DE102018123329B4

DE102018123329B4 - Kobaltbasierte Legierungen für Holzschneidanwendungen

Info

Publication number: DE102018123329B4
Application number: DE102018123329.9A
Authority: DE
Inventors: Matthew Yao; Abdelhakim Belhadjhamida; Brad McLane
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2038-09-22
Also published as: US20190119789A1; CN109702834A; DE102018123329A1; CA3015593A1; US11021775B2

Abstract

Kobaltbasierte Legierung, bestehend aus:einer chromreichen Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, einer wolframreichen Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen einer kobaltreichen Mischkristallmatrix, umfassend Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram, wobeidie chromreiche Carbidphase Carbide aufweist, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus M7C3, M23C6, M6C und Mischungen davon, wobei M Chrom oder eine Kombination ist, die Chrom sowie Wolfram und/oder Kobalt umfasst, und wobeidie wolframreiche Phase mindestens Co3W und/oder Co7W6aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft kobaltbasierte Legierungen und insbesondere kobaltbasierte Legierungen und zugehörige Werkzeuge für Holzschneidanwendungen.
HINTERGRUND
Holzschneiden ist ein komplexer Prozess, bei dem sich viele Phänomene überlagern. Verschiedene Faktoren tragen zum Erzeugen eines guten Schnitts bei. Zu diesen Faktoren gehören im Allgemeinen Sägeblattgeschwindigkeit, Spannung, Dicke, Breite, Schärfe oder Zahnwinkel (Spiel, Fläche, Spanwinkel), Zwischenraumformund -tiefe, Zahnteilung oder -abstand, Holzvorschubgeschwindigkeit und Holzart. Holz ist im Gegensatz zu Metallen und verschiedenen Legierungssystemen kein homogenes und eindeutiges Material, sondern ein vielfältiges und inhomogenes biologisches Material. Werkzeugverschleiß kann durch grobes Brechen oder Absplittern (katastrophal), Abrieb, Erosion, Mikrobruch, Temperatureffekte, elektrochemische Korrosion, Feuchtigkeit und/oder Oxidation verursacht werden. Außerdem wirkt sich eine scharfe Schneidkante positiv auf die allgemein gesehene Bearbeitungsqualität aus und deshalb ist es aus industrieller Sicht entscheidend, die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern. Jedoch sind in vielen Fällen Schneidwerkzeuge und zugehörige Materialien für die Metallbearbeitung weitgehend ungeeignet für Holzschneidanwendungen. Daher ist die Entwicklung neuer Materialsysteme erforderlich, um den einzigartigen Bedingungen und Faktoren, die bei Holzschneidanwendungen angetroffen werden, zu begegnen.
Die US 4 209 122 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Draht. Stäbe aus einer „Hochleistungs“-Legierung in gegossenem Zustand werden in einen gefüllten Block eingebracht, der innerhalb bestimmter Extrusionsparameter gepresst wird, um eine gleichzeitige Verringerung der Durchmesser der gegossenen Stäbe zu erreichen. Nach der Trennung vom gefüllten Block eignen sich die gepressten „Hochleistungs“-Stäbe, die nun in Drahtform vorliegen, besonders für manuelle Schweißanwendungen von Plattierungen. Die abgetrennten „Hochleistungs“-Legierungsdrähte werden durch Stumpfschweißen zu einem Draht von unbestimmbarer Länge verbunden, der durch aufeinanderfolgende Zieh- und Glühschritte genau bemessen ist, so dass er sich für die Verwendung mit einer automatischen Schweißmaschine zum Schweißen von Plattierungen eignet. Ein optionaler zweiter Extrusionsschritt wird ebenfalls beschrieben.
Die US 6 298 762 B1 offenbart Hartmetallsegmente, die auf den Rand eines Stahlkörpers gelötet und dann als Zähne geschliffen werden. Dies ermöglicht eine größere Anzahl von Zähnen/Zoll am Umfang und einen größeren Durchmesser der Klingen als bei früheren Hartmetallklingen. Die Segmente, die in der Regel einen Kreisbogen bilden, bieten eine verbesserte Leistung von Hartmetallklingen ohne die übermäßigen Kosten von Hartmetallklingen.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt werden hier kobaltbasierte Legierungen beschrieben, die eine Zusammensetzung und Mikrostruktur aufweisen, welche eine Ausgewogenheit von für Holzschneidanwendungen wünschenswerter Härte, Korrosionsbeständigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit ermöglichen. Kurz gesagt besteht eine kobaltbasierte Legierung aus einer chromreichen Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, einer wolframreichen Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen einer kobaltreichen Mischkristallmatrix, die Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram umfasst. Die chromreiche Carbidphase weist Carbide auf, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus M₇C₃, M₂₃C₆, M₆C und Mischungen davon, wobei M Chrom oder eine Kombination ist, die Chrom sowie Wolfram und/oder Kobalt umfasst. Die wolframreiche Phase weist mindestens Co₃W und/oder Co₇W₆ auf.
