DE10258537B4 - Hartmetall für insbesondere Gestein-, Beton- und Asphaltschneiden - Google Patents
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Abstract
Hartmetall
für Werkzeuge
zum Schneiden von Gestein, Beton und Asphalt, aus WC mit 5 – 25 Gew.-%
Binder auf Basis von Co oder Co und Ni, mit Koerzitivfeldstärkewerten
im Bereich bis 9,5 kA/m und runden WC-Körnern, dadurch gekennzeichnet,
daß die
Werte der magnetischen Sättigung σ in Mikrotesla
mal Kubikmeter pro Kilogramm in Abhängigkeit des Co-Gehalts (X)
des Hartmetalls in Gew.-% im Bereich von σ = 0,11X bis σ = 0,137X
liegen.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Hartmetall für Werkzeuge zum Schneiden von Gestein, Beton und Asphalt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ein derartiges Hartmetall ist beispielsweise in der US-PS 6,126,709 beschrieben, die ein Hartmetall mit runden WC-Körnern in der Größe von 8 bis 30 μm und einen Binder aus Co oder Co und Ni mit einem geringen Anteil an seltenen Erdmetallen offenbart. Auch die US-PS 4,859,543 zeigt Hartmetalle mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Härte und Co-Gehalt.
- Für das Gestein-, Beton- und Asphaltschneiden werden in der Praxis grobkörnige WC-Co-Hartmetalle mit mittlerer WC-Korngröße von ca. 3 bis 10 μm verwendet. Im Hartmetall-Gefüge zwischen solchen WC-Körnern befinden sich relativ große Volumen des Co-Binders in einer Größe bis zu 10 μm. Die Koerzitivfeldstärkewerte des Hartmetalls zeigen dabei an, wie dick die Co-Zwischenschichten sind. Normalerweise liegen die Koerzitivfeldstärkewerte der grobkörnigen Hartmetalle in einem Bereich bis 9,5 kA/m.
- Nach dem allgemeinen Stand der Hartmetallforschung soll der Kohlenstoffgehalt von Hartmetallen etwa in der Mitte des zweiphasigen Feldes (ohne freien Kohlenstoff und η-Phase) liegen (N. Suzuki, N. Kubota, "Planseeberichte Pulvermetallurgie", 1966, Bd. 14, 2, S. 96-109). Hierbei sollen die besten Werte von Biegebruchfestigkeit in Kombination mit hoher Härte erreichbar sein.
- Die Konzentration des Wolframs im Co-Binder des WC-Co-Hartmetalls ist dabei vom Kohlenstoffgehalt abhängig. So wird die Wolfram-Konzentration wesentlich höher, wenn der Kohlenstoffgehalt sehr niedrig liegt. Die W-Konzentration bzw. der Kohlenstoffgehalt in einem WC-Co-Hartmetall mit einem bestimmten Co-Gehalt kann daher durch den Wert der magnetischen Sättigung definiert werden.
- Die magnetische Sättigung der Hartmetalle kann als mit σ oder 4πσ bezeichnet werden. In der Literatur ist σ als „magnetische Sättigung" oder „Sättigungsmagnetisierung" oder „magnetisches Moment", und 4πσ ist als „magnetische Sättigung" oder „Sättigungspolarisation" oder „Sättigungsinduktion" („saturation induction") bezeichnet. Zur Unterscheidung kann man die σ- und 4πσ-Werte von reinem Co betrachten. Der σ-Wert von Co entspricht 16,1 μT m3 kg–1 und der 4πσ-Wert von Co 201,9 μT m3 kg–1.
