Hochverschleissfester, gesinterter Werkstoff aus Aluminiumoxyd und Schwermetallkarbiden und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen hochverschleissfesten Werkstoff aus Aluminiumoxyd und Schwermetallkar- biden, insbesondere für die Zerspannung, und ein Ver fahren zu dessen Herstellung.
Mit der Erfindung der Hartmetalle war es gelun gen, Metallkarbide der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems, die sich durch hohe Härte aus zeichnen, für die Zerspanungstechnik erfolgreich ein zusetzen. Es war naheliegend, auch nichtmetallische Hartstoffe auf ihre Eignung als Schneidwerkstoffe zu untersuchen.
Insbesondere Aluminiumoxyd (A103), das als Korund schon lange als Schleifmittel technisch ver wendet wurde, schien wegen seiner hohen Härte, Schmelztemperatur und Verschleissfestigkeit als Schneidwerkstoff geeignet.
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, Schneidwerkstoffe auf A403-Grundlage zu entwik- keln, die in der Folge auch zu brauchbaren Ergeb nissen geführt haben. Diese oxydkeramischen Schneidwerkstoffe enthielten neben A1.03 vorzugs weise Zusätze bis zu 1 % an Metallsalzen, wie z. B. MgF, oder MgCl,.
Der Vorteil dieser oxydkeramischen Schneid werkstoffe liegt in der hohen Härte und Verschleiss- festigkeit sowie in der höheren Warmbiegefestigkeit gegenüber den gebräuchlichen Hartmetallsorten. So zeigt die Warmbiegefestigkeit der oxydkeramischen Schneidwerkstoffe bis zu Temperaturen von 10000 C keine Änderung, während die Biegefestigkeit von Sinterhartmetallen bereits bei Temperaturen um 600o C abfällt.
Ein weiterer Vorteil der oxydkeramischen Schneidwerkstoffe besteht offensichtlich darin, dass infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit ein Maxi- mum der bei dem Zerspanungsvorgang entstehenden Wärme in den Span geleitet wird, während nur ein Minimum über den Schneidwerkstoff in das Werk zeug abgeleitet wird. Dadurch wird die plastische Verformung bei der Spanbildung günstig beeinflusst.
Des weiteren entfällt bzw. wird stark herabgesetzt die von der Zerspanung mit Hartmetall her bekannte Kolkbildung, weil die Verschweissung und Diffusion zwischen ablaufendem Span und Schneidwerkstoff sehr gering ist. Schliesslich entfällt der Einfluss der Oxydation, der sich auch beim Zerspanungsvorgang mit Hartmetallen ungünstig auf die Verschleissbil dung des Werkzeuges auswirkt.
Diesen Vorteilen stehen jedoch auch wesentliche Nachteile gegenüber, die insbesondere bei einem Vergleich mit Hartmetallwerkzeugen die Verwendung von Keramikschneiden nicht empfehlenswert erschei nen lassen. Die Zähigkeit aller bisher bekannten oxydkeramischen Schneidwerkstoffe ist gegenüber Hartmetall sehr gering.
So beträgt die Biegebruch festigkeit im Durchschnitt weniger als 30 kg,/mm2. Diese geringe Zähigkeit erlaubt auch nur den Einsatz für leichte Schnittbedingungen. Die geringe Wärme leitfähigkeit bedingt nur eine begrenzte Wärmewech- selbeständigkeit, die sich insbesondere beim Schleifen ungünstig auswirkt und das Auftreten von Span nungsrissen und Ausbrüchen begünstigt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese oxydkeramischen Schneidwerkstoffe nur unter oxydie render Atmosphäre gesintert werden können. In Anbetracht der hohen Sintertemperatur von 1750o C und mehr entstehen aber dadurch bei der produk- tionsmässigen Herstellung erhebliche Schwierigkeiten, die ihren Niederschlag in hohen Herstellungskosten finden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist man dazu übergegangen, den herkömmlichen oxydkeramischen Schneidwerkstoffen Metalle in Mengen bis zu 40 % hinzuzufügen. Man hat hiermit das Gebiet der Metall oxyd-Metallverbundkörper, d. h., der sogenannten Cermets , betreten. Es sind die verschiedensten metallischen Zusätze für diesen Zweck verwendet worden, so z. B.