In einem anderen Aspekt werden Werkzeugbereitstellungsartikel beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Werkzeugbereitstellungsartikel ein oder mehrere Schneidelemente, die aus einer kobaltbasierten Legierung gebildet sind, die eine chromreiche Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, eine wolframreiche Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen eine kobaltreiche Mischkristallmatrix, die Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram, umfasst, aufweist. Die Schneidelemente können Spitzen eines Sägeblattes für Holzschneidanwendungen sein.
In einem anderen Aspekt werden Drähte oder Stäbe für die Herstellung von Schneidwerkzeugen beschrieben. Beispielsweise weist ein Draht oder Stab für die Herstellung von Schneidwerkzeugen eine kobaltbasierte Legierung mit einer chromreichen Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, einer wolframreichen Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen eine kobaltreiche Mischkristallmatrix, umfassend Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram, auf In einigen Ausführungsformen wird der Draht oder Stab bei der Schneidwerkzeugbildung geschmolzen. Wie hier detailliert beschrieben, kann der Draht oder Stab einer kobaltbasierten Legierung geschmolzen werden, um Spitzen eines Sägeblattes für Holzschneidanwendungen zu bilden.
In einem weiteren Aspekt werden Verfahren zum Schneiden von Holz beschrieben. Ein Verfahren zum Schneiden von Holz umfasst in einigen Ausführungsformen das Bilden der Schneidplatten eines Sägeblattes aus einer kobaltbasierten Legierung mit Chrom in einer Menge von 25-32 Gewichtsprozent, Wolfram in einer Menge von 18-21 Gewichtsprozent, Nickel in einer Menge von 4-6 Gewichtsprozent, Vanadium in einer Menge von 0,5-1,5 Gewichtsprozent, Kohlenstoff in einer Menge von 0,1-1 Gewichtsprozent, Bor in einer Menge von 0-2 Gewichtsprozent und zu übrigen Teilen Kobalt. Die Schneidspitzen sind mit einem Sägekörper verbunden und Holz wird mit den Spitzen durch Bewegung des Sägekörpers geschnitten.
Diese und andere Ausführungsformen werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung näher beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (SEM, Scanning Electron Micrograph) einer hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung gemäß einigen Ausführungsformen.
2 zeigt die gravimetrische Korrosionsbeständigkeit der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung gegenüber 5 %iger wässriger HCl-Lösung im Vergleich zur Legierung auf Basis von Stellite™12-Kobalt gemäß einigen Ausführungsformen.
3 zeigt die Korrosionsbeständigkeit der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung gegenüber einer 10 %igen wässrigen Lösung von H₂SO₄ im Vergleich zu Stellite™ 12 gemäß einigen Ausführungsformen.
4 zeigt verschiedene strukturelle Merkmale einer Spitze zum Schneiden von Holz gemäß einigen Ausführungsformen.
5 zeigt die Veränderung der Schneidspitzenbreite in Bezug auf die Holzschneidelänge für erfindungsgemäße und zum Vergleich bestimmte kobaltbasierte Legierungen gemäß einigen Ausführungsformen.
6 zeigt die Veränderung des Schneidspitzendurchmessers in Bezug auf die Schneidelänge für erfindungsgemäße und zum Vergleich bestimmte kobaltbasierte Legierungen gemäß einigen Ausführungsformen.
7 zeigt eine Spitze aus einer kobaltbasierten Legierung gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es sollte klar sein, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind Fachleuten ohne weiteres offensichtlich, ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
I. Kobaltbasierte Legierungen
In einem Aspekt werden hier kobaltbasierte Legierungen beschrieben, die eine Zusammensetzung und Mikrostruktur aufweisen, welche eine Ausgewogenheit von für Holzschneidanwendungen wünschenswerter Härte, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit ermöglichen. Eine kobaltbasierte Legierung weist eine chromreiche Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, eine wolframreiche Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen eine kobaltreiche Mischkristallmatrix, die Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram umfasst, auf. In einigen Ausführungsformen sind die chromreiche Carbidphase und die wolframreiche Phase in der kobaltreichen Mischkristallmatrix dispergiert. 1 ist eine REM-Aufnahme der kobaltbasierten Legierung gemäß einigen Ausführungsformen. Die kobaltreiche Matrixphase ist grau und die chromreiche Carbidphase (schwarz) ist darin dispergiert. Die wolframreiche Phase (weiß) ist ebenfalls in der kobaltreichen Matrixphase dispergiert.
Nun wird Bezug genommen auf die spezifischen Komponenten, wobei die chromreiche Carbidphase in der kobaltbasierten Legierung in einer Menge von 15-30 Volumenprozent vorhanden ist. In einigen Ausführungsformen liegt die chromreiche Carbidphase in einer aus Tabelle II ausgewählten Menge vor. Tabelle I - Cr-reiche Carbidphase (Vol.-%)

