DE102023135181A1

DE102023135181A1 - Hartmetall

Info

Publication number: DE102023135181A1
Application number: DE102023135181.8A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schneider; Timo Bernthaler; Tim Schubert; Benjamin Uhl; Julian Schurr
Original assignee: Hochschule Aalen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Aalen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-12-15
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Es wird ein Hartmetall vorgeschlagen. Das Hartmetall umfasst:• mindestens ein Basismetall, wobei das Basismetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Molybdän;• 52 at.% bis 98 at.% mindestens einer Karbidphase des mindestens einen Basismetalls; und• 2 at.% bis 48 at.% mindestens einer Bindephase, wobei die Bindephase das mindestens eine Basismetall aufweist,wobei das Hartmetall weniger als 2 at.% Kobalt aufweist, wobei das Hartmetall weniger als 2 at.% Nickel aufweist, wobei das Hartmetall weniger als 2 at.% Eisen aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartmetall und ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalls. Aus dem Hartmetall kann ein Hartmetallkörper geformt werden. Der Hartmetallkörper kann insbesondere ein Bauteil mit einer komplexen Geometrie sein, wie beispielsweise ein Fräser oder ein Bohrer. Die Erfindung ist daher vorzugsweise einsetzbar in der zerspanenden Industrie, insbesondere bei der Bearbeitung von metallischen Werkstoffen. Auch andere Anwendungen sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Stand der Technik
Hartmetallwerkzeuge werden in der Industrie beim Bearbeiten von Materialen wie Metallen oder Kompositen vielfach verwendet, beispielsweise beim Zerspanen, insbesondere beim Fräsen. Hartmetall ist als Werkstoff im Allgemeinen in der zerspanenden Industrie etabliert. Darüber hinaus können Hartmetallwerkzeuge beispielsweise auch bei einer Holzbearbeitung sowie im Berg-, Straßen- und Tunnelbau verwendet werden. Das Hartmetall umfasst zumeist Wolframkarbid in Verbindung mit Kobalt.
Hartmetalle werden üblicherweise mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens durch Pressen und Flüssigphasensintern mit anschließender spanender Bearbeitung hergestellt. Aufgrund des Sinterprozesses besteht grundsätzlich eine technologische Begrenzung der möglichen Bindermaterialien aufgrund von unwirtschaftlichen hohen notwendigen Temperaturen. Bindermaterialien mit sehr hohen Schmelzpunkten sind grundsätzlich nicht über das Flüssigphasensintern herstellbar. Gängige Bindermaterialien sind grundsätzlich Kobalt, Eisen und Nickel.
WO 2019/068117 A1 betrifft ein Bauteil, das eine Vielzahl einzelner, über ein Additives Fertigungsverfahren durch einen energiereichen Strahl zu einer festen Struktur zusammengeschmolzener Pulverpartikel aus Mo, einer Mo-basierten Legierung, W oder einer W-basierten Legierung umfasst, wobei das Bauteil einen Sauerstoffgehalt kleiner oder gleich 0,1 at% aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Additives Fertigungsverfahren, wobei das Pulver über die Schmelzphase hergestellt ist und einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von größer oder gleich 0,15 at% aufweist. Die erfindungsgemäßen Bauteile sind rissfrei und zeichnen sich durch eine hohe Korngrenzenfestigkeit aus.
US 10920304 B2 beschreibt ein Sinterkarbid, umfassend 55-90 Massenteile WC-Teilchen und 10-45 Massenteile einer Bindephase auf Fe-Basis, wobei die Bindephase eine Zusammensetzung aufweist, die 2,5-10 Massen-% Ni, 0,2-1,2 Massen-% C, 0,5-5 Massen-% Cr, 0,2-2,0 Massen-% Si, 0,1-3 Masse-% W, 0-5 Massen-% Co und 0-1 Massen-% Mn aufweist, wobei der Rest im Wesentlichen Fe und unvermeidliche Verunreinigungen sind und das Sinterkarbid im Wesentlichen frei von Verbundkarbiden mit Hauptachsen von 5 µm oder mehr ist. Dieses Sinterkarbid wird nach dem Vakuumsintern durch Abkühlen mit einer Abkühlungsrate von 60° C/Stunde oder mehr zwischen 900 °C und 600 °C hergestellt.
US 4626281 A beschreibt eine Materialzusammensetzung mit einer Rockwell-A-Härte von mindestens 85 welche aus einer Vorläufermischung gebildet wird, die zwischen 3 und 10 Gewichtsprozent Borkarbid und als Rest eine Metallmischung mit 70 bis 90 Prozent Wolfram oder Molybdän umfasst, wobei der Rest der Metallmischung Nickel und Eisen oder eine Mischung davon umfasst. Die Zusammensetzung hat eine relativ geringe Dichte von 7 bis 14 g/cm³. Der Vorläufer wird vorzugsweise heiß gepresst, um eine Zusammensetzung mit mehr als 100 % der theoretischen Dichte zu erhalten.
EP 3885459 A1 beschreibt eine Bereitstellung eines kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetallwerkstoffs, mit 70-97 Gew.-% Hartstoffpartikeln, die zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildet sind, und 3-30 Gew.-% eines metallischen Binders, der eine Eisen-Nickel-Basislegierung ist, die zumindest Eisen, Nickel und Chrom aufweist, mit einem Verhältnis von Fe zu (Ni + Fe) von 0,70 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,95; einem Cr-Gehalt von 0,5 Gew.-% ≤ Cr/(Fe + Ni + Cr) und (i) für den Bereich 0,7 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,83:Cr/(Fe + Ni + Cr) ≤ (- 0,625 * (Fe/(Fe + Ni)) +3,2688) Gew.-% ; (ii) für den Bereich 0,83 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,85:Cr/(Fe + Ni + Cr) ≤ (- 27,5 * (Fe/(Fe + Ni)) + 25,575) Gew.-% und (iii) für den Bereich 0,85 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,95: Cr/(Fe + Ni + Cr) ≤ 2,2 Gew.-%; mit optional einem Mo-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von0 Gew.-% ≤ Mo/(Fe + Ni + Cr) ≤ 10 Gew.-%; mit optional einem V-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von 0 Gew.-% ≤ V/(Fe + Ni + Cr) ≤ 2 Gew.-%; und unvermeidlichen Verunreinigungen bis zu insgesamt maximal 1 Gew.-% des Hartmetallwerkstoffs.
WO 2010/002832 A2 beschreibt eine Bindungsmatrix für metallgebundene Schleifwerkzeuge welche ein Metallbindungssystem, Porosität und einen optionalen Füllstoff aufweist. Werkzeuge nach beschriebenen Ausführungsformen weisen eine lange Standzeit auf, erzeugen eine akzeptable Schnittqualität und können selbstabrichtende Eigenschaften haben. Die Bindungsmatrix kann beispielsweise in Schleifwerkzeugen verwendet werden, die für die Elektronikindustrie konfiguriert sind, wie 1A8-Räder zum Schneiden von sog. Ball Grid Arrays (BGAs, deutsch: Kugelgitteranordnungen) und anderen derartigen Schneidvorgängen.