Metalle der Eisengruppe, aber auch Schwermetalle wie Wolfram und Molybdän. Auf diese Weise gelang es, die Wärmeleitfähigkeit der oxydkeramischen Schneidwerkstoffe beträchtlich zu erhöhen, allerdings unter Beeinträchtigung der Ge samthärte dieser Verbundkörper. Die Sinteratmo- sphäre muss bei derartigen Cermets reduzierender Art sein, wodurch sich eine bessere ofentechnische Be herrschung des Sintervorganges bei höheren Tempe raturen ergibt.
Sehr vorteilhaft hat sich Molybdän als metallische Zusatzkomponente erwiesen. In diesem Falle ist es zweckmässig, die Sinterung in einer CO-haltigen At mosphäre durchzuführen, da sich hierdurch ein ver- schleissfesterer Metalloxyd-Metallverbundkörper er gibt.
Eine derartige Arbeisweise hat aber den Nach teil, dass sich in einer solchen Schutzatmosphäre aus CO schlecht kontrollierbare Vorgänge abspielen, die die Bildung von Metall-Kohlenstoff-Verbindungen zum mindesten an der Oberfläche der Formstücke hervorrufen.
In neuerer Zeit hat man deshalb versucht, einen Metalloxyd-Metallkarbid-Verbundkörper als Schneid werkstoff zu entwickeln. Neben Aluminiumoxyd als oxydische Grundkomponente enthält ein derartiger Verbundkörper bis zu 70 % an Schwermetallkarbi- den als weitere Komponente. Besonders vorteilhaft hat sich ein Zusatz von 40 bis 50 Gew.-% an Mo lybdänkarbid (Mo2C) erwiesen.
Ein solcher Verbund körper besitzt nicht nur den Vorteil einer höheren Verschleissfestigkeit, sondern gestattet auch eine Sin- terung unter reduzierender Atmosphäre, wie meist in der Hartmetalltechnik üblich, durchzuführen.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass eine weitere Verbesserung der Schneidfähigkeit der hochverschleissfesten gesinterten Wirkstoffe aus Aluminiumoxyd und Schwermetallkarbiden dadurch zu erreichen ist, dass der Werkstoff zu 5-70 % aus Mischkristallen von Karbiden mehrerer Metalle der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems besteht.
Unter den vielen Möglichkeiten, die sich be züglich der Art und Zusammensetzung der Misch kristalle ergeben, hat sich die Verwendung eines Wolfram-Molybdän-Mischkarbides als besonders ge eignet vor allem dann erwiesen, wenn bei der Her stellung des Mischkarbides auf die Erzielung einer besonders grossen Feinkörnigkeit geachtet wird. Es resultiert daraus auch ein sehr feinkörniges Gefüge des gesinterten Endproduktes, welches neben gerin ger Porosität eine sehr gute Zähigkeit aufweist. Die Verwendung von Mischkarbiden, wie z.
B. der oben beschriebenen WC-Mo,C-Mischkristalle, hat ausser- dem noch den Vorteil, dass die Metalloxyd-Metall- karbid-Presslinge eine sehr gute Sinterfreudigkeit zei gen und dass die Sehwindung beim Sintern in ziemlich engen Toleranzen zu beherrschen ist. Ferner hat sich ergeben, dass die optimale Sintertemperatur, die zur Erzielung besonders hochwertiger Produkte führt, nicht in so engen Grenzen eingehalten zu werden braucht, wie dies bei den bisher bekannten oxydkeramischen Schneidwerkstoffen der Fall ist.