17-28

19-27

20-25

22-24
In einigen Ausführungsformen, umfasst die chromreiche Carbidphase Carbide aus der Gruppe bestehend aus M₇C₃, M₂₃C₆, M₆C und Mischungen davon, wobei M Chrom oder eine Kombination aus Chrom sowie Wolfram und/oder Kobalt ist. Wie in 1 dargestellt, kann die chromreiche Carbidphase mehrere Morphologien aufweisen, einschließlich unregelmäßig geformter, kugelförmiger, reiskornförmiger oder Mischungen davon.
Wie hier beschrieben, ist eine wolframreiche Phase in der kobaltbasierten Legierung in einer Menge von 9-15 Volumenprozent vorhanden. Die wolframreiche Phase kann auch in einer Menge von 10-14 Vol.-% oder 10,5-12,5 Vol.-% vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen liegt die wolframreiche Phase neben und/oder in Kontakt mit der chromreichen Carbidphase in der kobaltreichen Mischkristallmatrix. Die wolframreiche Phase kann eine oder mehrere Arten umfassen, unter anderem Wolfram, das komplexe Carbide (Co₃W₃C, Co₆W₆C) und/oder intermetallische Verbindungen wie z. B Co₃W und/oder Co₇W₆ enthält.
Die kobaltreiche Mischkristallmatrix, in der die wolframreiche Phase und die chromreiche Carbidphase dispergiert sind, kann mehrere elementare Komponenten umfassen, die einen Mischkristall mit Kobalt bilden. Der kobaltreiche Mischkristall kann beispielsweise Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram enthalten. In einigen Ausführungsformen sind zusätzliche Übergangsmetalle vorhanden, unter anderem Eisen, Molybdän und/oder anderer Übergangsmetalle der Gruppen IVB-VIIIB. Die kobaltreiche Mischkristallmatrix bildet den Rest der Legierungszusammensetzung. Dementsprechend kann die kobaltreiche Matrixphase im Allgemeinen in einer Menge von 55-76 Volumenprozent vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen liegt die kobaltreiche Mischkristallmatrix in einer Menge von 65-70 Volumenprozent vor. Die kristalline Struktur des kobaltreichen Mischkristalls kann kubisch, hexagonal oder Mischungen davon sein. In einigen Ausführungsformen ist die kristalline Struktur des kobaltreichen Mischkristalls flächenzentriert kubisch (fcc), hexagonal dicht gepackt (hcp) oder Mischungen davon. Falls gewünscht, können Elemente, die die kubische kristalline Struktur von Kobalt stabilisieren, zum Legieren mit Kobalt bei der Bildung des kobaltreichen Mischkristalls ausgewählt werden. Beispielsweise können Elemente, die die kubische kristalline Struktur von Kobalt stabilisieren, in einer Menge von 13-20 Gewichtsprozent der gesamten Elemente, die den Mischkristall mit Kobalt bilden, vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen sind kubische stabilisierende Elemente in einer Menge von 14-17 Gewichtsprozent der gesamten Elemente, die den Mischkristall mit Kobalt bilden, vorhanden. Elemente, die die kubische kristalline Struktur von Kobalt stabilisieren, können aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Mangan, Vanadium, Kohlenstoff und verschiedenen Mischungen davon ausgewählt werden. Andere kubische