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Gesinterter Hartmetallkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Hartmetallkörper und insbesondere auf die Verbesserung der handels- üblichen Hartmetalle, die als mit Hilfsmetallen gebundene Mehrfachkarbide bekannt sind und im wesentlichen aus Wolframkarbid, einem weiteren Karbid, wie Titankarbid, Tantalkarbid, Zirkonkarbid oder Niobkarbid, und aus einem metallischen Bindemittel bestehen, wobei dieses aus einer Eisen, Kobalt und Nickel oderGemische dieser Metalle umfassenden Gruppe ausgewählt ist. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Hartmetallmischungen der vorgenannten Art, die sich zur Bearbeitung und zum Schneiden von Stahl- und Eisenlegierungen hervorragend eignen.
Die bisher zur Herstellung von Schneidwerkzeugen u. dgl. benützten Hartmetalle sind durch eine kleine Korngrösse der Wolframkarbidkristallkomponente sowie durch die Verwendung eines Hilfsmetalls als Bindemittel gekennzeichnet. Die derzeit erzeugten Hartstoffe enthalten Wolframkarbidkristalle, deren Korngrösse überwiegend im Bereiche von 0, 5 bis 10 liegt. Der übliche Bereich ist 3-8 fi. Die Menge des in den gebräuchlichen Mehrfachkarbiden verwendeten Bindemetalls beträgt im allgemeinen bis zu etwa 12 Gew.-% des Hartmetalls, wobei die niedrigeren Bindemittelgehalte zur Erzielung eines maximalen Verschleisswiderstandes dienen, während der Bereich höherer Bindemittelgehalte zur Erzielung maximaler Zähigkeit und Schlagfestigkeit benützt wird.
Die Verwendung von weniger als etwa 5 Gew.-% Bindemittel wird jedoch stets als unzulässig angesehen, weil die Werkzeuge dann allgemein zum Brechen, Abblättern oder Abplatzen neigen. In diesem Zusammenhang hat man zu geringfügigen Änderungen der Korngrösse der Karbide Zuflucht genommen, um so der Sprödigkeit begegnen zu können. Gewöhnlich wird auch bei Hartmetallen dieser Art, die für das Schneiden von Stahl bestimmt sind, ein weiteres Karbid, wie Titan-, Tantal-, Zirkon- oder Niobkarbid mitbenützt, um in dieser aus Mehrfachkarbiden gebildeten Masse einen genügenden Widerstand gegenKraterbildung durch Verschweissen und Erosion durch das bear- beitete oder geschnittene Material hervorzubringen.
DieMehrfachkarbide, die sich für diese Sparte bisher als technisch wertvoll erwiesen haben, sind dadurch gekennzeichnet, dass ein hoher Anteil an Wolframkarbid und die Gesamtmenge oder der Hauptteil des weiteren (zusätzlichen) Karbides, wie z. B. Titankarbid, in Form einer festen Lösung vorliegen. Die bei Verwendung solcher Hartstoffe erhaltenen günstigen Resultate sind dem Vorhandensein von Karbid in fester Lösung in dem gesinterten Produkt zugeschrieben worden. Tatsächlich haben die auf diesem Fachgebiet tätigen Verfasser ständig hervorgehoben, dass es wichtig ist, bei jeder gegebenen Hartmetallmischung die Bildung einer festen Lösung in einem möglichst weitgehenden Ausmass zu fördern.
Ausserdem ist in der Literatur und im Patentschrifttum bezüglich der Materialien, die zusätzlich zum Wolframkarbid ein weiteres Karbid, wie Titankarbid, sowie ein Hilfsmetall als Bindemittel enthalten, durchgehend angegeben worden, dass ein möglichst hoher Anteil von Wolframkarbid in dem weiteren Karbid in Lösung vorliegen soll, um die besten Resultate zu erzielen.
Bei der Erzeugung der gebräuchlichen Mehrfachkarbidhartstoffe ist auch bisher eine Korngrösse im Bereiche von 1 bis 10 u als die zweckmässigste angesehen worden. Nach der gegenwärtigen Praxis sind Korngrössen von etwa 25 it als ausserordentlich selten zu betrachten und als Durchschnitt für die meisten der derzeit erzeugten Materialien gilt ein Wert von etwa 3 .
Die vorliegende Erfindung schafft nun erstmals Hartmetalle aus Mehrfachkarbiden, denen ein höhe- rer Zähigkeitsgrad und Verschleisswiderstand innewohnt, als der Fachmann nach den derzeitigen An-
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schauungen erwarten könnte. Die Erfindung ist auf neuen Ansichten aufgebaut, welche die Richtigkeit der bisher geltenden sowohl hinsichtlich der Kristallgrösse als auch der festen Lösung vollständig widerlegen.
