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Die Erfindung betrifft Sinterkörper aus einem, oder einem Gemisch von Hartstoffen, nämlich solchen hochschmelzenden Boriden, Karbiden, Nitriden und Oxyden die von der Schmelze der Binderphase benetzt werden, und einer Binderphase, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Sinterkörper, wobei sich wesentliche Eigenschaften der Hartstoffkomponente, insbesondere die Mikrohärte, nicht änem.
Die erfindungsgemässen Materialien eignen sich, wenn der Anteil des Hartstoffes überwiegt, besonders zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen, und wenn der Anteil der Binderphase überwiegt, als abriebfeste, gegen Verschleiss beständige, mechanisch hochbeanspruchbare Formkörper.
In der österr. Patentschrift Nr. 178738 wird ein Verfahren zur Herstellung chromhaltiger Legierungen beschrieben, bei dem das Chrom als Vorlegierung Cr. Co. eingesetzt wird. Als Sintertemperatur wird 1250 bis 14700C genannt, ein Bereich, in welchem Cro als Verbindung stabil ist.
Das erfindungsgemässe Material ist dadurch charakterisiert, dass die Binderphase das thermische Zerfallspro-
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aufweist und dass die Elemente des Bindermetalls nur geringfügig in die Randzone der Hartstoffkörner eindiffundiert sind. An Schliffbildem lassen sich diese Erscheinungen eindeutig feststellen.
Die Binderphase hat die Struktur und die Eigenschaften einer"Superlegierung" ; eine solche entsteht, wenn man nach dem Sintern schnell abkühlt, weil die intermetallische Verbindung beim Sintern in eine Schmelze und eine feindisperse Ausscheidung zerfällt.
Bei der üblichen Herstellung von Hartlegierungen auf dem Sinterweg werden Poren und Hohlräume durch ausgedehnte Sinterzeiten beseitigt. Vielfach kommt es dabei zu Abrundungen, Wachstum und Zusammenballungen der Hartstoffkömer. Letzteres tritt auch auf, weil beim Vermahlen von spröden und duktilen Materialien starke Unterschiede der Korngrössenverteilung entstehen.
Diese nachteiligen Effekte werden in der gegenständlichen Erfindung dadurch vermieden, dass der Hartstoff oder ein Gemenge der Hartstoffe und eine intermetallische Verbindung gemeinsam auf eine Korngrösse von höchstens 2 um vermahlen werden und diese Mischung nach Kaltpressen bei einer Temperatur überder Zerfall- temperatur der intermetallischen Verbindung gesintert und schliesslich rasch abgekühlt wird.
Durch die gemeinsame Vermahlung ist wegen der Sprödigkeit aller Bestandteile die Ähnlichkeit der Korngrössenverteilung gewährleistet, und überdies wird innigste Vermischung erzielt. Daraus resultiert im Vergleich zur bisherigen Hartmetallherstellung bessere Pressfähigkeit und bedeutend kürzere Sinterdauer. Während des Aufheizens verhält sich die intermetallische Verbindung dem Hartstoff gegenüber indifferent. Wenn die Zerfallstemperatur der intermetallischen Verbindung erreicht wird, bildet sich Schmelze und feindisperse Ausscheidung ; erstere ist daher an jenem Element, das in der Ausscheidung angereichert ist, gesättigt.
Die Schmelzen der hier vorgeschlagenen Materialien zeichnen sich im Vergleich zu Reinschmelzen durch höheres Benetzungsvermögen und geringere Reaktionsfreudigkeit gegenüber Karbiden, Nitriden, Boriden und Oxyden aus. Diese Effekte fUhren zu einer weiteren Verkürzung der Sinterzeiten, wobei die Ausscheidungen das Zusammenwachsen der Hartstoffkömer verhindern. Beispielsweise sind kalt gepresste Formkörper aus TiC als Hartstoff und Ti-Ml als intermetallische Verbindung bereits innerhalb von 2 min dicht gesintert.
Um eine Rückbildung der intermetallischen Verbindung zu verhindern, werden die Sinterkörper rasch, vorzugsweise mit mindestens 10/set gekühlt. Die Schmelze, durchsetzt mit den Ausscheidungen, erstarrt zu einer Superlegierung und wird zum Binder der Hartstoffkörner.
Es besteht also ein grundlegender Unterschied zu den Produkten der oben genannten Patentschrift. Während dort die intermetallische Verbindung als Binder dient, ist es im vorliegenden Fall das Zersetzungsprodukt einer intermetallischen Verbindung, welches diese Funktion erfüllt.
