DD295106A5

DD295106A5 - HARD METAL COMPOSITE BODY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF

Info

Publication number: DD295106A5
Application number: DD34167690A
Authority: DD
Inventors: Klaus Dreyer; Hans Kolaska
Original assignee: Krupp Widia Gmbh,De
Priority date: 1990-06-14
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1991-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkoerper aus Hartstoff, einem Bindemittel und eingelagertem Verstaerkungsmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallverbundkoerpers auf pulvermetallurgischem Weg. Um einen Hartmetallverbundkoerper mit einer hoeheren Zaehigkeitsbelastbarkeit, groeszeren Haerte und einer geringeren Bruchanfaelligkeit zu erhalten, wird vorgeschlagen, einkristalline, vorzugsweise mit einer gegenueber der Bindemetallphase inerten Beschichtung versehene nadel- und/oder plaettchenfoermige Verstaerkungsmaterialien aus Boriden und/oder Carbiden, und/oder Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente der Gruppe IVa oder Va oder Mischungen hiervon und/oder beschichtetes einkristallines Verstaerkungsmaterial aus SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2, AlN und/oder BN einzubauen. Der Hartmetallverbundkoerper wird auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, wobei das Verstaerkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form ggf. mittels CVD oder PVD mit einer gegenueber der Bindemetallphase inerten Beschichtung mit der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt, getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch gepreszt und durch Sintern bzw. einen kombinierten oder getrennten Sinter/HIP-Prozesz oder durch Axial-Heiszpressen der Verbundkoerper hergestellt wird. Das Axial-Heiszpressen wird vorzugsweise bei Verstaerkungsmaterial gehalten oberhalb von 20 * durchgefuehrt, darunter bevorzugt man die uebrigen genannten Verfahren.{Hartmetallverbundkoerper mit Verstaerkungsmaterial; Whisker, nadel- und plaettchenfoermig; pulvermetallurgische Fertigung}The invention relates to a hard metal composite of hard material, a binder and embedded Verstaerkungsmaterial and a method for producing a Hartmetallverbundkoerpers on powder metallurgical way. In order to obtain a cemented carbide composite having a higher toughness, greater hardness and a lower tendency to breakage, it is proposed to use monocrystalline reinforcing materials of borides and / or carbides, and / or nitrides, preferably provided with a coating inert to the binder metal phase or to incorporate carbonitrides of the elements of group IVa or Va or mixtures thereof and / or coated monocrystalline reinforcing material of SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2, AlN and / or BN. The Hartmetallverbundkoerper is produced by powder metallurgy, the Verstaerkungsmaterial in disagglomerated and classified form optionally mixed by CVD or PVD with a relation to the binder metal phase inert coating with the milled mixture of hard materials and binder, dried, granulated, uniaxial or cold isostatically pressed and sintered or a combined or separate sintering / HIP-Prozesz or by axial-Heiszpressen the composite is produced. The axial hot pressing is preferably carried out with reinforcing material held above 20 °, among which the other mentioned methods are preferred. {Hard metal composite body with reinforcing material; Whiskers, needle and platelet-shaped; powder metallurgical manufacturing}

Description

ι /SS⁴TOC ι / SS ⁴ TOC

Beschreibungdescription

Hartmetallverbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Anwendungsgebiet der Erfindung Hard metal composite body and method for its production Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkörper, bestehend aus Hartstoffphasen, wie Wolframcarbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystems, aus Verstärkungsmaterialien und aus einer Bindemetall-The invention relates to a hard metal composite body consisting of hard material phases, such as tungsten carbide and / or carbides or nitrides of the elements of the IVa or Va group of the periodic table, of reinforcing materials and of a binder metal

phase, wie Cobalt und/oder Eisen und/oder Nickel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallverbundwerkstoffes auf pulvermetallurgischem Weg.phase, such as cobalt and / or iron and / or nickel. Furthermore, the invention relates to a method for producing a hard metal composite material by powder metallurgy.

Characteristic of the known state of the art

Die nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Einkristalle besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine große Zug- und Schubfestigkeit.The single crystals known in principle according to the prior art have excellent mechanical properties, e.g. a high tensile and shear strength.