Trotz der durch diese Verfahren bewirkten Verbesserungen ist nach wie vor ein Optimierungspotenzial vorhanden. So sind die konventionellen Binder Kobalt oder Nickel als gesundheitsschädlich eingestuft und für Kobalt besteht auch aufgrund der Anwendung in der Batterietechnologie und Elektroindustrie grundsätzlich ein erhöhtes Risiko der Verknappung des Angebots in naher Zukunft. Eine laserbasierte additive Fertigung von Hartmetallen mit bekannten Binderphasen wie beispielsweise Kobalt, Eisen und Nickel erreicht zudem grundsätzlich nicht die für einen Hartmetallkörper geforderten mechanische Eigenschaften.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere soll ein Hartmetall sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalls bereitgestellt werden unter Vermeidung einer Verwendung von Kobalt und Nickel sowie mit verbesserten mechanischen Eigenschaften.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Hartmetall sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalls mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Für weitere Einzelheiten wird auf die Merkmale der abhängigen Ansprüche, die übrige Beschreibung und die Ausführungsbeispiele verwiesen.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
Der Ausdruck „at.%“, wie er im Folgenden verwendet wird, kann sich insbesondere auf eine Angabe eines prozentualen Anteils von Atomen in einer chemischen Substanz beziehen. Der Prozentsatz der Atome kann berechnet werden, indem die Anzahl aller Atome einer Elementart durch die Anzahl aller Atome in der chemischen Substanz geteilt wird. Anschließend kann das Ergebnis mit 100 multipliziert werden.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hartmetall vorgeschlagen. Das Hartmetall umfasst mindestens ein Basismetall. Das Basismetall ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Molybdän. Das Hartmetall umfasst 52 at.% bis 98 at.% mindestens einer Karbidphase des mindestens einen Basismetalls. Das Hartmetall umfasst weiterhin 2 at.% bis 48 at.% mindestens einer Bindephase. Die Bindephase weist das mindestens eine Basismetall auf.
Der Begriff „Hartmetall“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Metallmatrix-Verbundwerkstoff, bei welchem ein oder mehrere Hartstoffe, welche grundsätzlich als Partikel vorliegen, durch eine Matrix zusammengehalten werden, welche im Wesentlichen aus Metall ist. Hartmetalle können über eine sehr hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Warmhärte verfügen. Das Hartmetall kann insbesondere als Schneidwerkstoff für Zerspanwerkzeuge, wie Bohrer oder Fräser sowie für Umform- oder Stanzwerkzeuge eingesetzt werden. Anwendungsbereiche sind eine Bearbeitung von beispielweise Weichkeramiken, Kunststoffen, Verbundwerkstoffen und Metallen. Weitere Anwendungsbereiche wie beispielsweise im Bergbau und im Bauwesen sind grundsätzlich denkbar. Etabliert sind Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetalle, welche grundsätzlich einen Hauptanteil unter Hartmetallen stellen.
Aus dem Hartmetall kann ein Hartmetallkörper geformt werden. Der Begriff „Hartmetallkörper“ bezeichnet grundsätzlich einen beliebigen Körper, welcher zumindest an einem Teil einer Oberfläche mindestens ein Hartmetall aufweist.
Wie oben ausgeführt, umfasst das Hartmetall das mindestens eine Basismetall. Der Begriff „Basismetall“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Metall, welches das Hartmetall umfasst. Wie oben ausgeführt, weist das Hartmetall die mindestens eine Karbidphase des mindestens einen Basismetalls auf. Weiterhin weist die Bindephase das Basismetall auf. Das Basismetall ist, wie oben ausgeführt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Molybdän. Darüber hinaus kann das Basismetall ein oder mehrere Übergangsmetalle der 4.-6. Nebengruppe des Periodensystems umfassen. Beispielsweise kann das Basismetall Titan, Vanadium Chrom und/oder Tantal umfassen.
Insbesondere kann das Basismetall Wolfram sein, insbesondere ausschließlich Wolfram. In diesem Falle kann es sich bei der Karbidphase um Wolframkarbid handeln, insbesondere um ausschließlich Wolframkarbid. Die Bindephase kann dabei Wolfram umfassen, beispielsweise ausschließlich Wolfram. Alternativ kann die Bindephase neben Wolfram weitere Elemente umfassen.
Insbesondere kann das Basismetall Molybdän sein, insbesondere ausschließlich Molybdän. In diesem Falle kann es sich bei der Karbidphase um Molybdänkarbid handeln, insbesondere um ausschließlich Molybdänkarbid. Die Bindephase kann dabei Molybdän umfassen, beispielsweise ausschließlich Molybdän. Alternativ kann die Bindephase neben Molybdän weitere Elemente umfassen.
Insbesondere kann das Basismetall Wolfram und Molybdän umfassen, insbesondere ausschließlich Wolfram und Molybdän. In diesem Falle kann es sich bei der Karbidphase um Molybdänkarbid und um Wolframkarbid handeln, insbesondere um ausschließlich Molybdänkarbid und Wolframkarbid. Die Bindephase kann dabei Molybdän und Wolfram umfassen, beispielsweise ausschließlich Molybdän und Wolfram. Alternativ kann die Bindephase neben Molybdän und Wolfram weitere Elemente umfassen.
Wie oben ausgeführt, umfasst das Hartmetall 52 at.% bis 98 at.% mindestens einer Karbidphase des mindestens einen Basismetalls. Der Begriff „Karbidphase“ bezeichnet grundsätzlich eine Karbidverbindung des Basismetalls. Die Karbidverbindung kann insbesondere eine Wolframkarbid-Verbindung und/oder eine Molybdänkarbid-Verbindung umfassen. Das Hartmetall kann grundsätzlich weitere Karbidphasen aufweisen, beispielsweise ein oder mehrere Karbidverbindungen eines Metalls der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodensystems, insbesondere Titan, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal und Chrom. Auch andere Verbindungen sind grundsätzlich denkbar. Die Karbidverbindung kann insbesondere als Verstärkungsphase bezeichnet werden. Die Karbidphase kann insbesondere in Form von Partikeln vorliegen. Beispielsweise können die Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,5 µm bis 25 µm, vorzugsweise von 0,5 µm bis 10 µm, aufweisen. Auch andere Dimensionen sind grundsätzlich denkbar.
Der Begriff „Bindephase“ bezeichnet grundsätzlich eine Matrix eines Hartmetalls, in welchen Karbidverbindungen eingelagert sind. Die Bindephase kann insbesondere als Matrix, als Bindemittel und/oder als Zähigkeitskomponente des Hartmetalls bezeichnet werden. Die Bindephase kann hierbei insbesondere Zwischenräume der als Partikel ausgestalteten Karbidverbindungen ausfüllen. Wie oben ausgeführt kann die Bindephase 2 at.% bis 48 at.% des mindestens einen Basismetalls aufweisen. Darüber hinaus kann die Bindephase noch weitere Elemente umfassen, wie insbesondere nachfolgend noch näher ausgeführt wird.
Insbesondere kann eine Summe von dem mindestens einem Basismetall und Kohlenstoff 100 at.% betragen. Insbesondere kann die Karbidphase das Basismetall aufweisen und die Bindephase kann das Basismetall aufweisen. Insbesondere kann die Summe von Wolfram und/oder Molybdän und Kohlenstoff 100 at.% betragen. Darüber hinaus kann die Summe von dem mindestens einem Basismetall und Kohlenstoff kleiner sein als 100 at.%. Insbesondere kann die Bindephase weitere Elemente umfassen, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Insbesondere kann eine Summe von Wolfram und/oder Molybdän und Kohlenstoff mindestens 80 at.%, vorzugsweise mindestens 85 at.%, vorzugsweise mindestens 90 at.%, vorzugsweise mindestens 95 at.% und besonders bevorzugt 99 at.% betragen.
Das Basismetall, insbesondere die Bindephase, kann weiterhin aufweisen:

