DE10052021B4

DE10052021B4 - Wasserstrahlschneidhochdruckdüse

Info

Publication number: DE10052021B4
Application number: DE10052021A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dipl.-Phys. Dr. Richter; Monika v. Dipl.-Chem. Dr. Ruthendorf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: RICHTER, VOLKMAR, DR., DE
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: DE10052021A1

Abstract

Wasserstrahlschneidhochdruckdüse,
bestehend aus gesintertem WC-Pulver mit einem Anteil an Binder < 1 Masse-%,
dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Zusatzkarbiden < 0,5 Masse-% gehalten ist, die WC-Kristallite eine mittlere Korngröße ≤ 0,3 μm, gemessen als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser gemessen am metallografischen Schliff im Rasterelektronenmikroskop aufweisen, die Härte HV₁₀ ≥ 2500 ist und die Dichte ≥ 99,5% der theoretischen Dichte beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserstrahlschneidhochdruckdüse.
Zur Verringerung des Verschleisses sind hohe Härten des Materials erforderlich. Hohe Härten werden bekanntermassen mit Carbiden, wie WC, TiC oder TaC, mit Aluminiumoxid, Diamant und kubischem Bornitrid bzw. auch mit anderen Keramiken erreicht, wobei sich aber Diamant und kubisches Bornitrid relativ schwer und nur aufwendig verarbeiten lassen. Diamant und kubisches Bornitrid lassen sich nur bei hohen Drücken und hohen Temperaturen und dabei nur in einfachen Formen herstellen. Außerdem ist durch ihre geringe elektrische Leitfähigkeit eine funkenerosive Bearbeitung nicht möglich. Wünschenswert ist aber ein Werkstoff mit hoher Härte, der nach drucklosem Sintern mittels bekannter HIP- und Sinter HIP-Technik verdichtbar und nachfolgend funkenerosiv bearbeitbar ist.
Das mit WC entsprechend höhere Werkstoffhärten erreicht werden können, ist hinlänglich bekannt, und die gute elektrische Leitfähigkeit von WC ermöglicht eine funkenerosive Bearbeitung. Üblicherweise setzt man WC zur Sicherung der Sinterfähigkeit und einer ausreichenden Zähigkeit aber einen metallischen Binder, üblicherweise Co in Gehalten über 4 Masse-% zu.
So ist die Herstellung von Verschleißteilen, wie z. B. Wasserstrahlschneidhochdruckdüsen aus EP 0 476 632 B1 und ein harter, verschleißfester Werkstoff aus US 4,945,073 A bekannt.
Diese durch Sinterverfahren aus Pulvern hergestellten Düsen beinhalten neben Wolframcarbid generell zusätzliche Komponenten, wobei immer metallische Binder, z. B. Fe oder Co verarbeitet werden. Außerdem ist man davon ausgegangen, dass Zusätze zur Verminderung des Kornwachstums beim Sintern enthalten sein müssen.
Insbesondere Metallcarbide oder -carbonitride sind einer Ausgangspulvermischung zugegeben worden, um das Kornwachstum des Wolframcarbids beim Sintern und somit dem damit verbundenen Härteabfall entgegenzutreten. Die Ausgangspulver erhielten dabei Zusätze von 0,5 bis zu 10 und mehr Masse-% und zusätzlich Binder zwischen 0,2 und 2 Masse-% und die zugegebenen Karbide beeinträchtigen die Festigkeit und Zähigkeit.
Außerdem ist aus DE 44 37 053 A1 eine WC-Hartlegierung bekannt, in der maximal 1 Masse-%, vorzugsweise weniger als 0,05 Masse-% Binder enthalten sein sollen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Wasserstrahlschneidhochdruckdüse als gesinterten Formkörper mit hoher Härte und ausreichender Zähigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wasserstrahlschneidhochdruckdüse vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Formkörper, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, dass eine Was serstrahlschneidhochdruckdüse auf WC-Basis mit unerwartet hohen Härten und sehr guten Verschleisseigenschaften aus WC-Pulver, in dem möglichst wenig Zusät ze enthalten sind, durch Sintern erhalten werden kann. Erfindungsgemäße Wasserstrahlschneidhochdruckdüsen erreichen Härten HV₁₀ ≥ 2500, auch ohne die Zugabe der die Festigkeit und Zähigkeit beeinträchtigen, bisher immer eingesetzten Kornwachstumshemmer.
Der Abrasivverschleißtest im Schleifradtribometer (Test in Analogie zu CCPA P112) mit einem Scheibendurchmesser von 80 mm Werkstoff: 210Cr46) bei einer Reibegeschwindigkeit von 45 m/min und einer Flächenpressung von 1,8 N/mm² zeigte einen wesentlich geringeren Abtragungsverlust bei den Proben aus erfindungsgemäßen zusatzfreien WC gegenüber bekannten Proben mit zusätzlichem Karbid, z. B. TiC.