Gemäss vorliegender Erfindung wurde gefunden, dass das Vorhandensein von ausserordentlich grossen Körnern des Wolframkarbides in gesinterten Mehrfachkarbidhartmetallen besonders erwünscht ist und ein gesintertes Hartmetall aus Mehrfachkarbiden von maximaler Verschleissfestigkeit und Zähigkeit schafft.
So wurde festgestellt, dass'Mehrfachkarbidmischungen mit Wolframkarbidkristallen von sogar 250 (i in einigen Fällen und mit einer verhältnismässig grossen Anzahl von Wolframkarbidkörnern im Bereiche von 25 bis 150 den entsprechenden gebräuchlichen Hartmetallmischungen gegenüber weitgehend überlegen sind. Es ist zu beachten, dass dieser Bereich bedeutend weiter als der bisher als zweckmässig angesehene oder angewendete Korngrössenbereich ist, u. zw. etwa 10 mal grösser oder noch mehr.
Der Ausdruck"makrokristallines Wolframkarbid", wie er nachfolgend gebraucht wird, bezieht sich auf grosse Körner bzw. Kristalle von Wolframkarbid mit einer Korngrösse der Grössenordnung von 25 bis 250 ft.
Ein zweiter, vollständig neuer Vorschlag der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung von makrokristallinem Wolframkarbid zwecks Verhinderung oder Verzögerung der Bildung von Karbiden in fester Lösung. Dies steht auch in direktem Gegensatz zu den gegenwärtigen Ansichten, gemäss welchen den festen Lösungen bestimmte Vorteile zukommen. Es wurde gefunden, dass bei Verhinderung der Bildung von festen Lösungen der Karbide höhere Anteile der weiteren Karbide, z. B. Titankarbid, an Stelle eines Teiles von Wolframkarbid verwendet werden können. Überdies kann zum Gebrauch eines höheren Prozentanteiles des weiteren Karbides, wie z. B. Titankarbid, ohne merkliche Abnahme der Zähigkeit übergegangen werden, wenn die Wolframkarbidkörner in dem vorstehend angegebenen Bereiche vorliegen und die Bildung von Karbiden in fester Lösung verhindert wird.
Tatsächlich wird auch die Zähigkeit durch Verwendung von grobkörnigerem Wolframkarbid weiter verbessert. Die Verwendung von solchem grobkörnigerem Karbid bewirkt eine bessere Vereinigung des Bindemittels. Das Endergebnis ist ein Produkt von erhöhter Zähigkeit.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil, der von dem vorstehend beschriebenen Gebrauch von makrokristallinem Wolframkarbid herrührt, liegt in einer Herabsetzung der notwendigen Bindemittelmenge im Vergleich zu den meisten gegenwärtig gebräuchlichen Sorten von Mehrfachkarbiden. Beispielsweise liegen
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wie sie für das Schneiden von Stahl gebraucht werden, bei 5-12 Gew.-%, im Gegensatz zu den erfindungsgemässen Mischungen, bei welchen die verwendete Bindemittelmenge niedriger ist, u. zw. etwa 1 - 10 Gew. -0/0 beträgt. Der Hauptvorteil der Verminderung des Bindemittels ist der, dass in der Mischung mehr Hartkarbid, das ja in erster Linie für die Wirksamkeit als Schneidwerkzeug verantwortlich ist und die tatsächliche Schneidleistung vollbringt, verwendet werden kann.
Die vorstehend beschriebenen grobkörnigen Wolframkarbidmassen können nach Verfahren hergestellt werden, wie sie gegenwärtig zur Erzeugung der gebräuchlichen Mehrfachkarbide Verwendung finden, jedoch mit einigen Abänderungen. Eine wichtige Änderung besteht darin, dass ein in zwei Kugelmühlen, also stufenweise erfolgender Mahlprozess benützt wird, wobei in dem ersten Mahlvorgang das zusätzliche Karbid und dasBindemetall vermahlen werden. Bei diesem erstenMahlvorgang kann auch einAnteil an Wolframkarbid zugegen sein. Der zweite Mahlvorgang erfordert nur verhältnismässig kurze Zeit und umfasst lediglich die Zugabe des grobkörnigen Wolframkarbides. Durch diese Methode wird ein übermässiges Zerreiben der gröberen Körner verhindert.
Bei der Darstellung von Mehrfachkarbidmassen nach der Erfindung können die Prozentsätze an Wolframkarbid variiert werden. Im allgemeinen kann das Wolframkarbid in einem Bereiche von etwa 60 bis etwa 90%, bezogen auf das Gewicht der Gesamtmasse, mit Vorteil benützt werden.