◯ 0 at.% bis 36,9 at.% Titan;
◯ 0 at.% bis 29,6 at.% Vanadium;
◯ 0 at.% bis 22,2 at.% Chrom;
◯ 0 at.% bis 14,8 at.% Tantal.

Beispielsweise können bei einem Zusatz von Titan Mischkarbide entstehen, beispielsweise die Karbidphase (W,Ti)C_1-x. Dies gilt grundsätzlich auch für die weiteren zusätzlichen Elemente.
Insbesondere kann eine Summe von Titan, Vanadium, Chrom und Tantal mindestens 0,5 at.%, vorzugsweise mindestens 1 at.%, vorzugsweise mindestens 1.5 at.% und besonders bevorzugt mindestens 2 at.% betragen. Beispielsweise kann das Hartmetall Titan, Vanadium, Chrom und Tantal aufweisen, beispielsweise mit einem jeweiligen Anteil an Titan, Vanadium, Chrom und Tantal von mindestens 0,5 at.%, vorzugsweise mindestens 1 at.%. Alternativ kann das Hartmetall lediglich ein, zwei oder drei Elemente aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Titan, Vanadium, Chrom, Tantal.
Insbesondere kann eine Summe von Wolfram, Molybdän, Kohlenstoff, Titan, Vanadium, Chrom und Tantal 100 at.% betragen. Insbesondere kann eine Summe von Kohlenstoff, mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Molybdän, und von mindestens einem weiteren Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Titan, Vanadium, Chrom, Tantal, 100 at.% betragen. Insbesondere kann eine Summe von Wolfram, Molybdän, Kohlenstoff, Titan, Vanadium, Chrom und Tantal mindestens 80 at.%, vorzugsweise mindestens 85 at.%, vorzugsweise mindestens 90 at.%, vorzugsweise mindestens 95 at.% und besonders bevorzugt 99 at.% betragen. Insbesondere kann eine Summe von Kohlenstoff, mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Molybdän, und von mindestens einem weiteren Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Titan, Vanadium, Chrom, Tantal, mindestens 80 at.%, vorzugsweise mindestens 85 at.%, vorzugsweise mindestens 90 at.%, vorzugsweise mindestens 95 at.% und besonders bevorzugt 99 at.% betragen.
Insbesondere kann ein Gesamtanteil von Titan, Vanadium, Chrom und Tantal kleiner sein als 50 % des Basismetalls. Vorzugweise kann der Gesamtanteil von Titan, Vanadium, Chrom und Tantal kleiner sein als 45 %, vorzugsweise kleiner sein als 42 % und besonders bevorzugt kleiner sein als 40 % des Basismetalls. Dabei kann ein Anteil von mindestens einem Element und maximal von drei Elementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Titan, Vanadium, Chrom, Tantal, 0 at.% sein.
Insbesondere kann das Basismetall Wolfram umfassen und das Basismetall kann weiterhin aufweisen:

◯ 2,5 at.% bis 36,9 at.% Titan;
◯ 0 at.% Vanadium;
◯ 0 at.% Chrom;
◯ 0 at.% Tantal.

Insbesondere kann eine Summe von Wolfram, Kohlenstoff, Titan, Vanadium, Chrom und Tantal mindestens 95 at.%, vorzugsweise mindestens 99 at.% und besonders bevorzugt 100 at.% betragen.
Insbesondere kann das Basismetall Wolfram umfassen und das Basismetall kann weiterhin aufweisen:

◯ 0 at.% Titan;
◯ 0 at.% Vanadium;
◯ 2,5 at.% bis 22,2 at.% Chrom;
◯ 0 at.% Tantal.

◯ 0 at.% Titan;
◯ 2,5 at.% bis 29,6 at.% Vanadium;
◯ 0 at.% Chrom;
◯ 0 at.% Tantal.

◯ 0 at.% Titan;
◯ 0 at.% Vanadium;
◯ 0 at.% Chrom;
◯ 2,5 at.% bis 14,8 at.% Tantal.