- Die
EP 1 205 569 A2 und dieEP 1 043 415 A2 beschreiben bereits Hartmetalle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bzw. niedrigen Werten der magnetischen Sättigung. Beide Patentschriften betreffen jedoch Hartmetallqualitäten für die Metallzerspannung, die relativ feinkörnig sind (WC-Korngröße ca. 1,75 – 2 μm) und dazu noch nicht vernachlässigbare Anteile kubischer Karbide (TaC, TiC und NbC) enthalten. Derartige Hartmetalle sind für Bergbauanwendungen wie Gestein-, Beton- und Asphaltschneiden nicht verwendbar, da die kubischen Karbide ab einem Anteil von ca. 0,5 % eine dritte Phase mit kubischer Gitterstruktur (Ti, Ta, W)-C ausbilden. Diese dritte Phase setzt die Bruchzähigkeit herab und ist daher bei Werkzeugen für Bergbauanwendungen schädlich. - In der
DE 198 10 533 ist ein Schneideinsatz zum Fräsen von Titan und Titanlegierungen beansprucht, bei dem das Hartmetall neben geringen Anteilen an Ta, Ti und Nb vor allem Cr enthält. Weiterhin sind hier verschiedene andere Zusammensetzungen von Hartmetallen tabellarisch zusammengefaßt, die alle aufgrund ihres Einsatzes zum Metallschneiden signifikante Anteile kubischer Karbide enthalten. Auch diese Hartmetalle sind für Bergbauanwendungen nicht geeignet. - In der Zeitschrift INTERCERAM, vol. 48, no. 1, 1999 beschreiben die Autoren K.H. Cho, I.S. Chung und J.W. Lee in einem Artikel "The influence of carbon content on the properties of binder and carbide phase of cemented carbides" den Einfluß des Kohlenstoffgehalts bei Hartmetallen. Dort sind verschiedene Hartmetallzusammensetzungen aufgeführt, jedoch ohne Hinweise, wie herkömmliche Hartmetalle verbessert werden könnten.
- Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten gattungsgemäßen Hartmetallen die Aufgabe zugrunde, ein Hartmetall mit verbesserten Eigenschaften und Leistungen im Bereich des Gestein- und Asphaltschneidens zu schaffen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Hartmetall mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Durch die Absenkung der magnetischen Sättigung in den erfindungsgemäß angegebenen Bereich wird dabei entgegen herkömmlichem Forschungsstand bei grobkörnigen Hartmetallen eine Erhöhung der Biegebruchfestigkeit erreicht, die hierbei im Bereich eines niedrigen Kohlenstoffgehaltes liegt, wobei sich allerdings keine n-Phase (Co3W3C) bildet. Die Werte der magnetischen Sättigung (σ oder 4πσ jeweils in Einheiten von μT m3 kg–1) der Hartmetalle der Erfindung liegen in einem Bereich von:
- Die Leistungsverbesserung wirkt sich insbesondere bei Hartmetallen mit Koerzitivfeldstärkewerten von bis zu 8 kA/m, vorzugsweise im Bereich von 1,6 – 6,4 kA/m, aus.
- Es hat sich herausgestellt, daß der Zustand des Binders eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit grobkörniger Hartmetalle spielt. Obschon in der derzeitigen Forschung der allgemeine Standpunkt vertreten wird, daß die WC- bzw. W-Konzentration im Binder nicht höher als 20 Gew.-% (ca. 9 Atom-%) sein kann (J. Willbrand, U. Wieland, "Techn.Mitt.Krupp.Forsch.-Ber.", 1975, Bd. 33, 1, S. 41-44), läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Hartmetall durch eine hohe Konzentration des Wolframs von 10 bis 30 Atom-% das Co wesentlich verstärken. Der in der Literatur beschriebene größte Wert der Gitterkonstante von Co in WC-Co-Hartmetallen ist normalerweise nicht höher als 0,357 nm (ca. 1 % höher als der Wert von reinem Co) (H.Suzuki, H. Kubota, "Planseeberichte Pulvermetallurgie", 1966, Bd. 14, 2, S. 96-109). Bei dem erfindungsgemäßen Hartmetall ist die Gitterkonstante des Kobalts im Binder durch die höhere Konzentration des Wolframs jedoch über 1 bis 5 % größer als die von reinem Kobalt (0,3545 nm).