Als weitere Karbide eignen sich für die Darstellung der vorliegenden Mischungen Titan-, Tantal-, Zirkon- und Niobkarbide. Die Mengen dieser Karbide kenen in weitem Umfange schwanken, beispielsweise von etwa 5 bis etwa 30 Gew. -0/0 des Endproduktes. Die Korngrösse der verwendeten zusätzlichen Karbide liegt in dem üblichen Bereich von 0,5 bis 10 g.
Die Bindemetalle, die sich zurDarsteIlung der erfindungsgemässen Hartmetalle eignen, umfassen Kobalt, Nickel und Eisen in Mengen von etwa 1, 5 bis etwa 10 Gew.-%, bezogen auf das Endprodukt. Von diesen Mitteln wird Kobalt bevorzugt, doch können auch Nickel und Eisen an Stelle des Kobalts oder im Gemisch mit diesem benützt werden. So kann Nickel an Stelle des ganzen oder eines Teiles des Kobaltgehaltes verwendet werden oder es kann ungefähr die Hälfte des Nickels oder Kobalts durch Eisen ersetzt sein. Werden Mischungen der Bindemetalle angewendet, so soll deren Gewicht zusammen vorzugsweise ungefähr in demselben Prozentbereich liegen.
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Wolframkarbidkristalle von 250 li können bei der Herstellung der erfindungsgemässen Hartmetalle mit Vorteil benützt werden, doch kann die Wolframkarbidkomponente des gesinterten Materials überwiegend (50% oder mehr, bezogen auf das Gewicht oder das Volumen des Wolfrarnkarbides, im Bereiche von 25 bis 150 jn liegen. Es ist aber klar, dass gelegentlich auch Kristallkörner ausserhalb dieses Bereiches in der Masse vorhanden sein können.
Zur besseren Erläuterung der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung seien die folgenden speziellen Beispiele von Hartmetallmassen angegeben, die zur Erzeugung von Schneidwerkzeugen gebraucht wurden. Die dabei verwendeten Wolframkarbidkörner haben eine Grössenordnung von 25 bis 250 li, wobei eine Korngrösse von 25 bis 150 l vorherrscht. Die Prozentsätze sind sowohl auf das Gewicht als auch auf das Volumen bezogen.
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<tb>
<tb>
Beispiel <SEP> l <SEP> : <SEP> Gewichtsprozent <SEP> Volumsprozent
<tb> Wolframkarbid <SEP> 74, <SEP> 3 <SEP> 50, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Titankarbid <SEP> 21, <SEP> 4 <SEP> 45, <SEP> 0
<tb> Kobalt <SEP> 4, <SEP> 3 <SEP> 5, <SEP> 0
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> : <SEP>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 64, <SEP> 3 <SEP> 45, <SEP> 0
<tb> Titankarbid <SEP> 18,3 <SEP> 40, <SEP> 0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 13, <SEP> 3 <SEP> 10, <SEP> 0
<tb> Kobalt <SEP> 4, <SEP> 1 <SEP> 5, <SEP> 0
<tb> Beispiel <SEP> 3 <SEP> : <SEP>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 65, <SEP> 4 <SEP> 40, <SEP> 0' <SEP>
<tb> Titankarbid <SEP> 27, <SEP> 6 <SEP> 52,5
<tb> Kobalt <SEP> 3,5 <SEP> 3, <SEP> 75
<tb> Nickel <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP> 3, <SEP> 75
<tb> Beispiel <SEP> 4 <SEP> :
<SEP>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 63, <SEP> 0 <SEP> 43, <SEP> 8 <SEP>
<tb> Titankarbid <SEP> 18, <SEP> 0 <SEP> 39, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Tantalkarbid <SEP> 12, <SEP> 9 <SEP> 9, <SEP> 7
<tb> Kobalt <SEP> 6, <SEP> 1 <SEP> 7, <SEP> 5
<tb> Beispiel <SEP> 5 <SEP> : <SEP>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 61, <SEP> 5 <SEP> 42, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Titankarbid <SEP> 17, <SEP> 6 <SEP> 38, <SEP> 0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP> 9, <SEP> 5
<tb> Kobalt <SEP> 8, <SEP> 2 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Beispiel <SEP> 6 <SEP> : <SEP>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 68, <SEP> 1 <SEP> 50, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Titankarbid <SEP> 14, <SEP> 0 <SEP> 32, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Tantalkarbid <SEP> 10, <SEP> 1. <SEP> 8, <SEP> 0
<tb> Kobalt <SEP> 7, <SEP> 8 <SEP> 10, <SEP> 0
<tb> Beispiel <SEP> 7 <SEP> :
<SEP>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 59, <SEP> 1 <SEP> 40, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Titankarbid <SEP> 18, <SEP> 8 <SEP> 40, <SEP> 0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 13, <SEP> 7 <SEP> 10, <SEP> 0
<tb> Kobalt <SEP> 8, <SEP> 4 <SEP> 10, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Aus typischenHartmetallmassen gemäss den vorgenanntenBeispielen wurdenSchneidwerkzeuge angefertigt und solchen Werkzeugen vergleichsweise gegenübergestellt, die aus derzeit gebräuchlichen Sorten von Carboloy, das sind die von der General Electric Company, USA, in den Handel gebrachten, gebundenen Mehrfachkarbide, u. zw. mit den Sortenbezeichnungen 78, 78B, 78C und 370, erzeugt waren und
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die sämtlich das übliche feinkörnige Wolframkarbid enthalten.
