen von etwa 12 bis 18% und Molybdänkarbid in Mengen von etwa 1 bis 5% optimale Ergebnisse, wobei das Molybdänkarbid zur Bildung eines Mischkristallpaares mit Wolframkarbid und Titankarbid zur Bildung eines andern Mischkristallpaares mit Wolframkarbid benutzt wurde und zur Bildung des Mischkristalls aus dem ausserordentlich hochschmelzenden Titankarbid zweckmässig auch das höchstschmelzende Wolframkarbid verwendet wurde, während das niedriger schmelzende Molybdänkarbid auch mit einem niedriger schmelzenden Wolframkarbid zu einem Mischkristallpaar vereinigt wurde.
Während die Zahmetalle der Eisengruppe untereinander weitgehend gleichwertig sind, mag im angeführten Sonderfall dem Kobalt manchmal der Vorrang gegeben werden.
Zur Herstellung der Hartmetallegierung wurden zunächst zwei Mischkristallpaare gebildet, von denen das eine aus Molybdänkarbid und Wolframkarbid, das andere aus Titankarbid und Wolframkarbid bestand, worauf diese beiden Paare zu einem einzigen ternären"Mischkristall vereinigt wurden, der nunmehr Wolframkarbid, Titankarbid und Molybdänkarbid enthielt. Die Bildung der Mischkristalle wurde durch Erhitzung der Karbide auf 16000 bis 20000 C, vorzugsweise in neutraler und Kohle enthaltender Atmosphäre, erreicht. Auf gleiche Weise können ternäre usw. Mischkristalle gebildet werden, indem man die zunächst erhaltenen Mischkristalle auf gleiche Temperatur oder eine höhere, bis zu etwa 25000, erhitzt.
Die anzuwendende Temperatur hängt von dem Schmelzpunkt der Karbide ab, von ihrer Löslichkeit und von der Temperaturdauer. Wenn eine Temperatur von etwa 1600 bis 20000 C angewandt wird, reicht eine Erhitzung von 1 bis 4 Stunden regelmässig aus. Die so erhaltenen Mischkristalle werden dann pulverisiert und mit den vorzugsweise in gleicher Weise pulveri- sierten Isslfsmetallen gemischt, worauf das Sintern innerhalb eines Temperaturbereiches von über 13000 bis zu etwa 1400 bis 1600 C erfolgt.
Obwohl jeder Fachmann an Hand der Beschreibung ohne weiteres die Erfindung praktisch anwenden kann, soll doch noch ein weiteres Beispiel zur Herstellung einer Hartmetallegierung gemäss der Erfindung gegeben werden.
Die beschriebene besondere Werkzuglegierung, die aus Wolframkarbid, Titankaibid, Molybdänkarbid und Hilfsmetallen der sechsten Gruppe des periodischen Systems besteht, kann folgendermassen hergestellt werden : 5 Gewiehtsprozente Mu, C und 4 Gewichtsprozente TiC werden pulverisiert (20 bis 30 Stunden), vorzugsweise in einer Mischtrommel, innig gemischt und in einem Tiegel, vorzugweise durch Induktion, während ein bis zwei Stunden auf 16000 bis 20000 C erhitzt, wodurch Mischkristalle aus ihnen entstehen. Ungefähr 65 Gewichtsprozent W2C und ungefähr 12 Gewichtsprozent TiC werden 20 bis 36 Stunden pulverisiert und gemischt und dann in gleicher Weise auf etwa 16000 bis 20000 C 1 bis 2 Stunden erhitzt.
Beide Sorten Mischkristalle werden dann wiederum pulverisiert und 10 bis 40 Stunden, vorzugsweise in einer Mischtrommel, innig gemischt. Dieser Mischung werden
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Dieses Material ist in gleicher Weise für die Bearbeitung von Stahl, Halbstahl und Gusseisen in höchstem Masse geeignet.
Eine andere Zusammensetzung kann aus zwei Mischkristallpaaren gebildet werden, von denen
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zusammengesetzt ist, worauf beide Paare zur Bildung ternärer Mischkristalle vereinigt werden, denen dann etwa 7% Kobalt als Hilfsmetall zugesetzt werden. Diese Mischung wird dann ebenfalls geformt und gesintert.
In den drei Beispielen haben die binären Mischkristalle der beiden Paare einen höheren Härtegrad als die Karbide, aus denen die Paare hergestellt wurden, weil die Mengen der gemischten Karbide entsprechend gewählt wurden. Wenn zwei dieser binären Mischkristalle zu einem neuen einzigen vereint werden, übersteigt dessen Härtegrad wiederum denjenigen der binären Mischkristalle, aus denen er zusammengesetzt ist. Ausserdem können auf diese Weise bestimmte Karbide, wie z. B. das sehr wichtige Titankarbid, dem schliesslich erhaltenen Körper einverleibt werden, die sonst schwer einzuverleiben sind. Weiterhin wird auch eine ausserordentlich gleichmässige Verteilung aller enthaltenen Karbide im ganzen Körper erreicht und die vollständige gegenseitige Durchdringung gesichert.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung gesinterter Hartmetalle für Arbeitsgeräte und Werkzeuge, die aus mindestens drei Karbiden gebildete Mischkristalle enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass man die Karbide in mindestens zwei Gruppen so zusammenfasst, dass jede Gruppe aus zwei Karbiden besteht und die Karbide jeder Gruppe zerkleinert, mischt und durch Hitzebehandlung in Mischkristalle überführt, worauf man die so erhaltenen Mischkristalle zerkleinert, untereinander mischt und sodann durch Hitzebehandlung in eine einzige Mischkristallart überführt, die sodann mit Hilfsmetall und gegebenenfalls andern Karbiden gesintert und verfestigt wird.