Gesintertes Hartmetall für Werkzeuge und Arbeitsgeräte. Ne Erfindung betrifft ein gesintertes Hartmetall für Werkzeuge und Arbeits geräte. Die Erfindung bezwec1Lt. eine Ha.rt- leg;icrung zu schaffen, welche bisher bekannte Legierungen dieser Art an Härte und Zähig keit, sowie Anwendbarkeit für verschiedenste Zwecke übertrifft.
Bisher mussten nämlich besondere Legie rungen hergestellt werden. wenn man Stahl oder Halbstahl bearbeiten wollte. und wenn man anderseits Gusseisen bearbeiten musste. Denn Gusseisen hat viele Lunker und auch der Span ist ganz anders als derjenige bei Stahl. Hartlegierungen, die sich darum für Stahl ausgezeichnet bewähren, könnten für Guss eisen keine Anwendung finden. und umge kehrt.
.Der Erfindung gelingt es, eine Hartlegie rung zu schaffen, welche gleichsam univer selle Anwendung zulässt.
Es war schon vorgeschlagen worden, Werkzeugkörper aus reinen Karbiden in der Weise herzustellen. dass inan zwei oder mehr reine Karbide, vorzugsweise von -Metallen der dritten, vierten, fünften und/oder sechsten Gruppe des periodischen Systems zusammen schmolz oder zusammensinterte, wodurch ein Formkörper unbekannter Zusammensetzung erhalten wurde, in dem aber wahrscheinlich neben den getrennten Karbiden auch bereits Mischkristalle verschiedener Karbide enthal ten waren. Solche Werkzeugkörper aus den reinen Karbiden haben sich aber nicht be währt, da sie viel zu spröde und brüchig waren.
Man hat ferner vorgeschlagen, aus den verschiedensten schwer schmelzenden Me tallen, wie Wolfram, Molybdän, und niedrig schmelzenden Metallen, wie Eisen, Kobalt, eine Werkzeuglegierung zu schmelzen, indem man ihr von vornherein eine zum Kar burieren der schwer schmelzenden Metalle ausreichende Kohlenstoffmenge zusetzte, oder aber zuliess, dass diese Kohlenstoffmenge während des Schmelzprozesses beispielsweise aus dem Kohletiegel aufgenommen wurde. Auch hierbei mögen Mischkristalle mancher Art entstanden sein. Auf die Bildung der Mischkristalle wurde aber kein Wert gelegt, und es wurde auch keinerlei Vorkehrung ge troffen, dass sich gerade Mischkristalle aus den Karbiden untereinander in bestimmter Weise bilden.
Irgendein Ziel in der Herbei führung solcher Mischkristall-Bildung wurde überhaupt nicht verfolgt.
Schliesslich hat die Anmelderin selbst be reits einmal vorgeschlagen, ein Hartmetall dadurch herzustellen, dass man Mischkristalle gewisser Karbide herstellt, und die so er haltenen Mischkristalle dann durch niedrig schmelzende Hilfsmetalle vorzugsweise der Eisengruppe miteinander verbindet.
Auf dieser Idee baut die vorliegende Er findung auf. Die Anmelderin hat die über raschende Feststellung gemacht, dass nicht durch Misehkristallbildung zwischen zwei Karbiden allein, sondern vielmehr dadurch ein Optimum an Leistung und allgemeiner Anwendbarkeit erreicht werden kann, dass mindestens drei verschiedene Karbide an wesend sind, die mindestens teilweise zu einer aus mindestens drei Karbiden bestehen den Mischkristallart vereint sind. Zu jedem Mischkristall gehören zwei oder mehrere Komponenten. Werden zu seiner Bildung nur zwei Komponenten benutzt, so mag das erhaltene Mischkristall in dieser Beschrei bung ein "Mischkristallpaar" genannt wer den.
Es könnte, strenger der Systematik ent sprechend, sonst als "binäres Mischkristall" bezeichnet werden, im Gegensatz zu jenen Mischkristallen, welche gemäss vorliegender Erfindung aus mindestens drei Komponenten bestehen, welche dann ein "ternäres usw. Mischkristall" ergeben.
