DD283160A5 - Hartmetallegierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hartmetallegierung, bestehend aus einer oder mehreren Hartstoffphasen und einer Bindemetallphase. Die erfindungsgemaesze Hartmetallegierung ist besonders guenstig dort anwendbar, wo einerseits oxidfreie und nicht bindemetallverarmte Oberflaechen notwendig und andererseits gute mechanische Eigenschaften erforderlich sind. Typische Anwendungsfaelle sind hartmetallbestueckte Bergbauwerkzeuge, Saegeblaetter, Schnittwerkzeuge und Preszstempel. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hartmetallegierung zu entwickeln, bei der nach Abschlusz der Hartmetallrohlingsherstellung ein Oberflaechenzustand erreicht wird, der guenstige Bedingungen fuer das Loeten und andere Verbundvarianten aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz die Ausgangspulvermischung bzw. der Hartmetallansatz 0,5 bis 5 * vorzugsweise 1 * Mangan oder Manganoxid enthaelt. Es ist zweckmaeszig, dasz der Zusatz des Mangans als Vorlegierung mit dem Bindemetall in der Ausgangspulvermischung enthalten ist.{Hartmetallegierung; Bergbauwerkzeuge; Saegeblaetter; Schnittwerkzeuge; Preszstempel; Oberflaechenzustand; Loeten; Mangan; Manganoxid; Ausgangspulvermischung}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Hartmetallegierung^estehend aus einer oder mehreren Hartstoffphasen und einer Bindemetallphase. Die Hartstoffphase kann WC oc'er andere Hartstoffe der Metalle der IV., V. und Vl. Nebengruppe des PSE oder deren Mischungen enthalten. Die Bindemetallphas.« beteht aus Co, Ni oder Fe oder aus Legierungen dieser Metalle mit Ausnahme austenitischer Bindemetallegierungen und ihr Anteil beträgt 2,5-30 Ma.-% an der Hanmetallegierung.

Die erfindungsgemäße Hartmetal'egierung ist besonders günstig dort anwendbar, wo einerseits oxidfreie und nicht bindemetallvorarmte Oberflächen notwendig sind und andererseits ein hohes Niveau der mechanischen Eigenschaften wie Härte und Bruchzähigkeit verlangt werden. Die erfindungsgemäße Hartmetallegierung eignet sich ausgezeichnet für die Herstellung von Lötverbunden z. B. mit Stahl, für die bekannten Beschichtungsverfahren und bei der Herstellung von Sinterverbunden. Typische Anwendungsfälle sind hartmetallbestückte Bergbauwe^kzeuge, Sägeblätter, Schnittwerkzeuge und Preßstempel.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Hartmetallrohlinge weisen aufgrund ihrer bekannten pulvermetallurgischen Herstellungsweise, die mit dem Sinterprozeß, dem heißisostatischen I Jachverdichtungsverfahren oder dem Sinter/HIP-Veifahren abschließt, die verschiedensten Oberf'ächenzustände auf. Diese können in Abhängigkeit der thermischer, Verfahren, der dabei verwendeten Schutzgesatmosphären, Vakua und Abkühlbedingungen unterschiedlich sein.

Sehr häufig beobachtet man eine Bindemetallverarmung der Oberfläche. Diese tritt durch Verdampfung des Bindemetalls beim Sintern ein und fühi t dazu, daß das Bindemetall bis zu einer Schichtdicke, die annähernd die Korngröße des Hartstoffs erreichen kann, entfernt wird. Makroskopisch ist ein mattgraues Aussehen der Sinterhartmetalloberfläche zu beobachten. Ein solcher Oberflächenzustand weist zwei wesentliche Wachteile auf. Erstens ist die Rißauflösung von der Oberfläche durch das Fehlen des zähnen Binders und durch die Möglicnkeit des leichten Ablösens von Hartstoffkörnern begünstigt, wodurch die Bruchzähigkeit, die Biegebru :hfestigkeit und der Abrasivverschleiß solcher Sinterhartmetallteüe deutlich benachteiligt sind. Zweitens weisen solche Oberflächen eine schlechtere Benetzbarkeit gegenüber Lot auf und erschweren Diffusionsvorgänge, so daß im Endeffekt keine optimalen Lötverbindungen und andere Verbundvarianten erreichbar sind. Neben der Bindemetallverarmung der Hartmetalloberfläche sind häufig auch das ungezielte Abscheiden von dünnan Schichten, insbesondere von Oxidschichten zu verzeichnen, wi s zu Verfärbungen der Oberflächen entsprechend der sich bildenden Oxide führt. Diese Schichten verursachen ebenfalls eine deutliche Verringerung der Lötfähigkeit und haben störende Einflüsse bei der Anwendung anderer Verbundvarianten.

