Hartmetallegierung Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gesin terte Hartmetallegierung, insbesondere auf eine Legierung, die unter dem Namen gesintertes Doppel karbid bekannt ist, welche aus Wolframkarbid- kristallen, mindestens einem zweiten Karbid, z. B. Titankarbid, Tantalkarbid, Zirkonkarbid oder Niob- karbid, und mindestens einem Hilfsmetall, das z. B. Eisen, Kobalt oder Nickel oder eine Mischung der selben ist, besteht.
Vorliegende Erfindung betrifft ins besondere Hartmetalle des erwähnten Typus, die sich in hohem Masse zur Bearbeitung und Zerspanung von Stahl und Eisenlegierungen eignen.
Die heutigen zur Herstellung von Zerspanungs- werkzeugen und dergleichen verwendeten Legierungen kennzeichnen sich durch die feine Körnung des Wolframkarbids und durch die Verwendung eines Hilfsmetalls. Die gegenwärtig hergestellten Legierun gen enthalten Wolframkarbidkristalle, die hauptsäch lich in einem Grössenbereich von 0,5 bis 10 Mikron liegen. Ein üblicher Bereich ist 3 bis 8 Mikron. Die Menge des in normalen Doppelkarbiden verwendeten Bindemetalls beträgt in der Regel bis zu etwa 20 Gew. der Legierung.
Ein niedriger Gehalt an Hilfsmetall ergibt eine maximale Verschleissfestigkeit, während ein hoher Hilfsmetallgehalt zur Schaffung einer maxi malen Zähigkeit und minimalen Stossempfindlichkeit verwendet wird. Es wird jedoch allgemein ange nommen, dass die Verwendung von weniger als 5 Gew. Bindemetall unpraktisch ist, da gewöhnlich ein Bre chen, Absplittern oder Zerreissen der Werkzeuge die Folge ist. In einem Versuch, die Sprödigkeit zu über winden, hat man bei diesen Anwendungen Zuflucht genommen zu kleinen Änderungen in der Korngrösse des Karbids. Ferner wird gewöhnlich ein sekundäres Karbid, z. B.
Titan-, Tantal-, Zirkon- oder Niobkarbid, in Mischungen dieser Art für die spanabhebende Be arbeitung von Stahl verwendet, um den Doppelkar- biden Beständigkeit gegen porige Stellen, welche durch Schweissen und Erosion in dem zu bearbeitenden oder zu zerspanenden Material entstehen, zu verleihen.
Die Doppelkarbide dieser Kategorie, die sich bis heute technisch bewährt haben, sind dadurch gekenn zeichnet, dass sie einen grossen Teil des Wolfram karbids und alles oder beinahe das ganze sekundäre Karbid, wie z. B. Titankarbid, in Form einer festen Lösung aufweisen. Die mit diesen Stoffen erreichten guten Resultate hat man der Anwesenheit eines Karbids in fester Lösung im gesinterten Produkt zu geschrieben. Frühere Untersuchungen haben tatsäch lich auf die Wichtigkeit hingewiesen, die Bildung einer festen Lösung in irgendeiner gegebenen Mi schung so vollständig wie nur möglich zu fördern.
Ferner wurde bei Materialien, die ausser Wolfram karbid und einem zusätzlichen Hilfsmetall ein zweites Karbid, z. B. Titankarbid, enthalten, immer wieder in der Literatur und in früheren Patenten angegeben, dass für die beste Leistung so viel Wolframkarbid wie möglich im sekundären Karbid in der Lösung sein sollte.
Auch war man der Meinung, dass für die Her stellung von üblichen Doppelkarbiden eine Korn grösse von 1 bis 10 Mikron die zweckmässigste wäre. In der heutigen Praxis würde man eine Korngrösse von 25 Mikron als sehr ungewöhnlich betrachten, da der Durchschnitt für die meisten heute hergestellten Materialien etwa 3 Mikron beträgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft zum erstenmal gesinterte Doppelkarbide, die eine grössere Zähigkeit und einen grösseren Verschleisswiderstand besitzen, als nach den heutigen Begriffen zu erwarten wäre. Die Erfindung beruht auf neuen Auffassungen, die den früher akzeptierten Begriffen hinsichtlich Kristall grösse sowie fester Lösung völlig widersprechen.