Insbesondere kann eine Summe von Wolfram, Kohlenstoff, Titan, Vanadium, Chrom und Tantal mindestens 95 at.%, vorzugsweise mindestens 99 at.% und besonders bevorzugt 100 at.% betragen.
Das Hartmetall kann insbesondere 51 at.% bis 74 at.% des mindestens einen Basismetalls aufweisen.
Das Hartmetall kann insbesondere 26 at.% bis 49 at.% Kohlenstoff aufweisen, wobei der Kohlenstoff als Karbid gebunden ist.
Beispielsweise kann das Basismetall Wolfram sein, insbesondere ausschließlich Wolfram, und das Hartmetall kann 40 at.%, 43 at.% oder 47 at.% Kohlenstoff aufweisen, wobei der Kohlenstoff als Karbid gebunden ist.
Das Hartmetall, insbesondere das Basismetall, kann insbesondere weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% Kobalt aufweisen. Insbesondere kann die Bindephase und/oder die Karbidphase weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% Kobalt aufweisen. Das Hartmetall kann ein kobaltfreies Hartmetall sein. Insbesondere kann das Hartmetall 0 at.% Kobalt aufweisen. Es kann somit ein Hartmetall ohne Kobalt bereitgestellt werden. Kobalt ist grundsätzlich ein eher seltenes Element und wichtigste Erzlagerstätten befinden sich in geopolitisch kritischen Ländern. Aufgrund einer strategisch wichtigen Bedeutung von Kobalt als Legierungsbestanteil und bei einer Verwendung in elektronischen Geräten, Batterien, insbesondere für Elektroautos, und Katalysatoren könnte es in den kommenden Jahren zu einer Verknappung des Angebots kommen. Kobalt ist darüber hinaus als gesundheitsschädlich (karzinogen) eingestuft. Ein Anteil an Kobalt im Hartmetall, insbesondere im Basismetall, kann insbesondere aus unvermeidlichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen resultieren. Bei einem Hartmetall mit einem Anteil von weniger als 5 at.% Kobalt kann eine Mikrostruktur und/oder ein Gefüge des Hartmetalls zumindest nahezu identisch ausgebildet sein oder lediglich geringfügig abweichen von einer weiteren Mikrostruktur und/oder einem weiteren Gefüge eines weiteren Hartmetalls mit einem Anteil von 0 at.% Kobalt. Eigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften und/oder thermische Eigenschaften, des Hartmetalls mit einem Anteil von weniger als 5 at.% Kobalt können daher nahezu identisch sein oder lediglich geringfügig abweichen von Eigenschaften, insbesondere von mechanischen Eigenschaften und/oder thermischen Eigenschaften, des weiteren Hartmetalls mit einem Anteil von 0 at.% Kobalt.
Das Hartmetall, insbesondere das Basismetall, kann insbesondere weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% Nickel aufweisen. Insbesondere kann die Bindephase und/oder die Karbidphase weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% Nickel aufweisen. Das Hartmetall kann ein nickelfreies Hartmetall sein. Insbesondere kann das Hartmetall 0 at.% Nickel aufweisen. Es kann somit ein Hartmetall ohne Nickel bereitgestellt werden. Ein Anteil an Nickel im Hartmetall, insbesondere im Basismetall, kann insbesondere aus unvermeidlichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen resultieren. Bei einem Hartmetall mit einem Anteil von weniger als 5 at.% Nickel kann eine Mikrostruktur und/oder ein Gefüge des Hartmetalls zumindest nahezu identisch ausgebildet sein oder lediglich geringfügig abweichen von einer weiteren Mikrostruktur und/oder einem weiteren Gefüge eines weiteren Hartmetalls mit einem Anteil von 0 at.% Nickel. Eigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften und/oder thermische Eigenschaften, des Hartmetalls mit einem Anteil von weniger als 5 at.% Nickel können daher nahezu identisch sein oder lediglich geringfügig abweichen von Eigenschaften, insbesondere von mechanischen Eigenschaften und/oder thermischen Eigenschaften, des weiteren Hartmetalls mit einem Anteil von 0 at.% Nickel.
Das Hartmetall, insbesondere das Basismetall, kann insbesondere weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% Eisen aufweisen. Insbesondere kann die Bindephase und/oder die Karbidphase weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% Eisen aufweisen. Das Hartmetall kann ein eisenfreies Hartmetall sein. Insbesondere kann das Hartmetall 0 at.% Eisen aufweisen. Es kann somit ein Hartmetall ohne Eisen bereitgestellt werden. Ein Anteil an Eisen im Hartmetall, insbesondere im Basismetall, kann insbesondere aus unvermeidlichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen resultieren. Bei einem Hartmetall mit einem Anteil von weniger als 5 at.% Eisen kann eine Mikrostruktur und/oder ein Gefüge des Hartmetalls zumindest nahezu identisch ausgebildet sein oder lediglich geringfügig abweichen von einer weiteren Mikrostruktur und/oder einem weiteren Gefüge eines weiteren Hartmetalls mit einem Anteil von 0 at.% Eisen. Eigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften und/oder thermische Eigenschaften, des Hartmetalls mit einem Anteil von weniger als 5 at.% Eisen können daher nahezu identisch sein oder lediglich geringfügig abweichen von Eigenschaften, insbesondere von mechanischen Eigenschaften und/oder thermischen Eigenschaften, des weiteren Hartmetalls mit einem Anteil von 0 at.% Eisen.
Das Hartmetall kann darüber hinaus frei sein von mindestens einem der folgenden Elemente: Mangan, Kupfer, Zink, Zinn, Blei, Silizium. Insbesondere kann das Hartmetall weniger als 5 at.%, vorzugsweise weniger als 2 at.%, vorzugsweise weniger als 1 at.% und besonders bevorzugt weniger als 0,5 at.% von mindestens einem der genannten Elemente aufweisen. Insbesondere kann das Hartmetall 0 at.% von mindestens einem der genannten Elemente aufweisen.
Alternativ kann das Hartmetall weitere Elemente umfassen. Die weiteren Elemente können insbesondere aus unvermeidlichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen resultieren. Ein Anteil an Verunreinigungen kann kleiner sein als 1 at.%, insbesondere kleiner als 0,5 at.%. Insbesondere können die Verunreinigungen Niob umfassen, insbesondere falls das Hartmetall Tantal aufweist. Niob und Tantal kommen grundsätzlich häufig zusammen vor. Darüber hinaus können die Verunreinigungen Eisen umfassen. Auch andere Arten von Verunreinigungen sind grundsätzlich denkbar.
Das Hartmetall kann mittels laserbasierter additiver Fertigung hergestellt sein. Der Begriff „laserbasierte additive Fertigung“ bezeichnet grundsätzlich ein Verfahren, bei welchem ein Werkstoff mit einem Laserstrahl lokal aufgeschmolzen wird. Nach einer Belichtung des Werkstoffs erfolgt grundsätzlich eine Erstarrung. Der Laserstrahl kann insbesondere mäanderförmig bewegt werden. Hierdurch kann eine Schicht erzeugt werden. Durch Übereinanderlegen dieser Schichten kann ein Bauteil entstehen. Die laserbasierte additive Fertigung kann insbesondere ein pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (englisch: Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB) umfassen. Es wird hierbei auf die DIN EN ISO/ASTM 52900:2022-03 verwiesen. Beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen werden Bauteile durch selektives Laserstrahlschmelzen hergestellt. Dabei wird zuerst ein Pulverwerkstoff mit einem Beschichter in einer dünnen Schicht, welche beispielsweise eine Dicke von 10 µm bis 200 µm aufweisen kann, gleichmäßig auf eine Bauplatte aufgetragen. Anschließend wird der Werkstoff mit einem gerichteten Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen. So entstehen Schmelzspuren nebeneinander, die zusammen eine Schicht ergeben. Danach wird die Bauplattform abgesenkt und der Prozess beginnt von neuem.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalls, wie es bereits beschrieben wurde oder im Folgenden beschrieben wird, vorgeschlagen. Das Hartmetall kann mittels laserbasierter additiver Fertigung hergestellt werden.
Das Verfahren umfasst hierbei optional die Verfahrensschritte, welche im Folgenden im Einzelnen beschrieben werden. Die Verfahrensschritte können insbesondere in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Eine andere Reihenfolge ist jedoch ebenfalls denkbar. Weiterhin können ein oder mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann darüber hinaus noch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:

a) Bereitstellen mindestens eines Pulvers;
b) Erzeugen einer Suspension mittels des Pulvers;
c) Sprühgranulieren der Suspension, derart, dass Agglomerate entstehen;
d) Ansintern der Agglomerate, derart, dass versinterte Agglomerate entstehen; und
e) laserbasiertes additives Fertigen, derart, dass mittels der versinterten Agglomerate das Hartmetall hergestellt wird.

Das Pulver in Schritt a) kann beispielsweise mindestens ein Material aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolframkarbid, Wolframschmelzkarbid, Titankarbid, Vanadiumkarbid, Tantalkarbid, Chromkarbid, ein Metall. Eine mittlere Teilchengröße kann kleiner sein als 5 µm. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
In Schritt b) kann die Suspension unter Verwendung von Ethanol und Polyethylenglycol (PEG) 20000 hergestellt werden. Die Suspension kann einen Feststoffgehalt von 70 wt.% bis 90 wt.% aufweisen. Weiterhin kann die Suspension 1 wt.% Polyethylenglycol aufweisen. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar.
Optional kann in Schritt b) oder nach Schritt b) ein Homogenisieren der Suspension erfolgen. Zur Homogenisierung kann insbesondere eine Planetenkugelmühle eingesetzt werden. Insbesondere kann eine Fritsch Pulversiette 5 eingesetzt werden. Die Planetenkugelmühle kann beispielsweise über einen Zeitraum von 2 Stunden, insbesondere mit Pausenzeiten, bei 200 Umdrehungen pro Minute und über einen weiteren Zeitraum von einer halben Stunde, insbesondere mit Pausenzeiten, bei 350 Umdrehungen pro Minute betrieben werden. Auch andere Parameter sind grundsätzlich denkbar.
In Schritt c) kann die Sprühgranulation beispielsweise mit einer Stickstoff-Atmosphäre, einem Aspirator bei 100 %, einer Pumprate von 50-80% und einer Inlettemperatur von 120 °C bis 195 °C erfolgen. Auch andere Parameter sind grundsätzlich denkbar.
In Schritt d) kann das Ansintern der Agglomerate beispielsweise bei einer Argon-Atmosphäre, einem Entbindern bei 400 °C über einen Zeitraum von 1 h, einer Temperaturbehandlung bei 1000 °C bis 1400 °C bei einer Haltezeit von 1 h bis 3 h, und einer Abkühlrate von 150 °C/h erfolgen. Auch andere Parameter sind grundsätzlich denkbar.
Optional kann nach Schritt d) ein Sieben der versinterten Agglomerate erfolgen. Das Sieben kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine Zielgröße des mittleren Teilchendurchmessers zwischen 32 µm und 100 µm liegt. Auch andere Parameter sind grundsätzlich denkbar.
Optional kann weiterhin nach Schritt d), optional nach dem Sieben der versinterten Agglomerate, ein Trocknen der versinterten Agglomerate erfolgen. Das Trocknen kann beispielsweise bei einer Temperatur von 100 °C über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde erfolgen. Auch andere Parameter sind grundsätzlich denkbar.
In Schritt e) kann das laserbasierte additive Fertigen beispielsweise unter Einsatz einer Bauraumheizung und eines Infrarot (IR)-Strahlers, optional unter Verwendung eines Neodym-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Lasers (Nd:YAG-Laser), beispielsweise mit folgenden Parametern erfolgen: Leistung P von 100 W bis 500 W, insbesondere von 200 W bis 250 W, einer Geschwindigkeit v von 100 mm/s bis 1000 mm/s, insbesondere von 100 mm/s bis 400 mm/s, einer Schichtstärke I von 30 µm bis 100 µm, einer Überlappung von Laserbahnen O von 10 % bis 50% und einem Fokusdurchmesser D von 46 µm.
Vorteile der Erfindung
Die vorgeschlagenen Vorrichtungen und die vorgeschlagenen Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf.
Es können neue Hartstoff-Verbundwerkstoffe mit einer hochschmelzenden kobaltfreien Binderphase aus einem Übergangsmetall der 4.-6. Nebengruppe, vornehmlich Wolfram oder Molybdän und/oder deren Legierungen hergestellt werden.
Es wird eine neue Materialklasse vorgeschlagen. Es werden Hartstoff-Verbundwerkstoffe mit kobaltfreien alternativen Binderphasen mittels laserbasierter additiver Fertigung hergestellt. Es wird ein Ersatz von gesundheitsschädlichen und potenziell knappen Bindermetallen vorgeschlagen.
Es wird ein Einsatz von neuartigen Binderphasen vorgeschlagen, welche in einer konventionellen Herstellung von Hartstoff-Verbundwerkstoffen, beispielsweise durch Pressen und Sintern aufgrund eines hohen Schmelzpunktes nicht hergestellt werden können. Die angestrebten Bindermetalle und -legierungen können grundsätzlich nur mittels hoher Temperaturen beim Laserstrahlschmelzen aufgeschmolzen werden. Das Fertigungsprinzip des pulverbasierten Laserstrahlschmelzens bietet grundsätzlich weiterhin einen hohen Design-Freiheitsgrad, um auch komplexe Geometrien zu fertigen. Beispielsweise können innenliegende Kanäle geschaffen werden. Darüber hinaus kann das Verfahren zeiteffizient sein und einen geringen Materialbedarf aufweisen. Die Mikrostruktur des Hartmetalls kann kontrollierbar sein. Das Hartmetall kann druckbar sein.
Es werden neue Legierungen bzw. Zusammensetzungen (Verbundwerkstoffe) aus Wolfram und/oder Molybdän (-karbid) bzw. Mischungen daraus, vorgeschlagen, die durch das PBF-LB Verfahren (englisch: „laser powder bed fusion“) hergestellt werden. Es wird hierbei auf die DIN EN ISO/ASTM 52900:2022-03 verwiesen. Auf das Bindermetall Kobalt kann vollständig verzichtet werden. Es wird eine Kombination aus neuen Zusammensetzungen und einem Energieeintrag mit dem Laser vorgeschlagen, um notwendige Temperaturen zwecks Aufschmelzen der hochschmelzenden Binderzusammensetzungen zu erreichen. Die verwendeten Binder können im konventionellen Flüssigphasensintern nicht oder nur unter extrem hohem technischem Aufwand hergestellt werden.