Diese Nachteilb sind seit langem bekannt und en wurden Methoden entwickelt, um diese Nachteile zu vermeiden. Dabei handelt es sich um chemische, thermische, chemo-thermische und elektrolytische Verfahren. Sie haben den Zweck, beispielsweise Bindemetallverarmung durch elektrolytische Abscheidung von Nickel zu verhindern oder Oxidschichten abzutragen. Grundsätzlich handelt es sich bei diesen bekannten Behandlungsverfahren um zusätzliche Arbeitsgänge, die zusätzliche Kosten verursachen und auch umweltbelastend sind.

Weiterhin ist es bei der Herstellung von Sinterstahl bekannt, durch die Zugabe von Mangan Oxidation zu verhindern, so daß die.se vorgemisch.en Manganstahlsorten in einer reduzierenden Atmosphäre, z.B. H2 gesintert werden können. Die dabei wirkenden Mechanismen sind jedoch mit den Bedingungen bei Hartmetallen nicht vergleichbar, weil bei Hartmetallen im Gegensatz zu Sin. ;rstahl das sogenannte Flüssigphasensintern zur Erreichung der Enddichte verwendet wird. Dabei geht das Bindemetall ab etwa 1300⁰C in den flüssigen Zustand über und es treten Lösungs- und Wiederausscheidungsvorgänge (Ostwald-Reifung) der Hartstoffphase auf.

In der EP-A 85125 wird eine Hartmetallegierung vorzugsweise für die Gesteinsbearbeitung und das Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Hierbei werden als Bindemetallphase Eisen-Nickel-Legierungen verwendet, die eine austenitische Matrix besitzen, die sich unter mechanischer Beanspruchung an der Oberfläche teilweise in Martensit umwandeln, wodurch eine erhöhte Härte in der Randzone erreicht wird. Dieser Mechanismus wird durch den Zusatz von 5-20% Mn noch begünstigt. Die in dieser Erfindung beschriebenen Verbesserungen der Bruchzähigkeit und der Härte der /tandzone beruhen also auf der Bildung von Martensit in Folge der mechanischen Beanspruchung btsirr¹ Gesteinsbohren, wohöi die austenitische Bindemetallegierung und spezielle Herstellungs- und Sinterbedingun.jen vorhanden sen müssen.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile der bekannten Hartmetallegierungen zu beseitigen und deren Eigenschaften für die Befestigung durch Löten oder andere Verbundvarianten zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugmnde, eine Hartmetallegiorung zu entwickeln, bei der nach Abschluß der Hartmetallrohlingsherstellung ein Oberflächenzustand erreicht wird, der günstige Bedingungen für das Löten und andere Verbundvarianten aufweist.

Diese Aufgabe wird effino jngsgomäß dadurch gelöst, daß die Ausgangspulvermischung bzw. der Hartmetallansatz 0,5 bis 5Ma.-%, vorzugsweise 1 Ma.-% Mangan oder Manganoxid enthält.

Es ist zweckmäßig, daß der Zusatz des Mangans als Vorlegierung mit dem Bindemetall in der Ausgangspulvermischung enthalten ist.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hartmetalle weicht im übrigen nicht von den üblichen Verfahrensschritten ab.

Unabhängig vom abschließenden Sinterverfahren, der heißisostatischen Nachverdichtung oder einem Drucksinterverfahren weisen die Hartmetallrohlinge aus Hartmetallegierungen mit dem erfindungsgemäßen Manganzusatz eine Probenoberfläche auf, die günstig für das Löten und andere Verbundvarianten ist. Bei Benetzungsversuchen mit verschiedenen Lotvarianten konnte stets eine vollständige Benetzung erreicht werden, was bei üblichen Hartmetallrohlingsoberflächen häufig nicht der Fall ist. Mit den erfindunsgemäßen Hartmtttallegierungen können so optimale Lötverbindungen und andere Verbundvarianten erreicht werden, ohne daß eine Nachbehandlung oder auch eine Lötung unter speziellen Bedingungen wie z. R. unter Vakuum notwendig ist.

Im allgemeinen ist der erfindungsgemäße Effekt bereits am glänzenden Aussehen der Sinteroberfläche erkennbar.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1:

Es wurden mit bekannten Verfahrensschritten, wie Attritormahlung, Sprühtrockm ,ng, Pressen, Ausgasen unter Wasserstoff und Sintern im Vakuum parallel zwecks Ausschaltung von Verfahrenseinflüsen zwei /VC-9,5%-Co-Hartmetallegierungen, wie sie üblicherweise z. B. für Schlagbohrwerkzeuge eingesetzt werden, mit und ohne Vln-Zusatz hergestellt. Auch die Ausgangsstoffe WC und Co sowie der verwendete Plastifikator waren jeweils aus einer Chargo.

Der Manganzusatz erfolgte beim Mischungsansatz in Form von reinem μηO₂ und zwar in einer Menge von 10Gew.-% Mn auf das Bindemetall gerechnet.