Die erfindungsgemässe Legierung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass die grösste Abmessung der Wolfram karbidkristalle innerhalb des Bereiches von 25 bis 250 Mikron liegt. (Statt von der grössten Abmessung wird im folgenden lediglich von der Grösse der Kristalle gesprochen.) Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung der Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung einer selektierten Korngrösse in einer Kugelmühle zuerst das zusätzliche Karbid, das Hilfs metall und ein Teil des Wolframkarbids gemahlen, darauf das restliche Wolframkarbid zugegeben und gemahlen und anschliessend die Mischung gesintert wird.
Die Wichtigkeit der Unterschiede in der Kristall grösse des in der erfindungsgemässen Legierung ver wendeten Wolframkarbids im Vergleich mit den ge wöhnlichen Doppelkarbiden lässt sich am besten an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutern: Fig. 1 und 2 sind Mikroaufnahmen und zeigen bei 1500- bzw. 200facher linearer Vergrösserung ein erfin dungsgemäss verwendetes Wolframkarbid, und Fig. 3 und 4, ebenfalls Mikroaufnahmen, zeigen bei 1500- bzw. 200facher linearer Vergrösserung ein Doppelkarbid mit Wolframkarbidkristallen der übli chen Grösse.
In allen Figuren stellen die grossen eckigen Kristalle Wolframkarbid dar.
Gemäss vorliegender Erfindung ist das Vorhanden sein von sehr grossen Wolframkarbidkristallen im gesinterten Doppelkarbid als sehr zweckmässig er mittelt worden, und es entsteht ein gesintertes Doppel karbid mit maximaler Verschleissfestigkeit und Zähig keit. Auf diese Weise hat man gefunden, dass Doppel- karbide mit in einigen Fällen Wolframkarbidkristallen bis zu 250 Mikron und mit einer relativ grossen Anzahl Wolframkarbidkörnern in der 25- bis 150-Mikron- Kategorie bedeutend besser sind, als die entsprechen den üblichen Legierungen.
Es wird darauf hinge wiesen, dass dieser Bereich beträchtlich grösser ist, als die bisher angenommenen oder verwendeten Grenzen für die Korngrösse, nämlich bis zu zehnmal höher.
Der hier verwendete Ausdruck makrokristallini sches Wolframkarbid bezeichnet grosse Körner oder Kristalle des Wolframkarbids mit einer Grösse zwi schen 25 und 250 Mikron.
Ein zweiter ganz neuer Begriff der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von makrokristal linischem Wolframkarbid zwecks Verhinderung oder Herabsetzung der Bildung von Karbiden in fester Lösung. Dies steht in direktem Gegensatz zu den heutigen Begriffen, nach welchen festen Lösungen gewisse Vorteile zugeschrieben werden. Es ist gefunden worden, dass durch Verhinderung der Bildung von Karbiden in fester Lösung ein Teil des Wolframkarbids durch grössere Mengen sekundäre Karbide, z. B. Titankarbid, ersetzt werden kann.
Ferner kann die Erhöhung des Gehalts an sekundären Karbiden, wie Titankarbid, ohne merkliche Verminderung der Zähig keit erfolgen, wenn die hier beschriebene Korngrösse des Wolframkarbids eingehalten und die Bildung von Karbiden in fester Lösung verhindert wird. In Wirk lichkeit wird bei Verwendung von gröberen Wolfram karbidkörnern die Zähigkeit weiter gesteigert. Durch die Verwendung solcher gröberer Karbide wird das Bindemittel verstärkt, und das Endresultat ist ein Produkt mit verbesserter Zähigkeit.
Ein weiterer aus der hier beschriebenen Verwen dung von makrokristallinischem Wolframkarbid her vorgehender wesentlicher Vorteil ist die Verminderung des erforderlichen Bindemetallgehalts im Vergleich zu den meisten gegenwärtigen handelsüblichen Doppel- karbiden; zum Beispiel kann der gegenwärtig in han delsüblichen gesinterten Doppelkarbiden für die span gebende Bearbeitung von Stahl angewendete Binde metallgehalt von 5 bis 12 Gew.% auf etwa 1,5 bis 10 Gew.% in den erfindungsgemässen Legierungen herabgesetzt werden.
Der Hauptvorteil bei der Herab setzung des Bindemetallgehalts ist, dass mehr hartes Karbid, welches im wesentlichen verantwortlich ist für die Wirksamkeit des Zerspanungswerkzeuges und das eigentliche Schneiden bewirkt, in den Mischungen verwendet werden kann.
