AT501801A1 - Hard metal body with tough surface - Google Patents
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Description
Hartmetallkörper mit zähem OberflächenbereichCarbide body with a tough surface area
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, hergestellt durch Sintern bei Unterdrück, gebildet aus Karbiden, alternativ aus Karbiden mit Nitriden und/oder Karbonitriden und einem Bindemetall bzw. Matrixmetall mit zumindest Teilen des Oberflächenbereiches, welche eine erhöhte Materialzähigkeit aufweisen, insbesondere Wendeschneidplatte für eine spanabhebende Bearbeitung von Stahl.The invention relates to a cemented carbide body produced by sintering at reduced pressure, formed from carbides, alternatively from carbides with nitrides and / or carbonitrides and a binder metal or matrix metal with at least parts of the surface area, which have an increased material toughness, in particular indexable insert for a machining of Stole.
Bei einem Sintern eines Grünlings unter Bildung eines Hartmetallgegenstandes weiden im Wesentlichen die Körner von Hartstoffpulvem durch Bindemetall gefügt.When sintering a green compact to form a hard metal object, substantially the grains of hard material powder are pasted by binder metal.
Als Werkstoff für das Bindemetall, welches üblicherweise mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.-% im Hartmetall vorliegt, können prinzipiell alle höher schmelzenden Metalle und Legierungen eingesetzt werden. In der Regel wird jedoch Kobalt verwendet, weil sich Kobalt als Bindemetall besonders gut als Verbindungselement von Karbiden, Nitriden und dergleichen Hartstoffpartikeln eignet.As a material for the binder metal, which is usually present in a proportion of up to 30 wt .-% in the hard metal, in principle, all higher-melting metals and alloys can be used. In general, however, cobalt is used because cobalt is particularly suitable as binder metal as a connecting element of carbides, nitrides and the like hard material particles.
Geringe Bindemetallanteile fuhren zu einer äußerst ausgeprägten Sprödigkeit des Werkstoffes mit höchster Härte. Steigende Anteile an Bindemetall erniedrigen zwar die Härte des Hartmetalles, fördern jedoch dessen Zähigkeit. Je nach Verwendung des Hartmetallkörpers werden Bindemetall- bzw. Kobaltanteile von 2 bis 30 Gew.-% verwendet und derart den Zähigkeitsforderungen an den Werkstoff Hartmetall entsprochen.Low binding metal content leads to extremely pronounced brittleness of the material with the highest hardness. Although increasing amounts of binding metal lower the hardness of the hard metal, but promote its toughness. Depending on the use of the cemented carbide body, binder metal or cobalt contents of from 2 to 30% by weight are used and in this way the toughness requirements for the material carbide are met.
Wie oben dargelegt, fördern geringe Kobaitgehalte Im Hartmetall die Sprödigkeit und einen Rissfortschritt im Teil. Bel hoher Sprödigkeit wirken geringe Inhomogenitäten im Material insbesondere an der Oberfläche rissinduzierend und führen zu Materialtrennungen des Hartmetallkörpers.As stated above, low levels of Kobaite in carbide promote brittleness and crack propagation in the part. Bel brittle high inhomogeneities in the material, especially on the surface crack-inducing effect and lead to material separations of the carbide body.
Insbesondere bei einer Herstellung von Wendeschneidplatten ist es üblich geworden, den Oberflächenbereich des Teiles mit Bindemetall anzureichem, sodass derart zwar die Härte des Bereiches geringer ist, die Zähigkeit des Werkstoffes jedoch erhöht und sowohl die Rissinitiation als auch der Rissfortschritt minimiert • • • ·* • · ·· • • • ♦ · · • • • · • • • • · · · • • ···· ··· • • • • • • • • • sind.Particularly in the production of indexable inserts, it has become customary to enrich the surface area of the part with binding metal, so that while the hardness of the area is lower, but increases the toughness of the material and minimizes both the crack initiation and the crack propagation • • • · * • ········································································································································································
Eine Anreicherung von Kobalt im oberflächennahen Bereich eines Hartmetallkörpers wird bei einem Sintern im Vakuum erreicht, weil Stickstoff aus Nitriden und auch Kohlenstoff aus Karbiden im Vakuum bei Sintertemperatur Reaktionen zeigen und somit das Kobalt zur Oberfläche hin eine Anteilszunahme erfährt.An accumulation of cobalt in the near-surface region of a hard metal body is achieved in a vacuum sintering, because nitrogen from nitrides and also carbon from carbides in vacuum at sintering temperature show reactions and thus the cobalt to the surface undergoes an increase in shares.