In der AT-PS 259 242 wird ein aus Hartstoffen und Bindemitteln bestehendes Sinterhartmetall beschrieben, das Hartstoffe in Form von nadeiförmigen Einkristallen in einer Menge von wenigstens 0,1 %, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 % des gesamten Hartstoff anteils enthält. Zur Herstellung dieses Sinterhartmetalls wird dem Hartstoffanteil vor dem Vermählen WC in Form von nadelförmigen Einkristallen zugesetzt, wobei nach Zusatz eines Bindemetalls der Eisengruppe der Hartmetallansatz gepreßt und unter Bildung einer flüssigen Phase gesintert wird. Nachteiligerweise löst sich jedoch der einkristalline WC-Anteil weitgehend in der Bindephase (vgl. DE-Z "Metall", Juli 1974, Heft 7). Im übrigen reichen die vorgeschlagenen Hartstoff-Einkristalle nicht aus, um eine merkliche Verbesserung der Verschleißeigenschaften zu erhalten, insbesondere auch deshalb nicht, weil maximal nur so viel Hartstoff-Einkristalle zugegeben werden sollen, bis der Hartstoffeinkornanteil (Körner mit mittlerem Durchmesser unter 2 μΐη) ersetzt ist.In AT-PS 259 242 a consisting of hard materials and binders cemented carbide is described, the hard materials in the form of acicular single crystals in an amount of at least 0.1%, preferably 0.5 to 1.5% of the total hard material content. To produce this sintered hard metal, WC is added in the form of acicular single crystals to the hard material portion prior to grinding, wherein after addition of a binder metal of the iron group, the hard metal batch is pressed and sintered to form a liquid phase. However, disadvantageously, the monocrystalline WC fraction largely dissolves in the binding phase (cf., DE-Z "Metall", July 1974, Issue 7). Moreover, the proposed hard material monocrystals are not sufficient to obtain a significant improvement in the wear properties, especially not because only so much hard material single crystals should be added until the hard material grain size (grains with a mean diameter less than 2 μΐη) replaced is.

Object of the invention

Durch den erfindungsgemäßen Hartmetallverbundkörper und das Verfahren zu dessen Herstellung werden die Härte und die Zähigkeit gesteigert.By the hard metal composite body according to the invention and the method for its production, the hardness and toughness are increased.

Explanation of the essence of the invention

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hartmetallverbundkörper anzugeben, der gegenüber den bisher bekannten Hartmetallverbundkörpern eine höhere Zähigkeitsbelastbarkeit, eine größere Härte, auch bei starker thermischer Belastung des Hartmetallverbundkörpers und eine geringere Bruchanfälligkeit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hartmetallverbundkörpers anzugeben.It is an object of the present invention to provide a hard metal composite body, which has a higher toughness resistance, greater hardness compared to the previously known hard metal composite bodies, even under strong thermal stress of the hard metal composite body and a lower susceptibility to breakage. It is another object of the present invention to provide a method for producing such a hard metal composite body.

Die Aufgabe wird durch einen Hartmetallverbundkörper der im Anspruch 1 genannten Zusammensetzung gelöst.The object is achieved by a hard metal composite body of the composition mentioned in claim 1.

Die Verwendung von Whiskern ist zwar nach dem Stand der Technik bei anderen Stoffen bereits vorgeschlagen worden:Although the use of whiskers has already been proposed in the prior art for other substances:

So z.B. in der US-PS 34 41 392 eine faserverstärkte Metallegierung, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt worden ist und die beispielsweise Fasern aus (* -Aluminiumoxid und Siliciumcarbid enthält.For example, in US-PS 34 41 392 a fiber-reinforced metal alloy which has been produced by powder metallurgy and which contains, for example, fibers of (* -Aluminiumoxid and silicon carbide.

Die US-PS 45 43 345 beschreibt eine Keramik (Al₂C>3-Matrix) mitThe US-PS 45 43 345 describes a ceramic (Al ₂ C> 3 matrix) with

eingelagerten SiC-Einkristallen.embedded SiC single crystals.