Es wurden Schnellschnittversuche mit einem Stahlblock von ungefähr 25 cm Durchmesser unter folgenden Schnittbedingungen durchgeführt :
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<tb>
<tb> Umfangsgeschwindigkeit <SEP> 244 <SEP> m/min
<tb> Schnittiefe <SEP> 3, <SEP> 175 <SEP> mm
<tb> Vorschub <SEP> pro <SEP> Umdrehung <SEP> 0,56 <SEP> mm
<tb>
Unter diesen Versuchsbedingungen wurde die folgende Gesamtlebensdauer des Werkzeuges ermittelt :
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<tb>
<tb> Material <SEP> RA <SEP> Härte <SEP> Dichte <SEP> Gesamt-Abnützung <SEP> des <SEP> Werkzeuges
<tb> lebensdauer <SEP> :
<SEP> bis <SEP> zum <SEP> vollständigen <SEP> Unbrauchbarwerden <SEP> mm
<tb> Carboloy <SEP> Sorte <SEP> 78C <SEP> 91, <SEP> 0 <SEP> 13, <SEP> 45 <SEP> 35 <SEP> sec <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP>
<tb> "78B <SEP> 91, <SEP> 0 <SEP> 12, <SEP> 60 <SEP> 45 <SEP> sec <SEP> 1, <SEP> 40 <SEP>
<tb> "78 <SEP> 92, <SEP> 0 <SEP> 11, <SEP> 80 <SEP> 4 <SEP> min <SEP> 30sec <SEP> 0, <SEP> 43 <SEP>
<tb> " <SEP> 370 <SEP> 91,0 <SEP> 12,65 <SEP> 2 <SEP> min <SEP> 15 <SEP> sec <SEP> 0,40
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 90, <SEP> 9 <SEP> 10,80 <SEP> 10min') <SEP> 0, <SEP> 08
<tb> Beispiel <SEP> 4 <SEP> 90, <SEP> 9 <SEP> 10, <SEP> 80 <SEP> 13 <SEP> min <SEP> 0, <SEP> 51 <SEP>
<tb> Beispiel <SEP> 7 <SEP> 90, <SEP> 4 <SEP> 10, <SEP> 54 <SEP> 13 <SEP> min <SEP> 20 <SEP> sec <SEP> 0, <SEP> 53 <SEP>
<tb>
*) In diesem Falle wurde der Versuch vor dem Unbrauchbarwerden unterbrochen.
Aus den vorstehenden Ergebnissen ist leicht zu ersehen, dass die Mehrfachkarbidhartmetalle gemäss der Erfindung einen sehr bemerkenswerten Fortschritt ergeben. Wie oben gezeigt ist, haben Werkzeuge aus den erfindungsgemässen Hartmetallen eine viel längere Gesamtlebensdauer als die üblichen Werkzeuge.
Es wurden Materialien der gleichen Zusammensetzung wie in den vorstehenden Beispielen hergestellt, aber unter Verwendung von Wolframkarbidkörnern der üblichen Feinheit ; die aus diesenMaterialien angefertigten Werkzeuge wurden unter den obenstehenden Versuchsbedingungen infolge Bruchs unbrauchbar, da sie zwar hohe Härte und Verschleissfestigkeit hatten, aber die nötige Zähigkeit fehlte.
Die Erfindung, die in der vorangehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Herstellung von Schneidwerkzeugen beschrieben ist, kann natürlich von jedem Fachmann auf dem Gebiete der mit Hilfsmetallen gebundenen Karbide in weitestem Masse angewendet werden. Diese weiteren Anwendungsmöglichkeiten der beschriebenen Hartmetalle liegen auf der Hand und umfassen beispielsweise die Stahlbearbeitung durch Drehen, Fräsen, Bohren, Ziehen, Profilgebung usw.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gesinterter Hartmetallkörper aus Wolframkarbidkristallen, mindestens einem weiteren Karbid wie einem Karbid des Titans, Zirkons, Tantals oder Niobs und einem Bindemetall wie Eisen, Kobalt, Nickel oder deren Gemischen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 50 Gew. -0/0 der Wolframkarbidkristalle eine Korngrösse von 25 bis 250 li haben und vorzugsweise in einem Bereiche von 25 bis 150p liegen.