stabilisierende Elemente können unabhängig von oder zusätzlich zu denen von Eisen, Nickel, Mangan, Vanadium und Kohlenstoff verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen sind starke MC-Carbid-bildende Elemente von den hier beschriebenen kobaltbasierten Legierungen ausgeschlossen. Mehrere Elemente zeigen große negative Veränderungen bei der Gibbs-Energie beim Bilden von MC-Carbiden. Solche Elemente können mit Chrom um die Carbidbildung konkurrieren. Wie hier weiter beschrieben, kann der Kohlenstoffgehalt in einigen Ausführungsformen auf 0,1 bis 1 Gewichtsprozent in der Legierungszusammensetzung auf Kobaltbasis begrenzt sein. Um einen Wettbewerb um begrenzten Kohlenstoff auszuschließen und die Bildung der chromreichen Carbidphase zu begünstigen, können Elemente, die bei der Metallcarbidbildung große Veränderungen der Gibbs-Energie induzieren, im Allgemeinen minimiert oder aus der kobaltbasierten Legierung ausgeschlossen werden. In einigen Ausführungsformen werden beispielsweise Titan, Zirkonium, Niob, Hafnium und/oder Tantal minimiert oder aus den hier beschriebenen kobaltbasierten Legierungen ausgeschlossen. Wenn sie minimiert sind, können diese Elemente einzeln in einer Menge von weniger als 0,5 Gewichtsprozent vorhanden sein.
Zusätzlich zu den vorangehenden mikrostrukturellen Phasen kann die kobaltbasierte Legierung ein Chrom/Kohlenstoff-Verhältnis von 30 bis 35 aufweisen. In einigen Ausführungsformen beträgt das Cr/C-Verhältnis 31-34 oder 32-33. Ein Cr/C-Verhältnis in diesen Bereichen kann der kobaltbasierten Legierung eine wünschenswerte Beständigkeit gegenüber verschiedenen korrosiven Spezies, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Salzsäure (HCl), Schwefelsäure (H₂SO₄) und/oder Salpetersäure (HNO₃), verleihen. 2 zeigt die Korrosionsbeständigkeit der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung gegenüber 5 %iger wässriger HCl-Lösung im Vergleich zu einer Stellite™12-Legierung auf Kobaltbasis, die im Handel von Kennametal, Inc., Latrobe, PA erhältlich ist. Wie in 2 dargestellt, zeigte die kobaltbasierte Legierung mit der Zusammensetzung und den Eigenschaften wie hier beschrieben im Vergleich zu Stellite™ 12 einen signifikant geringeren Gewichtsverlust und behielt eine höhere Korrosionsbeständigkeit über einen wesentlich längeren Zeitraum hinweg bei. 3 zeigt die Korrosionsbeständigkeit der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung gegenüber einer 10 %igen wässrigen Lösung von H₂SO₄ im Vergleich zu Stellite™ 12. Die hier beschriebene kobaltbasierte Legierung weist eine überlegene Beständigkeit gegenüber H₂SO₄ auf und zeigt im Wesentlichen keinen Gewichtsverlust über eine Expositionszeit von 400 Stunden. Im Gegensatz dazu verlor die Stellite™12-Probe über eine Expositionszeit von 250 Stunden fast 20 Gewichtsprozent Gewicht.