Aus der DE-33 03 295 Al ist bekannt, daß die Festigkeits- und Bruchzähigkeitseigenschaften einer siliciumcarbidfaserverstärkten Keramik besser als die der Keramikmatrix sind. Entsprechende Angaben werden auch in der DE-Z ZwF 83 (1988) 7, Seiten 354 bis 359 gemacht.It is known from DE-33 03 295 A1 that the strength and fracture toughness properties of a silicon carbide fiber-reinforced ceramic are better than those of the ceramic matrix. Corresponding information is also made in DE-Z ZwF 83 (1988) 7, pages 354-359.

3 1SS-70G 3 1SS-70G

Die EP-O 067 584 Bl beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus einem metallischen/ keramischen Glas- oder Kunststoff-Grundmaterial und darin im wesentlichen homogen und gleichmäßig verteilten desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern zur Verstärkung des Grundmaterials, bei dem man Siliciumcarbidwhisker in einem polaren Lösungsmittel zur Bildung einer Aufschlämmung rührt und anschließend die Aufschlämmung zur Bildung einer Aufschlämmung aus desagglomerierten Siliciumcarbidw.hiskern vermahlt, die Aufschlämmung hieraus mit einem Grundmaterial zur Bildung einer homogenen Mischung vermischt, anschließend trocknet und zu einem Rohling formt.EP-O 067 584 Bl describes a process for producing a composite of a metallic / ceramic glass or plastic base material and therein substantially homogeneously and evenly distributed deagglomerated silicon carbide whiskers to reinforce the base material, wherein silicon carbide whiskers are formed in a polar solvent stirring a slurry and then grinding the slurry to form a slurry of deagglomerated silicon carbide hydroxide, mixing the slurry therefrom with a base material to form a homogeneous mixture, then drying and forming into a blank.

Schließlich sind aus der EP-O 213 615 A2 Verbundwerkstoffe bekannt, bei denen in einer Metallmatrix Siliciumcarbid- und Siliciumnitridwhisker enthalten sind.Finally, from EP-O 213 615 A2 composite materials are known in which silicon carbide and silicon nitride whiskers are contained in a metal matrix.

Die Einbringung von nadel- oder plättchenförmigen Einkristallen bei Hartmetallen in größeren Mengen wurde jedoch nie durchgeführt, weil bisher eine Lösung der Einkristalle in der flüssigen Bindemittelphase befürchtet worden ist. In der Tat ist die Löslichkeit des WC in einem Bindemittel wie Cobalt groß, was bewirkt, daß die Verwendung von WC-EinkristalLen - wie in der DE-PS 259 242 vorgeschlagen - keine Verbesserung der Verschleißeigenschaften bringt.However, the introduction of needle-shaped or platelet-shaped single crystals in hard metals in larger quantities has never been carried out, because hitherto a solution of the single crystals in the liquid binder phase has been feared. In fact, the solubility of the WC in a binder such as cobalt is great, which causes the use of WC EinkristalLen - as proposed in DE-PS 259 242 - does not improve the wear properties.

Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bis 10 dargelegt.Further developments of the invention are set forth in the dependent claims to 10.

Ein besonderer Vorteil einer inerten Whiskerbeschichtung liegt jedoch darin, daß eine gezielte Festigkeit der Bindung mit der Matrix eingestellt werden kann. Insgesamt führt die Einlagerung von beschichteten Whiskern zu einer Härteerhöhung mit einer gleichzeitigen Zähigkeitssteigerung, und zwar auch bei Hochtemperaturbelastungen, wie sie z.B. bei Schneidwerkstoffen stattfinden. Vorteilhafterweise wird dies auch bei solchen Hartmetallen erreicht, die einen geringen Bindemittelgehalt aufweisen (weniger als 8 Volumen-%).However, a particular advantage of an inert whisker coating is that a specific strength of the bond with the matrix can be set. Overall, the incorporation of coated whiskers leads to a hardness increase with a simultaneous increase in toughness, even at high temperature loads, such as. take place with cutting materials. Advantageously, this is also achieved with such hard metals, which have a low binder content (less than 8% by volume).