Zur Verbesserung der Sinterfähigkeit des erfin- dungsgemässen Metalloxyd-Metallkarbid-Verbund- stoffes können demselben beim Aufbereitungsprozess sinterfördernde bzw. diffusionserleichternde Zusätze an Metallen oder Metall-Legierungen der Eisen gruppe zugesetzt werden.
Ein Metalloxyd-Metallkarbid-Verbundstoff nach der Erfindung kann nach folgendem Verfahren her gestellt werden: Bei der Herstellung des Verbund werkstoffes wird von Aluminiumoxyd (A1,03) äusser- ster Feinkörnigkeit und Reinheit ausgegangen,
das nach einem Mahlvorgang durch einen Kalzinierungs- prozess in die a-Modifikation übergeführt. Die Her stellung der Karbid-Mischkristalle erfolgt in der aus der Pulvermetallurgie bekannten Weise und muss ver- fahrentechnisch auf die chemischen und insbesondere auf die physikalischen Eigenarten der zur Verwen dung kommenden Karbide abgestimmt werden. Um eine vollkommene Mischkristallphase ohne Einzel karbidkomponenten zu erhalten, ist von Mischungs verhältnissen auszugehen, in deren Bereich eine voll kommene Löslichkeit auftritt.
Die karburierte und in Form von Mischkristallen vorliegende Karbidlegie- rung wird längere Zeit in Vibratormühlen mit Hart-- metallkugeln nass gemahlen und anschliessend ge trocknet und gesiebt. Bei dem Mahlvorgang können sinterfördernde Zusätze von Metallen oder Metall- Legierungen der Eisengruppe zugesetzt werden.
Ein Teil dieser Metallzusätze kann auch schon vor der Karburierung beigegeben werden, da hierdurch die Mischkristallbildung erleichtert wird. Die Mischkri stalle bildende Karbidlegierung wird nun mit dem aufbereiteten Aluminiumoxyd gemischt, was zweck mässig in Trommelmühlen mit Hilfe von Porzellan kugeln und unter Anfeuchten mit Methylalkohol ge schieht. Das Pressen des feingemahlenen und getrockneten Gemisches erfolgt unter Verwendung von presserleichternden Substanzen wie Glykol, Kautschuklösungen und dergleichen auf hydrauli schen Pressen.
Die gepressten Formkörper können nun vorgesintert und in diesem Zustand einer weite ren Formgebung unterzogen werden. Die Vorsinte- rung ist zweckmässig, aber nicht unbedingt notwen dig. Die Fertigsinterung wird im mit Wasserstoff durchspülten Kohlerohr-Widerstandsofen vorgenom men. Die Presslinge werden dabei zweckmässig in Edelkorund eingebettet.
In dem nachstehenden Ausführungsbeispiel wird ein erfindungsgemässer Verbundwerkstoff sowie des sen Herstellung beschrieben. Der Verbundstoff soll in fertigem Zustand folgende Zusammensetzung auf weisen: 60 % A1203, 40 % WC-Mo± Mischkri stalle.
Zur Herstellung der Karbidmischkristalle wird ein Gemisch von Molybdän und Wolframmetallpul- ver und Kohlenstoff im stöchiometrischen Verhältnis so angesetzt, dass bei der Karburierung entstehen 47 Gew.-% MO.C, 53 Gew.-% WC.
Die Karburierung erfolgt bei 1500-16000 C unter Wasserstoff. Bei diesem chemischen Prozess tritt gleichzeitig die Mischkristallbildung ein. Es be steht auch die Möglichkeit, die Karbidmischungen im entsprechenden Verhältnis anzusetzen und diese Karbidmischungen auf die Mischkristallbildungstem- peratur zu erhitzen, so dass hierdurch eine von der Karburierung unabhängige Mischkristallbildung er reicht wird.