Zusätzlich zum Cr/C-Verhältnis kann die kobaltbasierte Legierung ein Wolfram/Kohlenstoff-Verhältnis von 20 bis 25 aufweisen. In einigen Ausführungsformen beträgt das W/C-Verhältnis 21-24 oder 22-23. Ein W/C-Verhältnis mit einem der vorgenannten Werte kann zur Verschleißfestigkeit der Kobaltlegierungszusammensetzung beitragen, wodurch die Lebensdauer der aus der Legierungszusammensetzung gebildeten Schneidelemente verlängert wird. 4-6 veranschaulichen Verbesserungen der Verschleißfestigkeit, die durch die hier beschriebenen kobaltbasierten Legierungen bereitgestellt werden. Schneidspitzen wurden aus der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung mittels Super-Solidus-Flüssigphasensinterns hergestellt und mit Schneidspitzen verglichen, die aus Stellite™12 mittels Super-Solidus-Flüssigphasensinterns hergestellt wurden. Die Schneidspitzenbreite und der Schneidspitzendurchmesser nach dem Holzschneiden wurden als Indikator für die Verschleißfestigkeit gemessen. Die Änderung der Schneidspitzenbreite ist definiert als die Änderung der Anfangsspitzenbreite, die der Abstand zwischen den Tangenten der verschlissenen und der nicht verschlissenen Zahnflächen ist. Der Schneidspitzendurchmesser ist die Größe des Kreises, der am besten zur Zahnspitze passt. Diese strukturellen Prinzipien sind in 4 weiter veranschaulicht. 5 stellt eine Änderung der Schneidspitzenbreite im Verhältnis zur Holzschneidelänge dar. Wie in 5 dargestellt, zeigten Schneidspitzen, die aus einer kobaltbasierten Legierung mit der Zusammensetzung und den Eigenschaften wie hier beschrieben gebildet wurden, eine signifikant höhere Verschleißfestigkeit im Vergleich zu Schneidspitzen aus Stellite™12. In ähnlicher Weise zeigten Schneidspitzen aus der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung eine wesentlich geringere Erosion des Spitzendurchmessers, wie in 6 dargestellt.
Die kobaltbasierte Legierung kann auch Bor umfassen. Für das vorliegende Legierungssystem kann Bor die Oberflächenspannung reduzieren, um die Verdichtung der kobaltbasierten Legierung während der Schneidelementbildung zu verbessern. Wie hier weiter beschrieben, können in einigen Ausführungsformen Schneidelemente aus der kobaltbasierten Legierung durch pulvermetallurgische Techniken, einschließlich Super-Solidus-Flüssigphasensinterns, gebildet werden. Wenn vorhanden, kann Bor in die chromreiche Carbidphase eingehen. Beispielsweise kann Bor Cr₇(C,B)₃ und/oder Cr₂₃(C,B)₆ bilden. Insbesondere wurde festgestellt, dass das Verhältnis von (Cr+V)/(C+B) eine Rolle für die Duktilität und Zähigkeit der kobaltbasierten Legierung spielt. Während die Metallcarbidbildung die Härte und Verschleißfestigkeit erhöht, sind Duktilität und Zähigkeit erforderlich, um Rissbildung und Bruch der kobaltbasierten Legierung zu verhindern oder auszuschließen, insbesondere bei den äußerst variablen Betriebsbedingungen beim Schneiden von unbehandeltem Holz. In einigen Ausführungsformen hat das (Cr+V)/(Cr+B)-Verhältnis einen Wert größer 10. In anderen Ausführungsformen hat (Cr+V)/(Cr+B) der kobaltbasierten Legierung einen aus Tabelle II ausgewählten Wert. Tabelle II - Wert von (Cr+V)/(Cr+B)