4 a 51OG 4 a 51OG

Darüber hinaus kommt der inerten Beschichtung eine gewissen Schutzfunktion für die umhüllten Einkristalle zu, d.h. die Einkristalle können nicht im Bindemittel gelöst werden, insbesondere lassen sich erstmalig WC-Einkristalle in einem bezogen auf die Hartmetallzusammensetzung wirkungsvollen Anteil verwenden.In addition, the inert coating has some protective function for the coated single crystals, i. the single crystals can not be dissolved in the binder, in particular WC single crystals can be used for the first time in a proportion which is effective with respect to the hard metal composition.

Der auf das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren bezogene Aufgabenteil wird durch (³Aq im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst, wobei insbesondere bei Gehalten bis zu 20 Volumen-% dem normalen Sinter-, dem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß oder dam Sintern mit einem nachfolgenden heißisostatischen Pressen in einer getrennten Anlage und bei höheren Verstärkungsmaterialgehalten dem Heißpressen der Vorzug gegeben wird.The task part related to the method known in the prior art is solved by ( ³ Aq in claim 11 specified features, in particular at levels up to 20% by volume of the normal sintered, the combined sintering / HIP process or dam sintering with subsequent hot isostatic pressing in a separate plant and with higher levels of reinforcing material being preferred to hot pressing.

Die Herstellung der Whisker-Hartmetal!verbundwerkstoffe lehnt sic(. grundsätzlich an bekannte pulvermetallurgische Verfahrensschritte an. So werden im Unterschied zum Stand der Technik die Verstärkungsmaterialien (Whisker, Plättchen) zunächst aufbereitet, desagglomeriert und klassifiziert sowie vorzugsweise mittels eines CVD- oder PVD-Verfahrens beschichtet, bevor sie den weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen vier Verdichtungsverfahren: Dem üblichen Sintern, einem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, bei dem unmittelbar auf den Sintervorgang in der Hitze ein heißisostatisches Pressen bei 20 bis 100 bar, maximal 200 bar, durchgeführt wird, dem Sintern mit nachfolgenden heißisostatischen Pressen bei Drücken um beispielsweise ca. 1000 bar in einer getrennten Anlage und schließlich dem erwähnten Heißpressen.The production of the whisker-hardmetal materials is fundamentally based on known powder metallurgical process steps, so unlike in the prior art, the reinforcing materials (whiskers, platelets) are firstly processed, deagglomerated and classified, and preferably by means of a CVD or PVD process In principle, a distinction is made between four compaction processes: conventional sintering, a combined sintering / HIP process, in which hot-isostatic pressing at 20 to 100 bar, maximum 200, takes place directly on the sintering process in the heat bar, is performed, the sintering with subsequent hot isostatic pressing at pressures of, for example, about 1000 bar in a separate system and finally the mentioned hot pressing.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mischung aus 4 Volumen-% Co, Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen 21 Volumen-% TiC-Whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form zugegeben worden.In a concrete embodiment of the invention, 21% by volume of TiC whisker in deagglomerated and classified form has been added in a mixture of 4% by volume Co, balance WC following wet-milling.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mischung aus 4 Volumen-% Co₇ Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen 21 Volumen-% WC-Whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form, die mittels des im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannten CVD-Prozesses mit TiC beschichtet worden sind, zugegeben worden. Die gesamte Mischung wurde jeweils anschließend getrocknet., granuliert und kaltisostatisch zu einem Grünling vorgepreßt, bevor über das Heißpressen der Whisker-Verbundwerkstoff fertiggestellt wurde.In a further embodiment of the invention are in a mixture of 4% by volume Co ₇ residual WC following the wet milling 21% by volume of WC whisker in deagglomerated and classified form, which by means of the known in principle according to the prior art CVD Process have been added with TiC been added. The entire mixture was then subsequently dried, granulated and cold isostatically pre-pressed into a green compact before the whisker composite material was completed via the hot pressing.