Diese durchaus gewünschte Anreicherung des Kobaltgehaites im Oberflächenbereich eines Hartmetallgegenstandes hat jedoch den Nachteil, dass der Prozess zeitaufwendig ist, also lange Sinterzeiten im Vakuum und/oder insbesondere mehrmaliges Sintern im Vakuum erfordert. Weiters ist der Gradient des Kobaltgehalts im Oberflächenbereich oftmals schwierig in einem gewünschten Ausmaß einstellbar. Es kann zu einem steilen Anstieg zur Oberfläche in einem engen Bereich kommen, was wiederum eine Rissinitiation und/oder Rissfortschritt fördert.However, this very desirable enrichment of the cobalt content in the surface region of a hard metal object has the disadvantage that the process is time-consuming, that is, requires long sintering times in a vacuum and / or in particular repeated sintering in a vacuum. Furthermore, the gradient of cobalt content in the surface region is often difficult to adjust to a desired extent. There may be a steep rise to the surface in a narrow range, which in turn promotes crack initiation and / or crack propagation.
Hier will die Erfindung die Nachteile im Stand der Technik beseitigen und setzt sich zum Ziel, einen Hartmetallkörper zu schaffen, der bei einem für Sintern zur Verbindung der Hartstoffpartikel mit Bindemetall erforderlichen Zeit gleichzeitig eine gewünschte Dicke der mit Bindemetall angereicherten Oberflächenzone aufweist, wobei die Anreicherung in dieser verlaufend ausgeformt ist.Here, the invention seeks to eliminate the disadvantages of the prior art and has set itself the goal of creating a cemented carbide body which simultaneously has a desired thickness of the binder metal-enriched surface zone at a time required for sintering to bond the hard material particles with binder metal, wherein the enrichment in this is formed extending.
Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Gegenstand dadurch erreicht, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall einen Eisenanteil aufweist, welcher vorzugsweise weniger als 50 Gew.-% beträgt.This object is achieved in a generic article in that the binding metal or matrix metal has an iron content, which is preferably less than 50 wt .-%.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass schon durch ein Sintern bei üblicher Sintertemperatur und bei erforderlicher Sinterzeit ein Hartmetallkörper mit einer Oberflächenzone mit einem höheren Bindemetallanteil bzw. mit erniedrigtem Hartstoffpartikelanteil herstellbar ist, wodurch eine Sprödrissbildung bzw. Rissausbreitung insbesondere bei Schneidplatten im unterbrochenen Schnitt wesentlich verringert ist. Der Anstieg des Bindemetallanteils verläuft im Wesentlichen im gesamten Bereich kontinuierlich, -2 ·· *·The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that a cemented carbide body having a surface zone with a higher binder metal content or with a reduced hard material particle fraction can be produced by sintering at the usual sintering temperature and with required sintering time, whereby spray formation or crack propagation occurs in particular Cutting inserts in broken section is substantially reduced. The increase in the binder metal content is essentially continuous throughout the entire range, -2 ·· * ·
ii I ·· ·· · • · · · · • · · · · • · · · · • · · · wobei eine Ausdehnung bzw. Dicke der Zone und ein Ausmaß der Bindemetallanreicherung vom Eisengehalt in diesem abhängt bzw. mit der Eisenkonzentration einstellbar ist. Eine ausreichende wissenschaftliche Erklärung für diese gewünscht einstellbare Oberflächenausbildung durch einen Eisenanteil im Bindemetall kann derzeit noch nicht erfolgen; es kann jedoch angenommen werden, dass Eisen als Katalysator für Diffusionsvorgänge bzw. die Transportvorgänge für Atome hoch wirksam ist.wherein an extent or thickness of the zone and a degree of binder metal enrichment depends on the iron content in this or can be adjusted with the iron concentration is. A sufficient scientific explanation for this desired adjustable surface formation by an iron content in the binder metal can not yet be done; however, it can be considered that iron is highly effective as a catalyst for diffusion processes or transport processes for atoms.