- Der Binder des Hartmetalls wird bei gleichzeitigem Erhalt oder sogar leichter Erhöhung der Zähigkeit deutlich verstärkt, wenn in dem Binder Nano-Partikel (sehr feine Partikel) aus Wolfram und Kobalt und/oder Kohlenstoff in der Co-Matrix eingebettet sind. Dadurch wird im Vergleich mit herkömmlichen Hartmetallen die Verschleißfestigkeit eines Hartmetalls mit derartigen Binder wesentlich höher und die Verstärkung des Binders läßt sich ohne Verlust der Bruchzähigkeit des Hartmetalls errei chen. Die Biegebruchfestigkeit derartiger Hartmetalle ist dabei bis zu 30 % höher als die konventioneller Hartmetalle mit ähnlicher WC-Korngröße und gleichem Co-Gehalt. Außerdem enthalten die Hartmetalle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bzw. hoher Konzentration von W im Binder runde WC-Körner, was eine positive Wirkung auf die Standzeit hat.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen und nachfolgend ausgeführten Beispielen mit erläuternden Abbildungen.
-
1 zeigt die Grenzwerte der magnetischen Sättigung für den in Anspruch 1 definierten Bereich. - Beispiel 1:
- Es wurde ein WC-Co-Hartmetall mit 6,5 % Co Gew.-% und niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt (Erläuterung: Bei einem stöchiometrischen Gehhalt von 6,13 Gew.-% Kohlenstoff in WC ist der Kohlenstoffhaushalt ausgeglichen. Der Kohlenstoffgehalt der technischen WC-Co-Hartmetalle liegt praktisch immer in einem sehr engen Stabilitätsbereich (sh. H.Kolaska, Pulvermetallurgie der Hartmetalle, FPM, 1992, S.6/7.) Die Abweichung des Kohlenstoffgehaltes in WC-Co-Hartmetallen in bezug auf den C-Gehalt in WC ist normalerweise nicht größer als ca. ±0,03 Gew.-%, so daß alle Hartmetalle mit einem Kohlenstoffgehalt niedriger als 6,10 Gew.-% im WC als Hartmetalle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bezeichnet werden). Die Koerzitivfeldstärke dieses Hartmetalls beträgt 7,0 kA/m, die magnetische Sättigung ist σ= 0,8 μTm3/kg bzw. 4πσ=100 μTm3/kg, die Härte beträgt HV30= 1100, die Biegebruchfestigkeit beträgt 2400 MPa. Im Makrobereich (am Lichtmikroskop) ist erkennbar, daß das Hartmetall runde WC-Körner, Co-Binder und keine η-Phase enthält.
- Zur Untersuchung durch TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) wurde eine foliendünne Probe hergestellt. Die W-Konzentration im Binder wurde an der Probe mit EDX (energy-dispersive X-ray microanalysis) gemessen. Die Co-Gitterkonstante wurde durch TEM und Röntgenuntersuchungen gemessen. Die Bestimmung der magnetischen Sättigung kann mit einer magnetischen Waage erfolgen. Dabei wird der Unterschied des „normales Gewichtes" einer Probe (ohne Magneteinwirkung) zu dem „Gewicht" derselben Probe ermittelt, das sich ergibt, wenn die Probe in ein zur Erreichung der Sättigunsmagnetisierung starkes Magnetfeld hineingezogen wird, das in einem sich nach unten verengenden Spalt zweier Magnetpole erzeugt wird. Alternativ kann die magnetische Sättigung durch die sogenannte „ballistische Methode" gemessen werden. Dabei wird die aufmagnetisierte Probe in Form einer genau definierten Bewegung aus dem Magnetfeld gestoßen und es wird die dadurch in den Meßspulen erzeugte Induktion gemessen.