Erfahrungsgemäss erfordert jedoch eine derartige Verfahrensweise längere Behandlungszeiten. Die Karbidmischkristalle werden nun, wie beschrie ben, gemahlen, mit A1203 gemischt und bei einem Pressdruck von 0,5 t/cml- gepresst. Die Sinterung er folgt im Kohlerohr-Widerstandsofen unter Wasser stoff bei etwa 18500 C.
Soll vor der Fertigsinterung vorgesintert werden, so ist dies bei etwa 12000 C durchzuführen. Als sinterfördernde Zusätze können Metalle oder Metallegierungen der Eisengruppe zu gesetzt werden, u. zw. in Höhe von 0,5 bis 5 % vom Mischkarbidanteil. Ein nach dem Ausführungsbeispiel hergestellter Verbundkörper weist folgende Durch schnittswerte auf :
Härte R_x ", 93, Biegebruchfestig- keit = 40-45 kg/mm2.
Gegenüber den bekannten Verbundstoffen auf A1203-Schwermetallkarbidgrundlage wird eine Erhö hung der Biegebruchfestigkeit um 15-25 kg/mm2 er reicht. Der erfindungsgemässe Werkstoff ist auf Grund seiner Festigkeitseigenschaften sehr gut für die spangebende Bearbeitung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen geeignet. Er weist ge genüber den bereits bekannten Metalloxyd-Metallkar- bid-Verbundstoffen ein wesentlich besseres Stand zeitverhalten auf.
Es haben beispielsweise Versuche ergeben, dass ein Erfindungsgemässer Schneidwerk stoff bei der Zerspanung von Stahl mit 85 kg/mm2 Festigkeit bei einem Vorschub von s = 0,2 mm/ Umdr., einer Spantiefe a = 2 mm und einer Schnitt- geschwindigkeit von v = 300 m/min eine Standzeit von 700 Minuten aufweist. Demgegenüber war bei dem unter gleichen Bedingungen eingesetzten be kannten Schneidwerkstoff auf Aluminiumoxyd- Schwermetallkarbidgrundlage nur eine Standzeit von etwa 120 Minuten zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verbundstoffes ist darin zu sehen, dass die Sinterung von Aluminiumoxyd und einer Schwermetallkarbidlegierung, die als feste Lö sung, also in Form von Mischkristallen vorliegt, im Hinblick auf Änderungen der Sintertemperaturen wesentlich unempfindlicher ist, als die bekannten Verbundstoffe, die dadurch hergestellt werden, dass Aluminiumoxyd mit einem Gemisch von Metallkar- biden gesintert wird.
Ausserdem ist es bei Verbund stoffen nach der Erfindung infolge der vorhandenen Karbidmischkristalle wesentlich einfacher, den Koh- lenstoffhaushalt zu regeln.
Highly wear-resistant, sintered material made of aluminum oxide and heavy metal carbides and method for its production The invention relates to a highly wear-resistant material made of aluminum oxide and heavy metal carbides, in particular for machining, and a method for its production.
With the invention of hard metals it was possible to produce metal carbides of the IV., V. and VI. Group of the periodic system, which are characterized by high hardness, can be used successfully for machining technology. It made sense to also examine non-metallic hard materials for their suitability as cutting materials.
In particular, aluminum oxide (A103), which has long been used technically as an abrasive as corundum, seemed suitable as a cutting material because of its high hardness, melting temperature and wear resistance.
There has therefore been no lack of attempts to develop cutting materials on the basis of A403, which have subsequently led to useful results. These ceramic oxide cutting materials contained in addition to A1.03 preferential additives of up to 1% of metal salts, such as. B. MgF, or MgCl ,.
The advantage of these oxide-ceramic cutting materials lies in their high hardness and wear resistance as well as in the higher hot bending strength compared to the common types of carbide. The hot flexural strength of the oxide-ceramic cutting materials shows no change up to temperatures of 10,000 C, while the flexural strength of sintered carbides already drops at temperatures around 600o C.