Die grobkörnigen hier beschriebenen Wolfram- karbide können mit Ausnahme einiger Veränderungen nach den gegenwärtig für die Herstellung von gewöhn lichen Doppelkarbiden verwendeten Verfahren her gestellt werden. Eine wichtige Änderung in der Her stellung dieser Legierungen ist die doppelte Behand lung in einer Kugelmühle, wobei in der ersten Behand lung das sekundäre Karbid und das Bindemetall ge mahlen werden. Bei dieser ersten Mahlung kann auch ein Teil des Wolframkarbids vorhanden sein. Die zweite Behandlung in der Kugelmühle dauert verhält nismässig kurz, wobei nur das grobe Wolframkarbid zugegeben wird.
Durch diese Methode wird eine zu starke Zermahlung der gröberen Körner vermieden.
Bei der Herstellung der erfindungsgemässen Doppel- karbide können wechselnde Mengen Wolframkarbid verwendet werden. In der Regel ist eine Wolfram karbidmenge von etwa 60 bis 90 Gew.%, auf die Legierung bezogen, vorteilhaft.
Sekundäre Karbide, die sich zur Herstellung der gegenwärtigen Legierungen eignen, sind unter an derem Titan-, Tantal-, Zirkon- und Niobkarbid. Die Mengen des sekundären Karbids können innerhalb weiter Grenzen geändert werden, z. B. von etwa 5 bis etwa 30 Gew.%, auf das Endprodukt bezogen. Die Korngrösse der verwendeten sekundären Karbide kann im üblichen Bereich von 0,5 bis 10 Mikron liegen.
Bindemetalle, die sich eignen für die Herstellung der erfindungsgemässen Legierungen, sind unter an derem Kobalt, Nickel und Eisen, die, bezogen auf das Gewicht des Endproduktes, in Mengen von etwa 1,5 bis etwa 10% verwendet werden können. Von all diesen wird Kobalt als Bindemasse bevorzugt. Nickel oder Eisen können jedoch an Stelle, oder vermischt mit Kobalt, verwendet werden. Nickel kann also ganz oder teilweise das Kobalt ersetzen, oder die Hälfte des Nickels oder Kobalts können durch Eisen ersetzt werden. Wenn Metallgemische verwendet werden, sollte das Gesamtgewicht der Metalle vorzugsweise im ungefähr gleichen Bereich liegen.
Obschon zur Herstellung der erfindungsgemässen Legierungen Wolframkarbidkristalle bis zu 250 Mi- kron mit Vorteil verwendet werden können, liegt der Wolframkarbidanteil vorwiegend (50 oder mehr Gew.% oder Vol.% des Wolframkarbids) im Bereich von 25 bis 150 Mikron. Es versteht sich jedoch, dass ab und zu Körner unter und über diesem Bereich in der Mischung vorhanden sein können.
Um die Aus führung vorliegender Erfindung besser verständlich zu machen, werden die folgenden spezifischen Bei spiele von Legierungen, die zur Herstellung von Zer- spanungswerkzeugen dienen, angeführt. Die Grösse der für die Legierungen verwendeten Wolframkarbid- körner beträgt 25 bis 250 Mikron, vorwiegend 25 bis <B>150</B> Mikron. Die Gehalte sind mit Gew.% und Vol. 0/" angegeben.
EMI0003.0017
<I>Beispiel <SEP> 1</I> <SEP> Gew. <SEP> % <SEP> Vol. <SEP> %
<tb> Wolframkarbid <SEP> 74,3 <SEP> 50,0
<tb> Titankarbid <SEP> 21,4 <SEP> 45,0
<tb> Kobalt <SEP> 4,3 <SEP> 5,0
<tb> <I>Beispiel <SEP> 2</I>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 64,3 <SEP> 45,0
<tb> Titankarbid <SEP> 18,3 <SEP> 40,0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 13,3 <SEP> 10,0
<tb> Kobalt <SEP> 4,1 <SEP> 5,0
<tb> <I>Beispiel <SEP> 3</I>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 65,4 <SEP> 40,0
<tb> Titankarbid <SEP> 27,6 <SEP> 52,5
<tb> Kobalt <SEP> 3,5 <SEP> 3,75
<tb> Nickel <SEP> 3,5 <SEP> 3,75
EMI0003.0018
<I>Beispiel <SEP> 4</I> <SEP> Gew.
<SEP> % <SEP> Vol.