Durch die alternative Binderphase können verbesserte mechanische Eigenschaften erzielt werden. Eine Bildung von spröden Phasen und damit einhergehende geringe Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften kann vermieden werden. Es kann nun ein Kosten- bzw. materialsparenden Zugang durch Drucken zu neuen Hartmetallen ermöglicht werden und gleichzeitig auf Kobalt verzichtet werden.
Ein Gesamtgehalt an Kohlenstoff im System kann 26 bis 49 at.% betragen. Der Kohlenstoff kann bevorzugt als Karbid, insbesondere zumindest nahezu ausschließlich als Karbid, vorliegen.
Das Basismetall kann Wolfram, Molybdän oder eine Mischung daraus sein. Ein Gehalt des Basismetalls kann 51 at.% bis 74 at.% sein. Ein Anteil an Wolfram, Molybdän oder an Wolfram und Molybdän kann mehr als 50% des Basismetalls ausmachen.
Mögliche Legierungselemente können sein: Ti (0-49,9 % des Basismetalls), V (0-40 % des Basismetalls), er (0-30 % des Basismetalls), Ta (0-20 % des Basismetalls), oder eine Mischung daraus. Ein Gesamtanteil der Legierungselemente kann weniger als 50 % des Basismetalls ausmachen.
Beispiele
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung. Sie sind nicht als einschränkend im Hinblick auf den Schutzbereich auszulegen. Die folgenden Beispiele wurden mittels des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt.
Beispiel 1
Beispiel 1 umfasst ein exemplarisches Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße Hartmetall. Auch davon abweichende Herstellungsverfahren sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Es kann zunächst ein Pulver bereitgestellt werden. Das Pulver kann mindestens ein Material aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolframkarbid, Wolframschmelzkarbid, Titankarbid, Vanadiumkarbid, Tantalkarbid, Chromkarbid, ein Metall. Eine mittlere Teilchengröße kann kleiner sein als 5 µm. Anschließend kann eine Legierung hergestellt werden und eine Suspension erzeugt werden. Hierfür können beispielsweise das Pulver, Ethanol und Polyethylenglycol 20000 verwendet werden. Auch andere Materialen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Die Suspension kann einen Feststoffgehalt von 70 wt.% bis 90 wt.% aufweisen. Weiterhin kann die Suspension 1 wt.% Polyethylenglycol aufweisen. Anschließend kann eine Homogenisierung erfolgen. Hierfür können insbesondere eine Planetenkugelmühle und eine Fritsch Pulversiette 5 eingesetzt werden, insbesondere mit einem Verhältnis von Kugeln zum Pulver (BPR) von 5:1. Die Planetenkugelmühle kann beispielsweise über einen Zeitraum von 2 Stunden bei 200 Umdrehungen pro Minute und über einen weiteren Zeitraum von einer halben Stunde bei 350 Umdrehungen pro Minute betrieben werden. Anschließend kann eine Sprühgranulation erfolgen, beispielsweise mit einem Sprühtrockner von Büchi, beispielsweise mit einer Stickstoff-Atmosphäre, einem Aspirator bei 100 %, einer Pumprate von 50-80% und einer Inlettemperatur von 120 °C bis 195 °C. Nach der Sprühgranulation können Agglomerate vorliegen. Anschließend können die Agglomerate angesintert werden, beispielsweise mittels eines Rohofens Nabertherm RHTH 80, beispielsweise bei einer Argon-Atmosphäre, einem Entbindern bei 400 °C über einen Zeitraum von 1 h, einer Temperaturbehandlung bei 1000 °C bis 1400 °C bei einer Haltezeit von 1 h bis 3 h, und einer Abkühlrate von 150 °C/h. Nach dem Ansintern können versinterte Agglomerate vorliegen. Anschließend kann ein Sieben der versinterten Agglomerate vorliegen. Das Sieben kann beispielsweise mittels eines Siebturms erfolgen, beispielsweise bei einer Amplitude von 1,5 - 2 bei 0,5 h bis 2 h. Die Siebung kann derart erfolgen, dass eine Zielgröße des mittleren Teilchendurchmessers zwischen 32 µm und 100 µm liegt. Anschließend kann eine Trocknung erfolgen, beispielsweise in einem Trockenschrank von Nabertherm, beispielsweise bei einer Temperatur von 100 °C über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde. Anschließend kann eine laserbasierte additive Fertigung erfolgten, beispielsweise unter Einsatz einer Bauraumheizung, eines IR-Strahlers und eines Neodymdotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Lasers (Nd:YAG-Laser) mit folgenden Parametern: Leistung P von 100 W bis 500 W, insbesondere von 200 W bis 250 W, einer Geschwindigkeit v von 100 mm/s bis 1000 mm/s, insbesondere von 100 mm/s bis 400 mm/s, einer Schichtstärke I von 30 µm bis 100 µm, einer Überlappung von Laserbahnen O von 10 % bis 50% und einem Fokusdurchmesser D von 46 µm. Weiterhin kann eine Bauplatte C45 eingesetzt werden.
Die folgenden Beispiele 2 bis 6 zeigen exemplarische Zusammensetzungen von Hartmetallen. Diese sind tabellarisch aufgelistet. Die Zusammensetzungen fallen teilweise in den Schutzumfang von Anspruch 1.
In den nachfolgenden Beispielen ist die Härte nach Vickers aufgeführt. Bei einer Härteprüfung nach Vickers, einem optischen Verfahren, wird eine Eindrucksgröße gemessen, die ein Eindringkörper hinterlässt, bzw. Diagonale des Eindrucks. Je größer der Eindruck, den der Eindringkörper unter definierter Prüfkraft auf der Oberfläche eines Werkstückes hinterlässt, desto weicher ist das getestete Material. Zur Ermittlung der Härte nach Vickers (HV) nach ISO 6507 wird ein pyramidenförmiger Eindringkörper mit einem Flächenwinkel von 136° mit einer definierten Prüflast ab 1 gf in das Werkstück eingedrückt.
Weiterhin ist in den nachfolgenden Beispielen die Bruchzähigkeit aufgeführt. Die Bruchzähigkeit beschreibt in der Bruchmechanik grundsätzlich einen Widerstand eines Materials gegen einen instabilen Rissfortschritt. Der Werkstoffkennwert ist der kritische Spannungsintensitätsfaktor K_Ic, bei dem die Rissausbreitung einsetzt. Der der kritische Spannungsintensitätsfaktor K_Ic ist folgendermaßen definiert: $K_{I c} = σ \sqrt{π \cdot a_{c}} \cdot Y$
Dabei ist σ die anliegende Spannung, a_c die kritische Risslänge und Y ein Geometriefaktor.
Beispiel 2