- Die W-Konzentration im Binder der Probe beträgt 18 bis 19 Atom-% und der Binder enthält Nano-Partikel, die in
2 dargestellt sind. Die Elektronenbeugungen des Binders zeigen Reflexe der wolframhaltigen kubischen Kobaltmatrix mit fcc-Struktur und der Gitterkonstante von 0,366 nm sowie Reflexe der dazwischen liegenden Nano-Partikel (3 ). Der größte messbare dhkl-Wert der Nano-Partikel (Elektronenbeugungsaufnahme mit der Zonenachsenorientierung der Kobaltmatrix entlang [111]) ist 0,215 nm. - Als Referenz wurde ein konventionelles Hartmetall mit 6,5 % Co und normalem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke des Referenzhartmetalls beträgt 6,4 kA/m, die magnetische Sättigung ist σ = 0,95 μTm3/kg bzw. 4πσ = 11,9 μTm3/kg, Härte HV30 = 1140 und Biegebruchfestigkeit = 1950 MPa. Es wurden Straßenmeißel mit Schneidelementen aus beiden Hartmetallen hergestellt und bei Straßenfräsen getestet.
- Gefräst wurde verschleißintensiver Asphalt, im Mittel 20 cm über Betondecke, mit im Mittel 10 Meter Vorschub pro Minute. Die Fräse wurde zur Hälfte mit den Meißeln des neuen Hartmetalls und zur anderen Hälfte mit denen des konventionellem Hartmetalls bestückt.
- Ergebnisse des Feldtests
- Die Ergebnisse des Feldtests zeigen, daß die Verbesserung der Verschleißfestigkeit des neue Hartmetalls ca. 50 % beträgt. Von den Meißeln, die keine Drehung vollführten, ist der Anteil an Meißeln mit dem neuen Hartmetall wesentlich niedriger als bei dem konventionellen Hartmetall. Hieraus ergibt sich, daß es bei dem neuen Hartmetall signifikant weniger Brüche und/oder zerstörerischen Verschleiß während des Schneidens gab.
4 zeigt die verschlissenen Meißel nach dem Feldtest im Vergleich. - Beispiel 2:
- Es wurde ein WC-Co-Hartmetall mit 9,5%Co Gew.-% und niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke beträgt 6,1 kA/m die magnetische Sättigung ist σ = 1,18 μTm3/kg bzw. 4πσ = 14,8 μTm3/kg Härte HV30 = 990, Biegebruchfestigkeit = 2720 MPa. Im Makrobereich enthält das Hartmetall runde WC-Körner, Co-Binder und keine n-Phase.
- Als Referenz wurde ein konventionelles Hartmetall mit 9,5% Co und normalem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke beträgt 4,3 kA/m, magnetische Sättigung σ = 1,42 μTm3/kg bzw. 4πσ = 17,8 μTm3/kg, Härte HV30= 1020, Biegebruchfestigkeit = 2010 MPa.
- Die TEM-Untersuchungen des neuen Hartmetalls zeigen, daß die W-Konzentration im Binder 19 bis 21 Atom-% betragen und der Binder Nano-Partikel enthält. Die Gitterkonstante von fcc-Co im Binder beträgt 0,368 nm.
- Es wurden Kohlenmeißel mit Schneidelementen aus den beiden Hartmetallen hergestellt und im Labor beim Schneiden von abrasivem Beton sowie Granit getestet. Die Meißel wurden auch in einer Kohlemine beim Schneiden von Kohle/Sandstein mit hohem Sandsteingehalt getestet. Mit den Meißeln mit Schneidelementen aus dem neuen Hartmetall konnten Schneidleistungen von 700 m Beton bis zum Verschleiß von 1 mm erreicht werden, während bei den Meißeln mit konventionellem Hartmetall bei gleichem Verschleiß die Schneidleistung nur 100 m betrug. Die Standzeit der Meißel beim Granitschneiden mit dem neuen Hartmetall war ca. 2,5 mal größer als die der Meißel mit konventionellem Hartmetall.
- Beim Feldtest wurden zwei Schneidköpfe mit den Schneidelementen der beiden Hartmetalle bestückt. Die beiden Schneidköpfe mit den Meißeln mit dem neuen Hartmetall erreichten eine Schneidleistung von 3000 m3 Kohle/Sandstein. Sie übertrafen damit die Schneidleistung der Schneidköpfe der Meißel mit konventionellem Hartmetall um etwa das Doppelte. Der Feldtest zeigte auch, daß sich auf dem neuen Hartmetall signifikant weniger thermische Risse gebildet hatten als auf dem konventionellen Hartmetall.