Gemäss der Erfindung können also zwei 3Iischkristallpaare untereinander verschie dener Zusammensetzung zu einem neuen Mischkristall zusammengesetzt und umgebil det werden. Wenn das erste llischkristall- paar aus Wolframkarbid und Molybdän- karbid besteht, so kann das andere Misch- kristallpaar aus Molybdänkarbid und Titau- karbid bestehen,
und das aus diesen beiden Mischkristallen seinerseits gebildete, neue Mischkristall enthält dann drei Komponen- ten, nämlich Wolframkarbid, Molybdän- karbid und Titankarbid, und es sind somit zwei binäre Mischkristalle in ein ternäres Mischkristall umgebildet worden.
Ebenso können aber auch zwei Mischkristallpaare, von denen das eine aus Wolframkarbid und Tantalkarbid und das andere aus Molybdän- karbid und Titankarbid besteht, in ein ein ziges Mischlzristall umgebildet werden, das nun die vier Komponenten: Wolframkarbid, Molybdänkarbid, Tantalkarbid und Titan karbid enthält und somit ein "quaternäres Mischkristall" darstellt.
Die so erhaltenen Mischkristalle können dann geeignet zer kleinert und mit dem gewählten Hilfsmetall, wie zum Beispiel Kobalt, Eisen, Nickel, ge mischt werden. Das so erhaltene Gemisch wird dann erhitzt bis das Hilfsmetall min destens teilweise in Schmelzfluss übergeht, vielleicht auch die ternären oder quaternären Mischkristalle teilweise in Lösung nimmt, worauf man abkühlen lässt, wobei sich etwa aufgenommene Komponenten der Misch kristalle, oder diese letzteren selbst, wie derum 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 -erden, dass der Kristallverband im Mischkristall nicht so weit aufgegeben wird, dass nach dem Ab kühlen nicht mehr das ursprünglich bei gefügte Mischkristall in gewünschter oder ausreichender Menge vorhanden ist.
Es muss also, mit andern Worten, dafür Sorge ge tragen werden, .dass .die durch Einzelherstel lung der Karbide, der Mischkristallpaare und schliesslich der ternären oder quaternären Mischkristalle angestrebten und sicherge stellten Verhältnisse soweit auch nach dem Verbinden durch die Hilfsmetalle erhalten bleiben, als für den erstrebten Zweck not wendig ist;
denn es ist ein Leichtes, dureh Experiment festzustellen, bei welcher Menge des Hilfsmetalles und bei welchen Tempera turen eine Lösung von Mischkristallen ein tritt, und zwar kann diese Feststellung ebenso qualitativ, nach Art des gelösten ,'ilisclihristalles oder seiner Komponenten, als auch quantitativ, nach der Grössenordnung, 1)(#z -. der Kenge der überhaupt alifi_ös1@@@Lrcn Mi.sclikristalle bei gegebener Hilfsmetall- menge,
getroffen werden. Derart ist man schliesslich in der Lage, beispielsweise .dureli Zu--abe einer überschüssigen Menge an Hischkristallen, oder durch besondere Aus- #\-ahl des Hilfsmetalles oder seines Gemenge, oder schliesslich durch Beobachtung bestimm ter Temperaturgrenzen oder Aufheizungs- g(,setzc eine in ihrer Zusammensetzung an mehrfachen und nur zwiefachen Mischkri stallen definierte Hartlegierung zu schaffen.
Die überraschende Wirkung der Erfin- Jnng, kann ihre mehrfache Erklärung finden, obwohl es einer solchen hier überhaupt nicht bedarf, und sich die Anmelderin keinesfalls auf eine der Erklärungen festlegt. Nach der Theorie der Mischkristalle ist regelmässig das Hischkristall härter als seine Komponenten, wenn überhaupt Mischkristallbildung der letzteres) eintritt.