Im Gegensatz zum im Patent EP-A 85125 beschriebenen Sinterverfahren für Stahl unter H₂-Atmosphäre, um Mn-Verlustezu vermeiden, ist hier eine Vakuum-Sinterung, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erreichen, am günstigsten.

Nach der Vakuumsinterung zeigt sich bereits ein deutlich unterschiedliches Aussehen. Während die Legierung 1 (ohne Mn-Zusatz) eine mattgraue Oberfläche aufweist, besitzt die Legierung 2 (mit Mn-Zusatz) ein silbrig glänzendes Aussehen. Dem entsprechend sind deutliche Unterschiede in der Benetzbarkeit mit üblicherweise verwendeten Loten feststellbar. Versuche zur Bestimmung der Scherkräfte, die zur Zerstörung der Lötverbindung notwendig sind, ergaben eine Erhöhung derselben bis zu 50%. Zusätzlich zu diesen deutlichen Vorteilen ergaben sich noch deutliche Verbesserungen der Zähigkeitseigenschaften.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Eigenschaften der beiden HM-Legierungen mit und ohne Mn-Zusatz dargestellt.

Dichte in g/cm³ Härte, HRA

Bruchzähigkeit in MPa m 1/2 Biegebruchfestigkeit in MPa

Beispiel 2:

Eine WC-9,5%Co-Hartmetallegierung wurde unter den gleichen Bedingungen wie im 1. Ausführungsbeispiel hergestellt. Der Mn-Zusatz erfolgte hier jedoch nicht in Form von MnO₂, sondern in Form einer Co-Mn-Vorlegierung. Diese wurde schmelzmetallurgisch bei einer Temperatur von 1200⁰C hergestellt, einer Voizerk einerung in einem Backenbrecher und einer Mahlung in einer Kugelmühle unterworfen. Der Mn-Gehal der Vorlegierung betrug 60Gew.-%, wodurch eine Begünstigung dor Pulverisierung erreicht wurde. Bei geringeren Mn-Gehalten treten Schwierigkeiten bei der Zerkleinerung der gegossenen Co-Mn-Legierung auf.

Im Endergebnis konnten an diesen erfindungsgemäßen Hartmetallegierungen die gleichen positiven Effekte bezüglich der Benetzbarkeit mit Lot und damit der Lötfähigkeit sowie bezüglich der mechanischen Eigenschaften erreicht werden.

Die erfindunsgemäßen Hartmetallegierungen der Ausführungsbeispielo 1 + 2 eignen sich besonders für die Bestückung von Schlagbohrwerkzeugen für das Sprenglochbohren im Erzbergbau und in der Natursteinindustrie, aber auch für die Bestückung von Schrämpicken für den Steinkohlenbergbau.

Beispiel 3:

Die erfindungsgemäßen Mn-Zusätze wurden weiterhin an einer WC-6%-Co-Hartmetallegierung erprobt.. Hier wurde mit einem Mn-Zusatz von 15Gew.-%zum Bindemetall gearbeitet.

Die Lötbarkeit der aus dieser Hartmetallegierung hergestellten Sägezähne für hartmetallbestückte Kreissägeblätter kommt der von elektrolytisch vernickelten Hartmetall-Sägezähnen gleich.

Ein weiteres vorteilhaftes Einsatzgebiet dieser Hartmetallegierung sind Bohrerplatten für Betonbohrer, da auch bei dieser Hartmetallegierung neben der verbesserten Lötbarkeit eine Zähigkeitssteigerung eintritt. Bei gleicher Verschleißfestigkeit wurde eine Steigerung der Bruchzähigkeit um etwa 10% nachgewiesen.

Beispiel 4:

Eine WC-8,5%-Co-Hartmetallegierung wurde win zum Beispiel 1 erfindungsgemäß mit 12 Gew.-% Mn-Zusatz hergestellt. Diese Legierung läßt sich vorteilhaft z. B. als Inserts für Bergbauwerkzeugezum drehenden Bohren von Sprenglöchern in der Kaliindustrie einsetzen.

Legierung 1	Legierung 2
(ohne Mn-Zusatz)	(mit Mn-Zusatz)
14,50	14,50
87,0	37,0
17,0	19,0
1900	2300

Claims (2)

1. Hartmetallegierung bestehend aus einer oder mehreren Hartstoffphasen von Carbiden der Metalle der IV., V. und Vl. Nebengruppe des PSE, vorzugsweise aus Wolframcarbid und einer Bindemetallphase aus Cobalt, Nickel oder Eison oder aus Legierungen dieser Metalle mit einem Anteil von 2,£his 30Ma.-%, ausgenommen austenitischer Bindemetallegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangspulvermischung bzw. der Hartmetallansatz 0,5 bis 5Ma.-%, vorzugsweise 1 Ma.-% Mangan oder Manganoxid enthält.

2. Hartmetallegiorung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz des Mangans als eine Vorlegierung mit dem Bindemetall und der Ausgangspulvermischung enthalten ist.