- Für die erfindungsgemäße Entwicklung werden insoweit nach den durchgeführten Untersuchungen Hartmetalle bevorzugt, deren dhkl-Wert der geordneten Phasen bis zu 0,215 nm ± 0,007 nm beträgt.
- Die Verschleißwerte sind besonders gut, wenn die gebildeten Nano-Partikel eine hexagonale oder kubische Gitterstruktur haben. Insbesondere ergeben sich gute Eigenschaften, wenn der Binder fcc-Co und/oder hcp-Co in Form von Einlagerungsmischkristallen von W und/oder C in Co enthält. Die Gitterkonstanten dieser Einlagerungsmischkristalle sind vorzugsweise 1 bis 5 % höher als die von reinem Co.
- Durch den verstärkten Binder hat das erfindungsgemäße Hartmetall mit grobkörnigem Gefüge eine verbesserte Kombination zwischen Biegebruchfestigkeit, Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit. Als Ergebnis besitzen Werkzeuge mit diesem Hartmetall eine sehr hohe Leistung im Bereich des Gestein- und Asphaltschneidens.
Claims (10)
- Hartmetall für Werkzeuge zum Schneiden von Gestein, Beton und Asphalt, aus WC mit 5 – 25 Gew.-% Binder auf Basis von Co oder Co und Ni, mit Koerzitivfeldstärkewerten im Bereich bis 9,5 kA/m und runden WC-Körnern, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der magnetischen Sättigung σ in Mikrotesla mal Kubikmeter pro Kilogramm in Abhängigkeit des Co-Gehalts (X) des Hartmetalls in Gew.-% im Bereich von σ = 0,11X bis σ = 0,137X liegen.
- Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Koerzitivfeldstärkewerte maximal 8 kA/m beträgt.
- Hartmetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Koerzitivfeldstärkewerte im Bereich von 1,6 – 6,4 kA/m liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die W-Konzentration im Binder im Bereich von 10-30 Atom-% liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder Nano-Partikel aus geordneten Phasen von W, Co und ggf. C enthält, die mit der Kobaltmatrix kohärent sind.
- Hartmetall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der größte meßbare dhkl-Wert der geordneten Phasen 0,215 nm ± 0,007 nm beträgt.
- Hartmetall nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano-Partikel eine hexagonale Gitterstruktur haben.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano-Partikel eine kubische Gitterstruktur haben.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder fcc-Co und/oder hcp-Co in Form von Einlagerungsmischkristallen von W und/oder C in Co enthält.
- Hartmetall nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der Einlagerungsmischkristalle 1 bis 5 % höher als die von reinem Co sind.
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| DE (1) | DE10258537B4 (de) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4859543A (en) * | 1987-04-28 | 1989-08-22 | Kennametal Inc. | Earth working tool having a working element fabricated from cemented tungsten carbide compositions with enhanced properties |
| DE19810533A1 (de) * | 1997-03-12 | 1998-09-24 | Kennametal Inc | Schneideinsatz zum Fräsen von Titan und Titanlegierungen |
| EP1043415A2 (de) * | 1999-04-08 | 2000-10-11 | Sandvik Aktiebolag | Sinterkarbideinsatz |
| EP1205569A2 (de) * | 2000-11-08 | 2002-05-15 | Sandvik Aktiebolag | Beschichteter Einsatz zum Schruppen |
-
2002
- 2002-12-14 DE DE10258537A patent/DE10258537B4/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Prakash L J et al.:"The influence of the Binder composition on the Properties of WC-Fe/Co/Ni ce- mented carbides", Modern Developments in Powder Metallurgy, XX, XX, Bd. 14, 1981, S. 255-268 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10258537A1 (de) | 2004-02-05 |
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