Wenn darum zwei Misch kristallpaare zur gegenseitigen Durchdrin- gun:t gebracht werden und so ein neues, ter- nä i e s oder quaternäres Mischkristall entsteht, dann ist die Erwartung berechtigt, dass ein solches 2lisehkristall nun härter ist als alle Seine Komponenten und die daraus entstan denen Mischkristallpaare. Ausserdem ist es Tatsache, dass sich zwischen bestimmten Karbiden überhaupt keine Mischkristalle bil den,
oder nur in gewissen beschränkten Grenzen. Während es jedoch zuweilen un- niö ;dich ist, ein Mischkristall von zwei be stimmten Karbiden zu bilden, besteht die :Vlöl,,lichkeit. .7e ein Mischkristall von einem d.ivser beiden Karbide mit einem dritten zu bilden, und die beiden so gebildeten Misch- lci,italle dann in ein einziges Kristall um zuformen.
So ist beispielsweise die Misch- kristallbildung zwischen Titankarbiden und gcsättigtern Wolframkarbid (WC) auf ver hältnismässig geringe Mengen des Wolfra.m- karbides beschränkt. Man muss. mit andern Worteis, verhältnismässig grosse Titankarbid- men@--en in Kauf nehmen. wenn man durch weg 111iselikrista,lle von Wolframkarbid und Titankarbid in der Hartlegierung wünscht.
Grosse Mengen des sehr leichten Titankarbids sind aber für bestimmte Zwecke höchst un erwünscht; während sie bei Stahlbearbeitung ohne weiteres zulässig sind, machen sie die Bearbeitung von Gusseisen schlechterdings unmöglich. Wolframkarbid und Holybdän- karbid mischen sich hingegen praktisch in jedem Verhältnis; sie bilden eine ununter brochene Reihe von Mischkristallen.
Wenn man ,darum Wolframkarbid und Molybdän- karbid im gewünschten Mengenverhältnis zti einem Mischkristall umformt, wenn man weiterhin Moly bdänkarbid und Titankarbid (die gleichfalls weitestgehend Mischkristalle bilden) in geeignetem Verhältnis miteinander mischt, so kann man aus diesen beiden Misch kristallpaaren leicht ein ternäres Misch kristall bilden, das nun Wolframkarbid, Titankarbid und Molybdänkarbid in ge wünschter Menge enthält.
Das anwesende Molybdänkarbid vermittelt gleichsam die sonst unmögliche Mischkristallbildung, und es ist wegen seiner dem Wolframkarbid weit gehend ähnlichen Eigenschaften auch sonst als nützlicher Bestandteil der Legierung an zusprechen.
Ähnliches gilt, wenn man ein Misch kristall aus hochgesättigtem Wolframkarbid und Molybdänkarbid einerseits und aus Tan- talka.rbid und Titankarbid anderseits her stellt, die dann zu einem quaternären Misch kristall auch mit Mengen Titankarbides, wie zum Beispiel von 1 G ro und mehr, umgebildet werden können, die sonst in das hochgesät tigte Wolframkarbid allein nicht einzuver leiben wären.
Die Erfindung isst aber durchaus nicht darauf beschränkt, dass man Karbide mischt, die aus Kohlenstoffverbindungen untereinan der verschiedener Elemente bestehen. Vielmehr fällt unter die Erfindung auch jedes Misch kristall, das aus verschiedenen gesättigten Karbiden desselben Elementes besteht, wie zum Beispiel aus Wolframmonokarbid und Wolframbikarbid.
Die Erfindung ist durchaus nicht darauf beschränkt, da.ss in ihr durchweg mindestens ternäre Mischkristalle der ver wendeten Karbide vorhanden sind, vielmehr genügt es, wenn sich wesentliche Mengen solcher Mischkristalle vorfinden, zum Bei spiel über<B>10%</B> der ganzen Hartlegierung, und zweckmässig annähernd oder über die Hälfte der anwesenden Karbide in der Hart legierung.
Enthält diese also etwa 5 bis 25 Hilfsmetalle, dann wird zweckmässig die Menge ternärer oder quaternärer Misch kristalle von Karbiden der dritten, vierten, fünften und loder sechsten Gruppe des perio dischen Systems sich auf annähernd etwa 35 bis 45% der Hartlegierung, und selbstver ständlich darüber bis zu 75 bis 95 %, be messen, 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 und besonders aus der Eisengruppe, in Mengen von etwa 5 bis 25 % der Legierung besteht.