Die folgende Tabelle 1 listet exemplarische Zusammensetzungen von Hartmetallen. Die Hartmetalle umfassen jeweils Wolfram und Kohlenstoff. Die Anteile von Wolfram und Kohlenstoff variieren. Tabelle 1: Hartmetall umfassend Wolfram und Kohlenstoff

Anteil Wolfram in at.%	Anteil Kohlenstoff in at.%	Härte nach Vickers (HV)
Ausgleich	17,3	936
Ausgleich	20,0	1121
Ausgleich	21,8	1246
Ausgleich	25,3	1268
Ausgleich	27,2	1426
Ausgleich	32,6	1807
Ausgleich	36,2	1857
Ausgleich	38,2	2038
Ausgleich	39,7	2129
Ausgleich	42,5	2182
Ausgleich	46,8	1946

Beispiel 3

Die folgende Tabelle 2 listet exemplarische Zusammensetzungen von Hartmetallen. Die Hartmetalle umfassen jeweils Wolfram, Kohlenstoff und Titan. Die Anteile von Wolfram, Kohlenstoff und Titan variieren. Tabelle 2: Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Titan

Anteil Wolfram in at.%	Anteil Kohlenstoff in at.%	Anteil Titan in at.%	Härte nach Vickers (HV)	Bruchzähigkeit in MPa $\sqrt{m}$
45	10	45	681	n.a.
42,5	15	42,5	767
40	20	40	1017
37,5	25	37,5	1211
35	25	35	1515
32,5	30	32,5	1683
30	40	30	2562	3,6 ± 0,23
27,5	45	27,5	2648	3,6 ± 0,06

Beispiel 4

Die folgende Tabelle 3 listet exemplarische Zusammensetzungen von Hartmetallen. Die Hartmetalle umfassen jeweils Wolfram, Kohlenstoff und Molybdän. Die Anteile von Wolfram, Kohlenstoff und Molybdän variieren. Tabelle 3: Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Molybdän

Anteil Wolfram in at.%	Anteil Kohlenstoff in at.%	Anteil Molybdän in at.%	Härte nach Vickers (HV)
46,6	46,6	6,8	2129
43,65	43,65	12,7	2421
40,55	40,55	18,9	1987
37,7	37,7	24,6	1817
36	36	28	1614
32,7	32,7	34,6	1510
22,3	22,3	55,4	9777
19,45	19,45	61,1	796
9,7	9,7	80,6	501
49	49,1	1,9	2124
55	42,2	2,8	2253
57,2	39,5	3,3	2118
60,3	36,1	3,6	1899
64,2	31,6	4,2	1782
66,7	28,7	4,6	1386
71,7	22,9	5,4	1212
76,4	17,5	6,1	865

Beispiel 5
Die folgende Tabelle 4 listet exemplarische Zusammensetzungen von Hartmetallen. Die Hartmetalle umfassen jeweils Wolfram, Kohlenstoff und Chrom. Die Anteile von Wolfram, Kohlenstoff und Chrom variieren. Tabelle 4: Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Chrom

Anteil Wolfram in at.% Anteil Kohlenstoff in at.% Anteil Chrom in at.% Härte nach Vickers (HV)

48,5 39 12,5 2186

58,5 39 2,5 2028

58,5 29 12,5 1746
Beispiel 6
Die folgende Tabelle 5 listet exemplarische Zusammensetzungen von Hartmetallen. Die Hartmetalle umfassen jeweils Wolfram, Kohlenstoff und Vanadium. Die Anteile von Wolfram, Kohlenstoff und Vanadium variieren. Tabelle 5: Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Vanadium

Anteil Wolfram in at.% Anteil Kohlenstoff in at.% Anteil Vanadium in at.% Härte nach Vickers (HV)

47,5 40 12,5 1845

57,7 40 2,5 2195

57,5 30 12,5 1836
Beispiel 7

Die folgende Tabelle 6 listet exemplarische Prozessparameter für eine Pulverherstellung für ein Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Titan. Die folgende Tabelle 7 listet exemplarische Prozessparameter für das Laserschmelzen. Tabelle 6: Prozessparameter Pulverherstellung für Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Titan