Another advantage of the oxide-ceramic cutting materials is that, due to the low thermal conductivity, a maximum of the heat generated during the machining process is conducted into the chip, while only a minimum is dissipated into the tool via the cutting material. This has a positive effect on the plastic deformation during chip formation.
Furthermore, the crater formation known from machining with hard metal is eliminated or greatly reduced because the welding and diffusion between the chip and the cutting material is very low. Finally, there is no influence of oxidation, which also has an unfavorable effect on tool wear during the machining process with hard metals.
However, these advantages are also offset by significant disadvantages, which make the use of ceramic cutters not advisable, especially when compared with hard metal tools. The toughness of all previously known oxide-ceramic cutting materials is very low compared to hard metal.
The bending strength is on average less than 30 kg / mm2. This low toughness only allows use for light cutting conditions. The low thermal conductivity results in only a limited resistance to thermal changes, which has an unfavorable effect, particularly when grinding, and promotes the occurrence of stress cracks and breakouts.
Another disadvantage is that these oxide-ceramic cutting materials can only be sintered in an oxidizing atmosphere. In view of the high sintering temperature of 1750o C and more, however, considerable difficulties arise during production, which are reflected in high production costs.
To avoid these disadvantages, a move has been made to add metals in amounts of up to 40% to the conventional oxide-ceramic cutting materials. One has hereby the field of metal oxide-metal composite bodies, d. i.e., the so-called cermets. A wide variety of metallic additives have been used for this purpose, e.g. B.
Metals of the iron group, but also heavy metals such as tungsten and molybdenum. In this way it was possible to increase the thermal conductivity of the oxide-ceramic cutting materials considerably, but with an impairment of the overall hardness of these composite bodies. With such cermets, the sintering atmosphere must be of a reducing nature, which results in better control of the sintering process in the furnace at higher temperatures.
Molybdenum has proven to be very advantageous as an additional metallic component. In this case it is advisable to carry out the sintering in a CO-containing atmosphere, since this results in a more wear-resistant metal-oxide-metal composite body.
However, such a way of working has the disadvantage that in such a protective atmosphere made of CO, processes that are difficult to control take place, which cause the formation of metal-carbon compounds at least on the surface of the molded pieces.
In recent times, attempts have therefore been made to develop a metal oxide-metal carbide composite body as a cutting material. In addition to aluminum oxide as the basic oxidic component, such a composite body contains up to 70% heavy metal carbides as a further component. An addition of 40 to 50% by weight of molybdenum carbide (Mo2C) has proven particularly advantageous.
Such a composite body not only has the advantage of higher wear resistance, but also allows sintering to be carried out under a reducing atmosphere, as is usually the case in hard metal technology.
It has now surprisingly been found that a further improvement in the cutting ability of the highly wear-resistant sintered active ingredients made of aluminum oxide and heavy metal carbides can be achieved if the material consists of 5-70% mixed crystals of carbides of several metals of the IV., V. and VI. Group of the periodic table.
Among the many possibilities that arise with respect to the type and composition of the mixed crystals, the use of a tungsten-molybdenum mixed carbide has proven to be particularly suitable, especially when the production of the mixed carbide is aimed at achieving a particularly large one Fine grain is respected. This also results in a very fine-grain structure of the sintered end product, which, in addition to low porosity, has very good toughness. The use of mixed carbides, such as.
B. the WC-Mo, C mixed crystals described above, also has the advantage that the metal oxide-metal carbide compacts are very easy to sinter and that the visual curl during sintering can be controlled within fairly narrow tolerances. Furthermore, it has been shown that the optimum sintering temperature, which leads to the achievement of particularly high-quality products, does not need to be maintained within such narrow limits as is the case with the previously known oxide-ceramic cutting materials.
To improve the sinterability of the metal oxide-metal carbide composite according to the invention, sinter-promoting or diffusion-facilitating additives of metals or metal alloys of the iron group can be added to it during the preparation process.