Bei den konventionellen Methoden der Hartmetal1herstellung erfolgt durch die lange Sinterdauer zwangsläufig Gleichgewichtseinstellung. Bei der Wahl der Hartstoffe und Binder ist man daher auf verträgliche Kombinationen beschränkt. Im gegenständlichen Verfahren jedoch stellt sich das chemische Gleichgewicht wegen der kurzenSinterdauer und der Reaktionsträgheit der Schmelze nicht ein. Dadurch ist man nunmehr in der Lage, auch solche Kombinationen zu erzeugen, die bei den bekannten Sintermethoden zu verstärktem Kornwachstum
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kommen dabei Boride, Karbide, Nitride und Oxyde in Betracht, sofeme sie von der Schmelze der intermetalli- schen Verbindung genügend benetzt werden. Da das chemische Gleichgewicht nicht erreicht wird, kann man auch Gemenge verschiedenartiger Hartstoffe einsetzen.
Für die Wahl der intermetallischen Verbindung ist die Zerfallstemperatur, das Benetzungsverfahren und die Zusammensetzung der Schmelze von besonderer Bedeutung. Die Variationsmöglichkeiten werden noch dadurch erweitert, dass man von der stöchiometrischen Zusammensetzung solange abweichen kann, als die resultierende Verbindung spröde ist.
Für die Verwendbarkeit der intermetallischen Verbindung werden folgende Merkmale vorausgesetzt : a) Zerfall in Schmelze und Feststoff (inkongruentes Schmelzen) in einem Temperaturbereich über 1000oC. b) Hoher Gehalt der Schmelze an Metallen, die nach dem Erstarren als Binder fungieren, das sind : Ti, Zr,
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V, Nb, Cr, Mo, Fe, Co, Ni. c) Deutliches Lösungsvermögen (über 10 At 0/0) der Schmelze für das Zweitelement, das im Feststoff ange- reichert ist. d) Als Zweitelemente der intermetallischen Verbindung eignen sich vor allem die Übergangselemente der
4. bis 6. Gruppe des Periodensystems.
In den konventionellen Hartlegienmgen liegt das Volumenverhältnis Hartstoff : Binder im Bereich zwischen 2, 5 (binderreich) und 25 (binderarm). Die Härte der Rockwell Skala A beträgt bei den binderreichen Legierungen RA = 85 und steigt mit abnehmendem Bindergehalt auf RA = 93. In Übereinstimmung mit der Erfindung lassen sich analoge Hartlegierungen herstellen, wobei die Härtewerte der binderreichen Hartmetalle bereits RA = 89 erreichen.
Die Zeichnung zeigt das Schneidverfahren von konventionellen Schneid legierungen des Typs S und von erfindungsgemässen Materialien aus Hartstoffen und intermetallischen Verbindungen bei der spanabhebenden Bearbeitung von gehärtetem Stahl des Typs X 10 Cr Ni Nb 18 9 mit der Schnittgeschwindigkeit 120 m/min, der Schnittiefe l, 25 mm und dem Vorschub von 0,25 mm pro Umdrehung. Die Abnutzung der Schneidplättchen wurde durch Ausmessen der Abtragung der Schneidkante bestimmt. An den kommerziellen Schneidplättchen wurde bereits nach 25 bis 30 min eine Abtragung von 0, 2 mm gemessen, bei den neuen Legierungen dagegen die gleiche Abnutzung erst nach 80 min. Dazu ist zu bemerken, dass das Verhältnis Hartstoff : Binder in weiten Grenzen variiert wurde, dies aber die Schneidcharakteristik nicht änderte.
Im folgenden ist die Herstellung einer Hartlegiemng nach dem neuen Verfahren im einzelnen beschrieben :
63 Gew.-Teile technisch reines Titankarbid (Korngrösse 0, 5 mm) werden mit 37 Gew.-Teilen WNi. (Korn- grösse 0, 5 mm) in einer Kugelmühle eine Woche lang nass (organisches Lösungsmittel, das Paraffin oder eine andere wachsartige Verbindung enthält) vermahlen. Es entsteht dabei ein feinteiliges Pulver mit einer Komgrö- sse von c 2 pm. Danach wird das organische Lösungsmittel durch Dekantieren oder Filtrieren entfernt. Dabei verbleibt genügend Wachs im Pulver, es bildet eine oxydationshemmende Schutzschicht um die Partikel und dient als presserleichtemder Zusatz beim Verpressen zu Formteilen.