Zusammensetzung		Parameter Homogenisierung
Wolfram	32,5 at.%	Gerät	Fritsch Pulverisette 5
Kohlenstoff	35 at.%	BPR	5:1
Titan	32,5 at.%	Geschwindigkeit	350 U/min
PEG 20.000	1 wt.%	Laufzeit	5 min
Feststoffgehalt	80 wt.%	Pausenzeit	15 min
		Gesamtmahldauer	3 h
Sprühgranulation
Gerät	Büchi B-290	Pumprate	65 %
Schutzgas	N₂	Aspirator	100 %
Inlet-Temperatur	180 °C

Wärmebehandlung
Atmosphäre		Ar 5.0
Entbindern		400°C/1h
Ansintern		1400°C/2h

Tabelle 7: Prozessparameter Laserschmelzen

Parametersatz 1		Parametersatz 2
Laserleistung	250 W	Laserleistung	200 W
Scangeschwindigkeit	100 mm/s	Scangeschwindigkeit	300 mm/s
Spurabstand	32 µm	Spurabstand	32 µm

Die folgende Tabelle 6 listet exemplarische Prozessparameter für eine Pulverherstellung für ein Hartmetall umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Titan. Die folgende Tabelle 7 listet exemplarische Prozessparameter für das Laserschmelzen.
Experimentelle Ergebnisse des vorliegenden Beispiels sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Abbildung einer Gefügeausbildung bei Parametersatz 1, AsB, 1.000x;
2 eine REM-Abbildung einer Gefügeausbildung bei Parametersatz 2, AsB, 1.000x; und
3 einen exemplarischen Härteeindruck HV5 mit Rissen an Eindruckstpitzen zur Bestimmung der Palmqvist Risszähigkeit.

1 zeigt ein dendritisches Gefüge umfassend einen β (Ti,W)-Mischkristall (helle Phase) und eine δ (Ti,W)C - Karbidphase (dunkel, grau). 2 zeigt ein feines dendritisches Gefüge umfassend einen β (Ti,W)-Mischkristall (helle Phase) und eine δ (Ti,W)C - Karbidphase (dunkel, grau).
Die Abkürzung „AsB“ (englisch: „Angle selective Backscatter“) bezieht sich grundsätzlich auf einen Rückstreuelektronenkontrast, der statt einer Oberflächentopographie einen chemischen Kontrast liefert (hell: schwerere Elemente/Legierungen, dunkel: leichtere Elemente/Legierungen).
1 und 2 zeigen jeweils eine Gefügeausbildung der hergestellten Beispiellegierung umfassend Wolfram, Kohlenstoff und Titan bei unterschiedlichen Laserparametern. Bei Parametersatz 1 ist der Energieeintrag während der Fertigung deutlich höher und es stellt sich ein gröberes Gefüge ein, während bei niedrigerem Energieeintrag mit Parametersatz 2 ein deutlich feineres Gefüge erzielt werden kann. Beide Gefüge weisen unabhängig der Parameterwahl ein dendritisches Gefüge aus Karbidphase und metallischer (Mischkristall-)Binderphase auf.
Die Härte nach Vickers liegt für beide Parametersätze bei ca. 1890 HV. Für Parametersatz 2 konnte die Bruchzähigkeit nach der Palmqvist-Methode bestimmt werden. Im Mittel liegt die Bruchzähigkeit K1C für Parametersatz 2 bei 5,5 +- 1,1 MPa*m^-0,5.
Die folgende Tabelle 8 listet eine Zusammenfassung ermittelter Kennwerte Tabelle 8: Zusammenfassung ermittelter Kennwerte

Zusammensetzung Phasen-/Gefügeausbildung

W 32,5 at.% Art Dendritisch

C 35 at.% Karbidphase δ (Ti,W)C

Ti 32,5 at.% Binderphase β (Ti,W)

Mechanische Kennwerte

Härte nach Vickers 1890 HV0.5 Palmqvist Risszähigkeit $5,5 \pm 1,1 M p a \sqrt{m}$
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019068117 A1 [0004]
US 10920304 B2 [0005]
US 4626281 A [0006]
EP 3885459 A1 [0007]
WO 2010002832 A2 [0008]

Claims

Hartmetall, umfassend: • mindestens ein Basismetall, wobei das Basismetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Molybdän; • 52 at.% bis 98 at.% mindestens einer Karbidphase des mindestens einen Basismetalls; und • 2 at.% bis 48 at.% mindestens einer Bindephase, wobei die Bindephase das mindestens eine Basismetall aufweist, wobei das Hartmetall weniger als 2 at.% Kobalt aufweist, wobei das Hartmetall weniger als 2 at.% Nickel aufweist, wobei das Hartmetall weniger als 2 at.% Eisen aufweist.
Hartmetall nach dem vorhergehende Anspruch, wobei das Basismetall weiterhin aufweist: ◯ 0 at.% bis 36,9 at.% Titan; ◯ 0 at.% bis 29,6 at.% Vanadium; ◯ 0 at.% bis 22,2 at.% Chrom; ◯ 0 at.% bis 14,8 at.% Tantal; wobei eine Summe von Titan, Vanadium, Chrom und Tantal mindestens 1 at.% beträgt.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gesamtanteil von Titan, Vanadium, Chrom und Tantal kleiner ist als 50 % des Basismetalls.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismetall Wolfram umfasst, wobei das Basismetall weiterhin aufweist: ◯ 2,5 at.% bis 36,9 at.% Titan; ◯ 0 at.% Vanadium; ◯ 0 at.% Chrom; ◯ 0 at.% Tantal.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismetall Wolfram umfasst, wobei das Basismetall weiterhin aufweist: ◯ 0 at.% Titan; ◯ 0 at.% Vanadium; ◯ 2,5 at.% bis 22,2 at.% Chrom; ◯ 0 at.% Tantal.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismetall Wolfram umfasst, wobei das Basismetall weiterhin aufweist: ◯ 0 at.% Titan; ◯ 2,5 at.% bis 29,6 at.% Vanadium; ◯ 0 at.% Chrom; ◯ 0 at.% Tantal.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Basismetall Wolfram umfasst, wobei das Basismetall weiterhin aufweist: ◯ 0 at.% Titan; ◯ 0 at.% Vanadium; ◯ 0 at.% Chrom; ◯ 2,5 at.% bis 14,8 at.% Tantal.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmetall 26 at.% bis 49 at.% Kohlenstoff aufweist, wobei der Kohlenstoff als Karbid gebunden ist.
Hartmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmetall ein kobaltfreies Hartmetall ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hartmetall mittels laserbasierter additiver Fertigung hergestellt wird.