≥ 15

≥ 20

10-40

15-30

20-25
Wie hier weiter ausgeführt, kann eine kobaltbasierte Legierung mit Zusammensetzung und Eigenschaften wie in diesem Abschnitt I beschrieben als Draht oder Stab zur Schneidwerkzeugbildung bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen wird der Draht oder Stab bei der Schneidwerkzeugbildung geschmolzen wie z. B. bei Schweißauftragen von Schneidelementen. Der Draht oder Stab der kobaltbasierten Legierung kann beispielsweise zum Bilden von Spitzen eines Sägeblattes für Holzschneidanwendungen geschmolzen werden.
II. Werkzeugbereitstellungsartikel
In einem anderen Aspekt werden Werkzeugbereitstellungsartikel beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Werkzeugbereitstellungsartikel ein oder mehrere Schneidelemente, die aus einer kobaltbasierten Legierung gebildet sind, die eine chromreiche Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, eine wolframreiche Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen eine kobaltreiche Mischkristallmatrix, die Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram umfasst, aufweist. Die Schneidelemente können Spitzen eines Sägeblattes für Holzschneidanwendungen sein. Die kobaltbasierte Legierung, welche die Schneidelemente, einschließlich der Spitzen eines Sägeblattes, bildet, kann eine beliebige hier in Abschnitt I beschriebene Zusammensetzung und/oder Eigenschaften aufweisen. Die kobaltbasierte Legierung kann zum Beispiel die in Abschnitt I beschriebenen Cr/C- und W/C-Verhältnisse aufweisen. Darüber hinaus kann die chromreiche Carbidphase Carbide aus der Gruppe bestehend aus M₇C₃, M₂₃C₆, M₆C und Mischungen davon umfassen, wobei M Chrom oder eine Kombination aus Chrom sowie Wolfram und/oder Kobalt ist.
Schneidelemente, einschließlich Sägeblattspitzen, können beliebige Gestaltungen, Geometrien, Winkel und/oder Beabstandungen für Holzschneidanwendungen aufweisen. In einigen Ausführungsformen werden die Schneidspitzen aus der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung mittels Schweißens oder Lötens mit einem Sägekörper verbunden. Beispielsweise können die Schneidspitzen mit einem Lötmaterial beschichtet und mit dem Sägekörper durch Widerstandsschweißen oder Induktionsschweißen verbunden werden, um eine ausreichende Verbundfestigkeit sicherzustellen. In solchen Ausführungsformen werden die Schneidspitzen vorgeformt, gewöhnlich durch pulvermetallurgische Techniken, einschließlich Super-Solidus-Flüssigphasensintern der kobaltbasierten Legierung in Pulverform. Alternativ können Schneidspitzen durch Schweißauftragen der kobaltbasierten Legierung in Draht- oder Stabform aufgebracht werden. Stäbe oder Drähte der kobaltbasierten Legierung können durch Stranggießen oder durch pulvermetallurgische Techniken hergestellt werden.
III. Verfahren zum Schneiden von Holz
In einem weiteren Aspekt werden Verfahren zum Schneiden von Holz beschrieben. Ein Verfahren zum Schneiden von Holz umfasst in einigen Ausführungsformen das Bilden der Schneidplatten eines Sägeblattes aus einer kobaltbasierten Legierung mit Chrom in einer Menge von 25-32 Gewichtsprozent, Wolfram in einer Menge von 18-21 Gewichtsprozent, Nickel in einer Menge von 4-6 Gewichtsprozent, Vanadium in einer Menge von 0,5-1,5 Gewichtsprozent, Kohlenstoff in einer Menge von 0,1-1 Gewichtsprozent, Bor in einer Menge von 0-2 Gewichtsprozent und zu übrigen Teilen Kobalt. Die Schneidspitzen sind mit einem Sägekörper verbunden, und Holz wird mit den Spitzen durch Bewegung des Sägekörpers geschnitten.
Die Zusammensetzungsaspekte der kobaltbasierten Legierung können spezifisch eingestellt werden, um Schneidspitzen die in Abschnitt I beschriebenen mikrostrukturellen Phasen zu verleihen, einschließlich der chromreichen Carbidphase, der wolframreichen Phase und des kobaltreichen Mischkristalls. Beispielsweise können Elemente, die die kubische kristalline Struktur von Kobalt stabilisieren, in der Legierung in einer Menge von 13-20 Gewichtsprozent der gesamten mit Kobalt in der Mischkristallphase legierten Elemente enthalten sein. Elemente, die die kubische kristalline Struktur von Kobalt stabilisieren, können aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel, Mangan, Vanadium, Kohlenstoff und verschiedenen Mischungen davon ausgewählt werden. Andere kubische stabilisierende Elemente können unabhängig von oder zusätzlich zu denen von Eisen, Nickel, Mangan, Vanadium und Kohlenstoff verwendet werden. Darüber hinaus können Metalle, die bei der Metallcarbid-(MC)-Bildung große Veränderungen der Gibbs-Energie induzieren, im Allgemeinen minimiert oder aus der kobaltbasierten Legierung ausgeschlossen werden. In einigen Ausführungsformen werden beispielsweise Titan, Zirkonium, Niob, Hafnium und/oder Tantal minimiert oder aus den hier beschriebenen kobaltbasierten Legierungen ausgeschlossen. Die Minimierung oder der Ausschluss dieser Metalle kann in einigen Ausführungsformen die Bildung der chromreichen Carbidphase erleichtern.