Die Presslinge werden zunächst im Vakuum langsam erwärmt, um das Wachs zu vertreiben. Anschliessend werden sie in Wasserstoffatmosphäre im Verlauf von zirka 30 min auf 15500C erhitzt. Als optimale Sinterbedingung für diese Kombination wurde eine Sinterdauer von 10 bis 15 min bei 15500C gefunden. Als Kühlgeschwindigkeit erweist sich l C/sek als hinreichend, um eine Rückbildung von WNi. zu verhindern.
In analoger Weise lassen sich Hartlegierungen aus andem Hartstoffen und ändern intermetallischen Verbindungen herstellen. In der Tabelle sind in beispielhafter Weise die Sintertemperaturen solcher Kombinationen angeführt, die jedoch in keiner Weise einschränkend aufgefasst werden sollen. Die Sinterdauer soll 25 min nicht überschreiten. Die angegebenen Temperaturen sind durch die Natur der intermetallischen Verbindung bestimmt.
Die Mengenverhältnisse haben dabei auf die zu wählende Sintertemperatur praktisch keinen Einfluss.
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Sintertemperaturen <SEP> in <SEP> OC <SEP> für <SEP> verschiedene <SEP> Kombinationen <SEP> von <SEP> Hartstoff
<tb> und <SEP> intermetallischer <SEP> Verbindung
<tb> \ <SEP> Hart- <SEP> TiB2 <SEP> ZrB2 <SEP> ZrC <SEP> TiN <SEP> BC <SEP> SiC <SEP> A] <SEP> Q, <SEP> Al <SEP> Al <SEP> Zro. <SEP>
<tb> stoff <SEP> TiC- <SEP> HfB2- <SEP> HfC <SEP> ZrN <SEP> - <SEP> # <SEP> # <SEP> # <SEP> +
<tb> Inter. <SEP> Mo.C <SEP> Nobel <SEP> NbC <SEP> HfN <SEP> SiO <SEP> ZrO <SEP> B.C <SEP> ZrB
<tb> metal <SEP> WC <SEP> TaB2 <SEP> TaC <SEP> TaN
<tb> Verbind.
<tb>
TiCr <SEP> 1500 <SEP> 1500 <SEP> 1500
<tb> TiMn <SEP> 1350 <SEP> 1350
<tb> TiFe <SEP> 1320 <SEP> 1320 <SEP> 1320
<tb> TiCo2 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1350 <SEP> 1300 <SEP> 1300
<tb> Ti2Ni <SEP> 1100 <SEP> 1200 <SEP> 1250 <SEP> 1100 <SEP> 1100 <SEP> 1100 <SEP> 1150 <SEP> 1150
<tb> ZrV <SEP> 1350 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400
<tb> ZrMo2 <SEP> 2100 <SEP> 2100
<tb> Zr2Fe <SEP> 1200 <SEP> 1200 <SEP> 1200 <SEP> 1100 <SEP> 1100 <SEP> 1100 <SEP> 1150 <SEP> 1150 <SEP> 1150 <SEP> 1200
<tb> V2Co <SEP> 1500
<tb> NbFe <SEP> 1500 <SEP> 1600
<tb> NbNi <SEP> 1450 <SEP> 1450
<tb> Ta3Ni2 <SEP> 1650 <SEP> 1650
<tb> Cr3Co2 <SEP> 1500 <SEP> 1550 <SEP> 1550
<tb> CrNi <SEP> 1400 <SEP> 1450 <SEP> 1450 <SEP> 1400
<tb> Mo2Fe3 <SEP> 1550 <SEP> 1600 <SEP> 1600
<tb> Mo6Co7 <SEP> 1600 <SEP> 1650 <SEP> 1650
<tb> MoNi <SEP> 1500 <SEP> 1500 <SEP> 1550 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400
<SEP> 1400
<tb> W2Fe3 <SEP> 1700 <SEP> 1700 <SEP> 1700
<tb> W6Fe7 <SEP> 1700
<tb> We <SEP> C07 <SEP> 1650 <SEP> 1700
<tb> WNi4 <SEP> 1550 <SEP> 1550 <SEP> 1600 <SEP> 1550 <SEP> 1550 <SEP> 1550 <SEP>
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PATENTANSPRÜCHE :
1. Sinterkörper aus einem, oder einem Gemisch von Harstoffen, nämlich solchen hochschmelzenden Boriden, Karbiden, Nitriden und Oxyden die von der Schmelze der Binderphase benetzt werden, und der Binder-
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höheren Schmelzpunkt enthält, und dass die Elemente des Bindermetalls nur in die Randzone der Hartstoffkörner eindiffundiert sind.