Mindestmengen der aufzuwendenden Kar bidkomponenten sind deshalb schwer in Ge wichtsprozenten anzugeben, weil Titankarbid volumenmässig viermal so gross ist und dem entsprechend viermal so viel ausgibt, als Wolframkarbid. Die Mindestmenge der an zuwendenden Karbide, in Gewichtsprozenten angegeben, dürfte jedoch kaum 1 % unter schreiten.
Bei der Herstellung der Legierung wird man darauf zu achten haben, dass die zu Mischkristallpaaren zusammenzusetzenden Karbide in den vorgesehenen Mengen auch wirklich Mischkristalle bilden, und dass die so erhaltenen Mischkristalle wiederum mit dem andern Mischkristallpaar eine feste Lö sung (Mischkristall) ergeben. Ebenso wird aber auch das Hilfsmetall so auszuwählen sein, dass es nicht die vorgenommene Mi schung in unerwünschter oder unbeherrsch- barer Weise rückgängig macht oder ver ändert.
Als Karbide kommen für die Erfindung in Betracht insbesondere das Karbid des Siliciums, Bors, Titans, Zirkons, Vanadiums. Tantals, Niobs, Chroms, Molybdäns, Wolf- rams, Kobalts, Nickels, Eisens. Als Hilfs metalle kommen in erster Linie in Betracht die sogenannten Zähmetalle, dargestellt ins besondere durch Legieren von Metallen der Eisengruppe mit Metallen der vierten, fünf ten oder sechsten Gruppe des periodischen Systems.
Als besonders vorteilhaft hat sich bei spielsweise eine Legierung bewährt mit 60 bis<B>75%</B> Wolframkarbid, sei es in der Form W=C oder WC, oder im Mischkristall; Titan karbid 10 bis 25 % ;
llolybdänl@arbid 1 bis 25%; Kobalt, Nickel oder Eisen 5 bis 25%. Innerhalb dieser Grenzen wiederum ergab Titankarbid in Mengen von etwa 12 bis 18 und Molybdänkarbid in Mengen von etwa 1 bis<B>570</B> optimale Ergebnisse, wobei das Molybdänkarbid zur Bildung eines Misch kristallpaares mit Wolframkarbid, und Ti- tankarbid zur Bildung eines andern Misch kristallpaares mit Wolframkarbid benutzt wurde,
und zur Bildung des Mischkristalles aus dem ausserordentlich hochschmelzenden Titankarbid zweckmässig auch das höchst schmelzende Wolframkarbid benutzt wurde, während das niedriger schmelzende Molyb- dänkarbid auch mit einem niedriger schmel zenden Wolframkarbid zu einem Misch kristallpaar vereinigt wurde. Während die Zähmetalle der Eisengruppe untereinander weitgehend gleichwertig sind, mag im ange führten Sonderfall dem Kobalt manchmal der Vorzug gegeben werden.
Zur Herstellung der Hartmetallegierung wurden zunächst zwei Mischkristallpaare ge bildet, von denen das eine aus Molybdäii- karbid und Wolframkarbid, das andere aus Titankarbid und Wolframkarbid bestand, worauf diese beiden Paare zu einem ein zigen "ternären" Mischkristall vereinigt wur den, das nunmehr Wolframkarbid, Titankar- bid und Holybdänkarbid enthielt.
Die Bil dung der Mischkristalle wurde durch Erhit zung der Karbide auf 1600-bis 2000' C, vorzugsweise in neutraler und Kohle ent haltender Atmosphäre, erreicht. Auf gleiche Weise können ternäre usw. Mischkristalle ge bildet werden, indem man die zunächst erhal- teilen Mischkristalle auf gleiche Temperatur, oder eine höhere, his zii zirka 2600 erhitzt.
11-e anzuwendende Temperatur hängt von dein Schmelzpunkt der Karbide ab, von ihrer Löslielikeit und von der Temperaturdauer. Wenn eine Temperatur von etwa 1600 bis 2'600 " C angewandt. wird, reicht eine Erhit zung von 1 bis 4 Stunden regelmässig aus.