Das WC-Pulver sollte eine mittlere Korngröße ≤ 0,3 μm gemessen als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser mittels REM aufweisen und zumindest vor der Formgebung gut deagglomeriert sein.
Der Anteil an Zusatzkarbiden soll maximal bei 0,5 Masse-%, möglichst weit darunter liegen.
Als Binder sollte bevorzugt Fe oder Fe-Legierungen mit Anteil ≤ 0,4 Masse-% eingesetzt werden. Auf Binder kann gänzlich verzichter oder der Anteil ≤ 0,4 Masse-%, bevorzugt ≤ 0,1 Masse-% gehalten werden.
Für den Fall, dass neben anderen Karbiden auch kubische Zusatzkarbide/-karbonnitride MeCxNy enthalten sind, sollter der Nichtmetallgehalt der kubischen Zusatzkarbide im Bereich 0,85 ≤ (x + y) ≤ 1,05 liegen und x ≤ 0,5 sein.
Das Sintern kann drucklos und/oder bei erhöhtem Druck (HIP oder Sinter-HIP) erfolgen.
Im fertigen gesinterten Produkt treten WC-Kristallite mit einer mittleren Korngröße ≤ 0,3 μm, die als äquivalenter Kreisdurchmesser mittels REM am metallografischen Schliff gemessen wird, auf.
Mit einem 100%-igen WC-Pulver konnten Formkörper mit einer Dichter 15,67 g/cm3, einer Härte HV10 von mindestens 2560 und maximal 2700 bei Bruchzähigkeiten von K_Ic = 4,9 MPa m¹/2 (b. HV10 2700) und K_Ic = 5,4 MPa m¹/2 (HV10 2660) erhalten werden.
Vorteilhaft ist die Düsenöffnung der Wasserstrahlhochdruckdüse in Form einer Laval-Düse ausgebildet.
Nachfolgend soll die Erfindung an Beispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
Als Ausgangspulver wurde undotiertes WC-Pulver mit einer mittleren Korngrösse 0,23 μm (gemessen mit REM als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser) verwendet.
Das WC-Pulver wurde mit Paraffin, als organisches Presshilfsmittel versetzt, wobei 2 Masse-% Paraffin bezogen auf die WC-Pulvermasse enigesetzt worden sind. Diese Mischung wurde anschließend gemeinsam mit einem wasserfreien Mahlmedium dispergierend und deagglomerierend in einer herkömmlichen Kugelmühle gemahlen.
Die erhaltene Mahldispersion wurde getrocknet und mit einem Pressdruck von 300 MPa uniaxial zu einem WC-Presskörper, bis oberhalb 50% der theoretischen Dichte verdichtet. Der Presskörper wird bei einer Temperatur von ca. 1650°C im Vakuum gesintert und nachfolgend in einer Argonatmosphäre bei ca. 1500°C und einem Druck von 80 bar endverdichtet. Die Dichte erreichte 15,67 g/cm³, was der von reinem WC entspricht. Der fertige Formkörper wies bei Raumtemperatur eine Härte von HV₁₀ 2560 und eine Bruchzähigkeit K_IC von 5,2 MPA √m auf. Es wurde eine WC-Kristallitgrösse von 0,24 μm als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser am metallografischen Schliff mit REM gemessen und eine Porosität nach DIN ISO 4505 von ≤ A02B00C00 erreicht. Der Abrasivverschleiß, getestet im Schleifradtribometer (Reibgeschwindigkeit: 45 m/min, Flächenpressung: 1,8 N/mm², Abrasionsmaterial: 0,5 kg Edelkorund EKP 100 in 200 ml H₂O), betrug nach 6 min 0,3 mm³, bei der konventionellen Vergleichsprobe aus WC mit 3 Masse-% TiC und 0,5 Masse-% Mo₂C 0,4 mm³.
Beispiel 2
Als Ausgangspulver wurde undotiertes WC-Pulver mit einer mittleren Korngrösse 0,19 μm (gemessen mit REM als mittlerer ägivalenter Kreisdurchmesser) verwendet.
Das WC-Pulver wurde mit Paraffin als Presshilfsmittel versetzt, wobei 2 Masse-% Paraffin bezogen auf die WC-Pulvermasse eingesetzt worden sind. Diese Mischung wurde anschließend mit einem wasserfreien Mahlmedium dispergierend und deagglomerierend in einem Laborattritor gemahlen.
Das getrocknete Pulver wurde anschließend bei einem Druck von ca. 700 bar kaltisostatisch zu einem Presskörper verdichtet. Der Presskörper wird bei einer Temperatur von ca. 1700°C im Vakuum gesintert und nachfolgend in einer Argonatmosphäre bei einem Druck von 80 bar nachverdichtet.
Der fertige Formkörper wies eine Dichte von 15,67 g/cm³ und bei Raumtemperatur eine Härte von HV₁₀ 2700 sowie eine Bruchzähigkeit K_IC von 4,9 MPA √m auf. Es wurde eine WC-Kristallitgrösse, als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser am metallografischen Schliff mittels REM von 0,21 μm gemessen und eine Porosität nach DIN ISO 4505 von A02B00C00 erreicht. Der Abrasivverschleiß, getestet im Schleifradtriometer (Reibgeschwindigkeit: 45 m/min, Flächenpressung: 1,8 N/mm², Abrasionsmaterial: 0,5 kg Edelkorund EKP 100 in 200 ml H₂O), betrug nach 6 min 0,25 mm³, bei der konventionellen Vergleichsprobe aus WC mit 3 Masse-% TiC und 0,5 Masse-% Mo₂C 0,4 mm³.