Zusätzlich kann Bor in der Legierungszusammensetzung auf Kobaltbasis vorhanden sein. Wie hier beschrieben, kann die kobaltbasierte Legierung ein (Cr+V)/(Cr+B)-Verhältnis mit einem Wert größer 10 aufweisen. In anderen Ausführungsformen hat (Cr+V)/(Cr+B) der kobaltbasierten Legierung einen aus vorstehender Tabelle II ausgewählten Wert.
Schneidspitzen für Holzschneidanwendungen können aus der kobaltbasierten Legierung durch verschiedene Verfahren gebildet werden. In einigen Ausführungsformen wird eine pulverförmige kobaltbasierte Legierung mit in diesem Abschnitt III aufgeführten Zusammensetzungsparametern bereitgestellt und flüssigphasengesintert, um die Schneidspitzen bereitzustellen. In solchen Ausführungsformen, werden die Schneidspitzen vorgeformt und anschließend durch Löten oder Schweißen mit dem Sägekörper verbunden. Alternativ wird die kobaltbasierte Legierung als Stab oder Draht zur Schweißabscheidung der Schneidspitzen auf dem Sägekörper bereitgestellt.
Das durch die Schneidspitzen geschnittene Holz kann in beliebiger Form vorliegen, auch als unbearbeitetes oder unbehandeltes Holz. Beispielsweise können Sägeblätter, die die hier beschriebenen Spitzen aufweisen, vor Ort bei der Holzernte aus dem Wald eingesetzt werden. In anderen Ausführungsformen hat das durch die Schneidspitzen geschnittene Holz einen oder mehreren Bearbeitungsschritte durchlaufen. Das Schneiden von Holz kann auch bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. In einigen Ausführungsformen liegt das Holz in einem gefrorenen oder teilweise gefrorenen Zustand vor, wenn es durch die Spitzen aus der kobaltbasierten Legierung geschnitten wird.
Diese und andere Ausführungsformen werden durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
Beispiel 1 - Schneidspitzen aus kobaltbasierter Legierung
In 7 dargestellte C150-240-Spitzen wurden aus einer kobaltbasierten Legierung mit der hier in Abschnitt I beschriebenen Zusammensetzung gebildet. Der Schneidtest erfolgte mit einer 10-Zoll-VDA-Säge mit 43,498 cm (17,125") Durchmesser und 42 Zähnen. Der Spanwinkel betrug 30° und SPF-Holz wurde im Gleichlauf geschnitten. Es wurde kein Spitzenbruch und kein Absplittern beobachtet und die Spitzen aus kobaltbasierter Legierung waren um 25 - 30 % schärfer als Gegenstücke aus Stellite™ 12. Die Spitzen schnitten gut, und nach 8 Stunden Schneiden blieben die Sägen scharf und waren schärfer als Vergleichssägen aus Stellite™ 12.
Entsprechend mussten die Sägen aus Stellite™ 12 nach 8 Stunden Schneiden geschärft werden, während die Sägen mit der hier beschriebenen kobaltbasierten Legierung für die nachfolgende Verwendung nicht geschärft werden mussten.
Beispiel 2 - Schneidspitzen aus kobaltbasierter Legierung
WG7140-Spitzen nach europäischer Art wurden aus einer kobaltbasierten Legierung mit der hier in Abschnitt I beschriebenen Zusammensetzung gebildet. Der Schneidtest erfolgte mit einer größeren VDA-Säge mit 48 cm (19") Durchmesser und 35 Zähnen. Der Spanwinkel betrug 28°, und Fichten-, Kiefern- und Balsamholz wurde im Gleichlauf geschnitten. Es wurde festgestellt, dass die hier beschriebenen Spitzen aus kobaltbasierter Legierung leichter schnitten als Spitzen aus Stellite™12, und die Spitzen schienen schärfer als Spitzen aus Stellite™12. Nach 16 bis 24 Stunden Schneiden erforderten die Spitzen aus kobaltbasierter Legierung ein minimales Schärfen, was auf eine hohe Verschleißfestigkeit hindeutet.
Beispiel 3 - Schneidspitzen aus kobaltbasierter Legierung
250 x 0,140 große Dreiecksschneidspitzen wurden aus einer kobaltbasierten Legierung mit der hier in Abschnitt I beschriebenen Zusammensetzung gebildet. Der Schneidtest erfolgte mit einer Säge mit einem Durchmesser von 56 cm (22") und 24 Zähnen. Der Spanwinkel betrug 30°, und Zedernholz wurde im Gleichlauf geschnitten. Der Test wurde im kalten Winter und mit schmutzigem Holz durchgeführt. Die Schneidspitzen hielten das Schneiden einen ganzen Tag (8-9 Stunden) aus, ohne dass sie ausgetauscht werden mussten.