A metal oxide-metal carbide composite according to the invention can be produced according to the following process: In the production of the composite material, aluminum oxide (A1, 03) of extremely fine grain and purity is assumed,
which is converted into the a-modification by a calcination process after a grinding process. The carbide mixed crystals are produced in the manner known from powder metallurgy and the process technology must be adjusted to the chemical and, in particular, the physical characteristics of the carbides used. In order to obtain a perfect mixed crystal phase without individual carbide components, mixing ratios must be assumed in the area of which complete solubility occurs.
The carburized carbide alloy, in the form of mixed crystals, is wet ground in vibrator mills with hard metal balls for a long time and then dried and sieved. During the grinding process, sinter-promoting additives of metals or metal alloys of the iron group can be added.
Some of these metal additives can also be added before the carburization, as this facilitates the formation of mixed crystals. The Mischkri stalle forming carbide alloy is now mixed with the processed aluminum oxide, which is conveniently done in drum mills with the help of porcelain balls and moistening with methyl alcohol ge. The pressing of the finely ground and dried mixture is carried out on hydraulic presses using substances that facilitate the press, such as glycol, rubber solutions and the like.
The pressed moldings can now be pre-sintered and, in this state, subjected to further shaping. Pre-sintering is useful, but not absolutely necessary. The final sintering is carried out in a carbon tube resistance furnace flushed with hydrogen. The pellets are expediently embedded in high-grade corundum.
In the following exemplary embodiment, a composite material according to the invention and its production are described. The composite should have the following composition in the finished state: 60% A1203, 40% WC-Mo ± mixed crystals.
To produce the carbide mixed crystals, a mixture of molybdenum and tungsten metal powder and carbon is used in a stoichiometric ratio in such a way that the carburization results in 47% by weight MO.C, 53% by weight WC.
The carburization takes place at 1500-16000 C under hydrogen. In this chemical process, mixed crystal formation occurs at the same time. It is also possible to prepare the carbide mixtures in the appropriate ratio and to heat these carbide mixtures to the mixed crystal formation temperature so that mixed crystal formation independent of the carburization is achieved.
However, experience has shown that such a procedure requires longer treatment times. The carbide mixed crystals are then, as described ben, ground, mixed with A1203 and pressed at a pressure of 0.5 t / cml-. Sintering takes place in a carbon tube resistance furnace under hydrogen at around 18500 C.
If pre-sintering is to be carried out before final sintering, this must be carried out at around 12000 C. As sintering additives, metals or metal alloys of the iron group can be used, u. between 0.5 and 5% of the mixed carbide content. A composite body produced according to the exemplary embodiment has the following average values:
Hardness R_x ", 93, bending strength = 40-45 kg / mm2.
Compared to the known composites based on A1203 heavy metal carbide, the flexural strength is increased by 15-25 kg / mm2. Because of its strength properties, the material according to the invention is very well suited for machining metallic and non-metallic materials. Compared to the already known metal oxide-metal carbide composites, it has a much better service life.
For example, tests have shown that a cutting material according to the invention can be used when cutting steel with a strength of 85 kg / mm2 at a feed rate of s = 0.2 mm / rev., A cutting depth of a = 2 mm and a cutting speed of v = 300 m / min has a service life of 700 minutes. In contrast, with the known cutting material based on aluminum oxide heavy metal carbide used under the same conditions, only a service life of about 120 minutes was achieved.
Another advantage of the composite according to the invention is that the sintering of aluminum oxide and a heavy metal carbide alloy, which is present as a solid solution, i.e. in the form of mixed crystals, is significantly less sensitive to changes in the sintering temperatures than the known composites that result from this be made that aluminum oxide is sintered with a mixture of metal carbides.
In addition, in the case of composite materials according to the invention, because of the carbide mixed crystals present, it is much easier to regulate the carbon balance.