Claims

Wasserstrahlschneidhochdruckdüse, bestehend aus gesintertem WC-Pulver mit einem Anteil an Binder < 1 Masse-%, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Zusatzkarbiden < 0,5 Masse-% gehalten ist, die WC-Kristallite eine mittlere Korngröße ≤ 0,3 μm, gemessen als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser gemessen am metallografischen Schliff im Rasterelektronenmikroskop aufweisen, die Härte HV₁₀ ≥ 2500 ist und die Dichte ≥ 99,5% der theoretischen Dichte beträgt.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass enthaltene kubische Zusatzkarbide/-karbonitride MeC_xN_y, einen Nichtmetallgehalt im Bereich 0,85 ≤ (x + y) ≤ 1,05 aufweisen und x ≤ 0,5 ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil aller Zusatzkarbide/-karbonitride < 0,2 Masse-% ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Zusatzkarbide/-karbonitride < 0,1 Masse-% ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Binder ≤ 0,4 Masse-% ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Binder < 0,1 Masse-% ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Fe oder eine Fe-Legierung ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Co, Ni, Cr, Cu oder eine Fe-Legierung ist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs-WC-Pulver eine mittlere Körnung ≤ 0,3 μm äquivalenter Kreisdurchmesser im Rasterelektronenmikroskop aufweist.
Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach den Ansprüchen 1 bis 9, bei der die Düsenöffnung in Form einer Laval-Düse ausgeformt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dispergierend und deagglomerierend gemahlenes WC-Pulver mit einer mittleren Korngröße ≤ 0,3 μm, gemessen als äquivalenter Kreisdurchmesser mit Rasterelektronenmikroskop, zu einem Presskörper mit einer Dichte > 50% der theoretischen Dichte verdichtet und der mittels drucklosem Sintern und/oder Sintern bei bei erhöhtem Druck in Form von heißisostatischem Pressen oder Sinter heißisostatisches Pressen erhaltene Formkörper bis zum Erreichen einer Dichte ≥ 99,5% in Bezug zur theoretischen Dichte dichtgesintert wird.