<tb> Wolframkarbid <SEP> 63,0 <SEP> 43,8
<tb> Titankarbid <SEP> 18,0 <SEP> 39,0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 12,9 <SEP> 9,7
<tb> Kobalt <SEP> 6,1 <SEP> 7,5
<tb> <I>Beispiel <SEP> 5</I>
<tb> Wolframkarbid <SEP> 61,5 <SEP> 42,5
<tb> Titankarbid <SEP> 17,6 <SEP> 38,0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 12,7 <SEP> 9,5
<tb> Kobalt <SEP> 8,2 <SEP> 10,0
<tb> <I>Beispiel <SEP> 6</I>
<tb> Wolframkarbid <SEP> <B>68,1</B> <SEP> 50,0
<tb> Titankarbid <SEP> 14,0 <SEP> 32,0
<tb> Tantalkarbid <SEP> <B>10,1</B> <SEP> 8,0
<tb> Kobalt <SEP> 7,8 <SEP> 10,0
<tb> <I>Beispiel <SEP> 7</I>
<tb> Wolframkarbid <SEP> <B>59,1</B> <SEP> 40,0
<tb> Titankarbid <SEP> 18,8 <SEP> 40,0
<tb> Tantalkarbid <SEP> 13,7 <SEP> 10,0
<tb> Kobalt <SEP> 8,4 <SEP> 10,
0 Aus den Legierungen der angeführten Beispiele wurden spangebende Werkzeuge hergestellt und diese mit Werkzeugen verglichen, zu deren Herstellung die heute allgemein erhältlichen gesinterten Carboloy- Doppelkarbide benutzt wurden, nämlich Grade 78, 78B, 78C und 370, heute hergestellt und verkauft durch General Electric Company, USA, die alle das übliche feinkörnige Wolframkarbid enthalten.
Es wurde ein Kurzprüfverfahren auf einem Stahlstab von etwa 25 cm Durchmesser durchgeführt unter folgen den Arbeitsbedingungen: Schnittgeschwindigkeit/min. 244 m Schnittiefe 3,175 mm Vorschubgeschwindigkeit/Umdr. 0,56 mm Unter diesen Versuchsbedingungen erhielt man folgende Standzeit der Werkzeuge
EMI0003.0029
Abnutzung <SEP> des
<tb> Werkzeuges <SEP> bis
<tb> Material <SEP> RA-Härte <SEP> Dichte <SEP> Standzeit <SEP> zur <SEP> völligen
<tb> Abstumpfung
<tb> mm
<tb> Carboloy <SEP> Grade <SEP> 78C <SEP> 91,0 <SEP> 13,45 <SEP> 35 <SEP> sec. <SEP> 0,99
<tb> <SEP> <SEP> 78B <SEP> 91,0 <SEP> 12,60 <SEP> 45 <SEP> sec. <SEP> 1,40
<tb> <SEP> <SEP> 78 <SEP> 92,0 <SEP> 11,80 <SEP> 4 <SEP> min. <SEP> 30 <SEP> sec.
<SEP> 0,43
<tb> <SEP> <SEP> 370 <SEP> 91,0 <SEP> 12,65 <SEP> 2 <SEP> min. <SEP> 15 <SEP> sec. <SEP> 0,40
<tb> Beispiel <SEP> 2 <SEP> 90,9 <SEP> 10,80 <SEP> 10 <SEP> min. <SEP> (@-) <SEP> * <SEP> 0,08
<tb> Beispiel <SEP> 4 <SEP> 90,9 <SEP> <B>10,80</B> <SEP> 13 <SEP> min. <SEP> 0,51
<tb> Beispiel <SEP> 7 <SEP> 90,4 <SEP> 10,54 <SEP> 13 <SEP> min. <SEP> 20 <SEP> sec. <SEP> 0,53
<tb> * <SEP> In <SEP> diesem <SEP> Fall <SEP> wurde <SEP> der <SEP> Versuch <SEP> vor <SEP> der <SEP> Abstumpfung <SEP> unterbrochen. Aus den vorgehenden Ergebnissen geht deutlich hervor, dass die Doppelkarbide der vorliegenden Er findung ein erheblicher 'FortsQhritt sind.
Wie gezeigt wurde, haben Werkzeuge, die aus Legierungen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, eine viel längere Standzeit als die normalen bisherigen Werk zeuge.
Materialien mit der gleichen Zusammensetzung wie jene in obigen Beispielen, die mit den üblichen feinen Wolframkarbidkörnern hergestellt wurden, versagten infolge Bruch, nach Ausführung obiger Versuche, wenn Werkzeuge daraus gemacht wurden, weil sie sehr hart waren und eine grosse Verschleiss festigkeit, jedoch keine Zähigkeit besassen.
Ausser für die Herstellung von Zerspanungswerk- zeugen können die erfindungsgemässen Legierungen auch z. B. bei Stahlbearbeitungsverfahren, wie Drehen, Fräsen, Ausbohren, Räumen, Formen usw., verwen det werden.