Mit Vorteil weist der Eisenanteil im Bindemetall einen Gehalt von größer als 5 Gew.-%, jedoch kleiner als 45 Gew.-%, vorzugsweise von größer als 10 Gew.-%, jedoch kleiner als 38 Gew.-%, auf. Es können derart alle üblichen Hartmetallarten mit einer gewünschten die Rissinitiation verringernden Oberflächenzone des Körpers, insbesondere der Schneidplättchen, hergestellt werden. Eisenanteile von gleich/kleiner 5 Gew.-% bewirken einen ungünstig langsamen Aufbau der Anreicherung an Bindemetall unter der Oberfläche und können zu wenig wirtschaftlichen Herstellverfahren führen. Eisenkonzentrationen von größer 45 Gew.-% verringern die Härte des Teiles im Oberflächenbereich schon bei kürzest möglichem Sintern rasch und verschlechtern einen Korrosionswiderstand.Advantageously, the iron content in the binder metal has a content of greater than 5 wt .-%, but less than 45 wt .-%, preferably greater than 10 wt .-%, but less than 38 wt .-%, on. In this way, it is possible to produce all the usual types of hard metals with a desired surface initiation zone of the body which reduces crack initiation, in particular of the cutting tips. Iron shares of equal to / less 5 wt .-% cause an unfavorably slow build-up of the accumulation of binder metal below the surface and can lead to less economical production process. Iron concentrations of greater than 45% by weight rapidly reduce the hardness of the part in the surface area even with the shortest possible sintering and worsen a corrosion resistance.
Wenn, wie nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der Anteil an Bindemetalf 4 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 12 Gew.-% beträgt und mit einer Legierung aus Eisen, Kobalt und/oder Nickel gebildet ist, können Hartmetallkörper mit einem besonders günstigen Eigenschaftsprofil, insbesondere die Verschleißfestigkeit und die Zähigkeit betreffend, geschaffen werden. Bindemetallanteile von unter 4 Gew.-% steigern die Härte des Hartmetalles, führen jedoch zu einer Versprödung desselben und derart auch mit einem Konzentrationsanstieg zur Oberfläche hin zu einer hohen Trennbruchneigung des Körpers bzw. Teiles. Durch höhere Bindemetallgehaite als 15 Gew.-% werden die Härte und Verschleißfestigkeit derart verringert, dass beispielsweise Wendeschneidplatten keine ausreichende Schneidhaltigkeit aufweisen.If, as in a particularly preferred embodiment of the invention, the proportion of Bindemetalf 4 to 15 wt .-%, preferably 6 to 12 wt .-% and is formed with an alloy of iron, cobalt and / or nickel, carbide body with a particularly favorable property profile, in particular the wear resistance and the toughness concerning created. Binder metal contents of less than 4 wt .-% increase the hardness of the hard metal, but lead to embrittlement of the same and thus also with an increase in concentration to the surface towards a high tendency of separation of the body or part. Higher binder metal contents than 15% by weight reduce the hardness and wear resistance such that, for example, indexable inserts do not have sufficient cutting strength.
Wenn, wie weiters nach der Erfindung vorgesehen sein kann, der Bindemetallanteil an der Oberfläche des Bereiches mit erhöhter Zähigkeit in Vol.-% mindestens 1,2mal, vorzugsweise mindestens 1,5mai, den Bindemetalianteil im Hartmetallkörper beträgt, so sind auch für Werkzeuge, die mit unterbrochener Spanabnahme arbeiten, also stoßweise hochbelastet sind, eine Rissinitiation, eine Rissausbreitung und eine Bruchgefahr wesentlich vermindert.If, as can be further provided according to the invention, the binding metal content at the surface of the region with increased toughness in Vol .-% at least 1.2 times, preferably at least 1.5mai, is the Bindemetalianteil in the hard metal body, so are also for tools, the work with interrupted chip removal, so are intermittently highly loaded, a crack initiation, a crack propagation and a risk of breakage significantly reduced.
Untersuchungen haben ergeben, dass mit Vorteil die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit größer als 5 pm, jedoch kleiner als 50 pm, vorzugsweise größer als 10 pm, jedoch kleiner als 25 pm, beträgt.Investigations have shown that advantageously the thickness of the surface area with increased material toughness is greater than 5 μm but less than 50 μm, preferably greater than 10 μm but less than 25 μm.