1)ie so erhaltenen Mischkristalle werden dann pulverisiert und mit den vorzugsweise in gleicher Weise pulverisierten Hilfs- inetallen gemischt, worauf das Sintern inner halb eines Temperaturbereiches von über <B>1200</B> bis zu etwa 1400 bis 16(_!0 C erfolgt.
Obwohl jeder Fachmann anhand der Be- ehreibung ohne weiteres die Erfindung praktisch aniienden kann, soll doch noch ein weiteres Beispiel zur Herstellung einer Hart- metallegierunggemäss der Erfindung gegeben -erden.
Diese besondere Werkzeuglegierung, die aus Wolframkurbid, Titankarbid, Molybdän- karbid und Hilfsmetallen der sechsten und ;tchten Gruppe des periodischen Systems be- stelit, kann folgendermassen hergestellt wer den:
a Gewichtsprozente ivlo,(_' und 4 Ge wichtsteile TiC werden pulverisiert, 20 bis <B>30</B> Stunden, vorzugsweise in einer Misch- rommel, innig gemischt und in einem Tiegel, vorzugsweise durch Induktion, während ein bis zwei Stunden auf 1600 bis '2000' C er hitzt, wodurch Mischkristalle aus ihnen ent stehen.
Ungefähr 65 Gewichtsprozent W=C und ungefähr 12 Gewichtsprozent TiC wer- den ?0 bis 36 Stunden pulverisiert und ge inischt und dann in gleicher Weise auf etwa 161l(1 bis 20(l0 ein bis zwei Stunden er hitzt.
Beide Sorten Mischkristalle werden dann wiederum pulverisiert und 10 bis 40 ,Stunden vorzugsweise in einer Mischtrommel, innig gemischt und sodann auf ungefähr 11-1N1 bis ?000" C. oder mehr, erhitzt. Dieser :Mischung. die ternäre Mischkristalle in we sentlicher Menge enthält, werden dann Hilfs- inetalle in Mengen von etwa 14%. beispiels weise<B>13</B> % Nickel und 1 % Chrom, zugesetzt.
Dieses Material wird dann nochmals, vor zugsweise in einer Mischtrommel, innig ge- mischt, indem man es 4 bis 24 Stunden darin lässt, worauf das so erhaltene Pulver in ge wünschte Gestalt gepresst und auf 1400 bis 1600 für etwa 1 bis 4 Stunden erhitzt und dann in gewünschter Weise schnell oder lang sam, oder erst schnell und dann langsam, oder erst langsam und dann schnell, abgekühlt wird.
Dieses Material ist in gleicher Weise für Stahl, Halbstahl und Gusseisen in höchstem .Masse geeignet.
Eine andere Zusammensetzung kann aus zwei llischkrista,llpaaren gebildet werden, von denen das eine Paar ungefähr 8 % TiC und 35 % TaC, das andere Paar ungefähr 8 TiC und 35 % MV::C liefert. Jedes dieser Paare wird in der vorbeschriebenen Weise herge stellt, worauf beide Paare innig gemischt und wiederum auf ungefähr<B>1600</B> bis 2000 C oder mehr erhitzt werden, wodurch neue Mischkristalle' aus ihnen entstehen. Nach Hinzufügung von Hilfsmetallen kann die 1Mischung geformt und gesintert werden.
Es können jedoch auch zwei Paare von Misch kristallen hergestellt werden, von denen das eine ungefähr 8 % TiC und 10% Mo=C lie fert, während das andere 60 % W-,C und 15 Mo2C liefert, -vorauf beide Paare zur Bil dung ternärer Mischkristalle vereinigt wer den, denen dann etwa 7 % Kobalt als Hilfs metall 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 Misch luistalle zu einem neuen einzigen vereint wer den, übersteigt dessen Härtegrad wiederum denjenigen der binären Mischkristalle, aus denen es zusammengesetzt ist. Ausserdem können auf diese Weise bestimmte Karbide, wie zum Beispiel das sehr wichtige Titan karbid, dem schliesslich erhaltenen Körper einverleibt werden, die sonst schwer einzu verleiben sind.
Weiterhin wird auch eine ausserordentlich gleichmässige Verteilung aller enthaltenen Karbide im ganzen Körper erreicht und die vollständige gegenseitige Durchdringung gesichert.