Insgesamt besitzt der erfindungsgemäße Hartmetallverbundwerkstoff eine größere Härte und höhere Festigkeitswerte als nach dem Stand der Technik bekannte Verbundwerkstoffe. Die Zähigkeitsbelastbarkeit ist bei vermindertem Bruchrisiko höher, ohne daß höhere Bindegehalte eingestellt werden mußten.Overall, the hard metal composite according to the invention has greater hardness and higher strength values than composites known from the prior art. The toughness resistance is higher with reduced risk of breakage, without higher binder levels had to be set.

Claims

.1 C i t I

- C-- C-

claims

1. hard metal composite consisting of hard material phases, such as tungsten carbide and / or carbides or nitrides of the elements of the IVa or Va group of the Periodic Table, of reinforcing materials and of a binder metal phase, such as cobalt and / or iron and / or nickel, characterized in that monocrystalline needle and / or platelet reinforcing material of borides and / or carbides and / or nitrides and / or carbonitrides of the elements of group IVa (Ti, Zr, Hf) or Va (V, Nb, Ta) or mixtures thereof and / or monocrystalline Reinforcing material of SiC, S13N4, S12N2O, Al2O3, ZrC "2 / AlN and / or BN is incorporated, wherein the proportion of the reinforcing material in each case 2 to 40% by volume, preferably 10 to 20% by volume.

2. Hard metal composite body according to claim 1, characterized in that the needle-shaped single crystals (whiskers) have a length of 3 pm to 100 pm.

3. Hard metal composite body according to one of claims 1 or 2, characterized in that the needle-shaped single crystals have a diameter of 0.1 to 10 μΐη.

4. hard metal composite body according to claim 1, characterized in that the platelet-shaped single crystals (platelets) have a thickness of 0.5 pm to 10 pm and a diameter of 3 pm to 100 pm.

5. Hard metal composite body according to one of claims 1 to 4, characterized in that SiC-needle or platelet-shaped single crystals are present and have more than 90% of the A-SiC structure.

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6. hard metal composite body according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reinforcing material is provided with a relation to the binder metal phase inert coating.

7. Hard metal composite body according to claim 6, characterized in that the reinforcing material is wholly or partly replaced by borides and / or carbides and / or nitrides and / or carbonitrides of the elements of the Vla group of the periodic table or mixtures thereof.

8. Hard metal composite body according to claim 6 or 7, characterized by an inert coating of carbides, nitrides and / or carbonitrides of the IVa group (Ti, Zr, Hf) and / or of ZrO2 / Al2O3 and / or BN.

9. hard metal composite body according to one of claims 6 to 8, characterized in that the thickness of the coating at least 0.02 μΐη and a maximum of 2/10 of the needle diameter or the platelet thickness, preferably 1/10 thereof or at least 0.05 pm , is.

10. Hard metal composite body according to one of claims 6 to 9, characterized in that the inert coating of the needle and / or platelet-shaped single crystals by means of the CVD (chemical vapor deposition) method or the PVD (physical vapor deposition) method applied to the single crystals is.

11. A process for the preparation of the hard metal composite body according to claims 1 to 5 by powder metallurgy, characterized in that the reinforcing material in disagglomerated and classified form mixed with the ground mixture of hard materials and binder, then dried, granulated, uniaxial or cold isostatically pressed and the composite body through Sintering, by one

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combined sintering / HIP process, is prepared by sintering with a HIP process after intermediate cooling or by axial hot pressing.

12. The method according to claim 11, characterized in that the reinforcing material in deagglomerated and classified form by means of the CVD or PVD method with carbides, nitrides and / or carbonitrides of the IVa group, Va group or Vla group or mixtures thereof and SiC, Si ₃ N 4, Si ₂ N ₂ O, Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ / AlN and / or BN.

tet, before it is mixed with the milled mixture of hard materials and binder, then dried, granulated, uniaxial or cold isostatically pressed and the composite by sintering, by a combined sintering / HIP process, by sintering with a HIP process after intermediate cooling or produced by axial hot pressing.

13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that at reinforcing material contents up to 20% by volume normal sintering, sintering with a taking place after cooling hot isostatic pressing or the combined sintering HIP process and at levels above 20 Volume% axial hot pressing is performed or become.