Unterschreitet die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhtem Bindemetalianteil und erhöhter Zähigkeit des Hartmetallkörpers 5 pm, so ist eine wirkungsvolle Rissvermeidung in den Werkstoff hinein nicht in ausreichendem Maße gegeben. Überschreitet der Bereich erhöhter Zähigkeit jedoch 25 pm, so kann deren Härte nicht ausreichend sein, sodass plastische Materiaiverformungen entstehen können.If the thickness of the surface area with the binder metal component increased and the toughness of the cemented carbide body is more than 5 μm, effective crack prevention into the material is not sufficiently achieved. However, if the region of increased toughness exceeds 25 pm, its hardness may not be sufficient, so that plastic material deformations can occur.
Eine Steigerung der Verschleißfestigkeit des Hartmetallkörpers kann erreicht werden, wenn dieser eine Beschichtung trägt.An increase in the wear resistance of the cemented carbide body can be achieved if it carries a coating.
Anhand von Versuchsergebnissen mit Gefügebildem (Fig. 1), die lediglich einen Ausführungsweg der Erfindung darstellen, soll diese näher erläutert werden.On the basis of test results with microstructure (FIG. 1), which represent only one embodiment of the invention, this will be explained in more detail.
Aus Hartstoffpulver mit Gehalten an: 84 Gew.-% Wolframkarbid (WC) 3 Gew.-% Titannitrid (TN) 5 Gew.-% Tantal-Niob-Karbid ((TaNb)C) und jeweils 8 Gew.-% Bindemetall wurden sogenannte Grünlinge gefertigt und diese in Vakuum bei einer maximalen Temperatur (Tmax) von 1410°C mit einer Haltezeit auf Temperatur von einer Stunde gesintert. Als Bindemetall kam in den Versuchreihen Kobalt (Co) 100 Gew.-%,From hard material powder with contents of: 84% by weight tungsten carbide (WC) 3% by weight titanium nitride (TN) 5% by weight tantalum niobium carbide ((TaNb) C) and in each case 8% by weight binder metal were so-called Made green compacts and sintered them in vacuum at a maximum temperature (Tmax) of 1410 ° C with a holding time to temperature of one hour. Cobalt (Co) 100 wt .-% was used as binding metal in the test series,
Nickel (Ni) 100 Gew.-%, Kobalt (Co) 70 Gew.-% und Eisen (Fe) 30 Gew.-% (Co 70 -Fe 30), Kobalt (Co) 50 Gew.-%, Eisen (Fe) 50 Gew.-% (Co 50 - Fe 50) zum Einsatz.Nickel (Ni) 100% by weight, cobalt (Co) 70% by weight and iron (Fe) 30% by weight (Co 70 Fe 30), cobalt (Co) 50% by weight, iron (Fe ) 50% by weight (Co 50 - Fe 50) are used.
An jedem Sintericörper wurde mittels Mikroschliffs die Dicke (D) desOn each sintered body, the thickness (D) of the
Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit bzw. mit erhöhtem Bindemetallanteil durch eine Gefügeuntersuchung bestimmt.Surface area with increased material toughness or with increased binder metal content determined by a structural investigation.
Aus der nachfolgenden Tabelle und aus Fig. 1 sind die Ergebnisse ersichtlich.From the table below and from Fig. 1, the results can be seen.
Versuchsreihe Bindemetall Bezeichnung in Fig. 1 Dicke D des Bereiches mit hoher Materialzähigkeit 1 Co 11 um 2 Ni 13 um 3 Co 70 - Fe 30 17 um 4 Co 50 - Fe 50 22 umTest series Binding metal Designation in FIG. 1 Thickness D of the region with high material toughness 1 Co 11 around 2 Ni 13 around 3 Co 70 - Fe 30 17 around 4 Co 50 - Fe 50 22 μm
Bei sonst gleicher Zusammensetzung des Hartmetallkörpers und bei gleichen Sinterbedingungen ist, wie die Ergebnisse aus der Tabelle und der Fig. 1 zeigen, eine Einstellung der Dicke D des Bereiches mit erhöhter Materialzähigkeit durch den Eisenanteil im Bindemetall möglich.With otherwise the same composition of the hard metal body and under the same sintering conditions, as shown by the results from the table and Fig. 1, an adjustment of the thickness D of the region with increased material toughness by the iron content in the binder metal possible.
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