Claims

Kobaltbasierte Legierung, bestehend aus: einer chromreichen Carbidphase in einer Menge von 15-30 Volumenprozent, einer wolframreichen Phase in einer Menge von 9-15 Volumenprozent und zu übrigen Teilen einer kobaltreichen Mischkristallmatrix, umfassend Nickel, Chrom, Vanadium und Wolfram, wobei die chromreiche Carbidphase Carbide aufweist, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus M₇C₃, M₂₃C₆, M₆C und Mischungen davon, wobei M Chrom oder eine Kombination ist, die Chrom sowie Wolfram und/oder Kobalt umfasst, und wobei die wolframreiche Phase mindestens Co₃W und/oder Co₇W₆ aufweist.
Kobaltbasierte Legierung nach Anspruch 1, wobei die kobaltbasierte Legierung aus Folgendem besteht: Chrom in einer Menge von 25-32 Gewichtsprozent, Wolfram in einer Menge von 18-21 Gewichtsprozent, Nickel in einer Menge von 4-6 Gewichtsprozent, Vanadium in einer Menge von 0,5-1,5 Gewichtsprozent, Kohlenstoff in einer Menge von 0,1-1 Gewichtsprozent, Bor in einer Menge von 0-2 Gewichtsprozent, wahlweise ein oder mehrere Elemente, welche die kubische kristalline Struktur von Kobalt stabilisieren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Molybdän und/oder anderer Übergangsmetalle der Gruppen IVB-VIIIB in einer Menge von 13-20 Gewichtsprozent der gesamten Elemente, welche die kobaltreiche Mischkristallmatrix bilden, und zu übrigen Teilen Kobalt.
Kobaltbasierte Legierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die chromreiche Carbidphase und die wolframreiche Phase in der kobaltreichen Mischkristallmatrix dispergiert sind.
Kobaltbasierte Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die chromreiche Carbidphase in einer Menge von 20-25 Volumenprozent vorhanden ist.
Kobaltbasierte Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wolframreiche Phase in einer Menge von 10-13 Volumenprozent vorhanden ist.
Kobaltbasierte Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kobaltreiche Mischkristallmatrix Eisen umfasst.
Kobaltbasierte Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Chrom/Kohlenstoff-Verhältnis von 30 bis 35.
Kobaltbasierte Legierung nach Anspruch 7 mit einem Wolfram/Kohlenstoff-Verhältnis von 20 bis 25.
Kobaltbasierte Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Bor umfasst, wobei das Bor in der chromreichen Carbidphase vorhanden ist.
Kobaltbasierte Legierung nach Anspruch 9, wobei ein Verhältnis (Cr+V)/(Cr+B) größer 12 ist.
Werkzeugartikel, der aufweist: ein oder mehrere Schneidelemente, die aus einer kobaltbasierten Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 gebildet sind.
Werkzeugartikel nach Anspruch 11, wobei das eine oder die mehreren Schneidelemente Spitzen eines Sägeblattes umfassen.
Werkzeugartikel nach Anspruch 12, wobei die Spitzen eine Geometrie, einen Winkel und/oder einen Abstand für das Schneiden von Holz aufweisen.