DE1103598B - Verfahren zur Herstellung abriebfester, hilfsmetallfreier, gesinterter Hartmetall-legierungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung abriebfester, hilfsmetallfreier, gesinterter Hartmetalllegierungen Zur Herstellung von Schneid-, Schleif- oder Reibwerkzeugen sind gesinterte Legierungen bekannt, deren harte Karbidkörnchen durch. ein leichter schmelzbares metallisches Bindemittel aus der Eisengruppe des Periodischen Systems. miteinander verkittet sind. Am häufigsten werden Wolframkarbid oder Gemische aus Wolfra.mkarbid, Titankarbid, Tantalkarb-id oder aus Mischkristallen dieser Karbide verwendet. Als Bindemetall wird in der Regel reines Kobalt verwendet.
• Man ist bestrebt, die Verwendung derartiger harter, abrieb-fester Legierungen auch auf die Fälle auszudehnen, bei denen die Reibung nicht zwischen Werkzeug und Werkstück, sondern zwischen dem Werkzeug und einem in Suspension getragenen Schleif- oder Poliermittel stattfindet. Dies ist z. B. der Fall bei der Reinigung von warm oxydierten Teilen, Gußstücken oder wärmevergifteten Teilen mittels Sandstrahlgebläse. Hierbei ist das dem Abrieb ausgesetzte Werkzeug die den von Wasser oder Luft geförderten Sandstrahl verdichtende und richtende Düse. Derartige Düsen haben zwar eine längere Lebensdauer als Düsen aus Stahl oder Hartguß, jedoch ist ihre Lebensdauer nicht lange genug, um den unverhältnismäßig hohen Kostenaufwand zu rechtfertigen.
• Man hat jedoch festgestellt, daß die Abriebfestigheit, z. B. von Sandstrahldüsen, erheblich zunimmt, wenn man sie nicht aus den üblichen mit Kobalt gebundenen Karbidlegierungen, sondern aus Ka.rbidagglomeraten herstellt, die kein metallisches Bindemittel aus der Eisengruppe des Periodischen Systems aufweisen. Dies führt zu dem Schluß, daß das den Legierungen eine hohe Biegefestigkeit und gute Kerbzähigkeit verleihende Kobalt die Abriebfestigkeit vermindert und deshalb nicht erwünscht bei solchen Teilen ist, die keine Stöße, Druck- oder Biegebean-,;pruchungen auszuhalten haben.
• Es ist in der Praxis außerordentlich schwierig, z. B. durch Schmelzen Agglomerate von Meltallkarbiden herzustellen, weil die Schmelztemperatur sehr hoch ist und meist nur gering unterhalb der Zersetzungstemperatur der Karbide liegt. Es ist aber nicht nur schwierig, die Voraussetzung einer gleichmäßigen Qualität bildende hohe Temperatur und deren Regelung zu erzielen, sondern außerdem die hierfür erforderliche Apparatur zu unterhalten. Hinzu kommt, daß hei so hohen Temperaturen das Material des Schmelztiegels nicht ohne Einfluß auf die geschmolzene Masse bleibt, deren Zusammensetzung sich so rasch ändert, claß es schwierig ist, bei der Bestimmung der anfänglichen Bedingungen dem Rechnung zu tragen. So beginnt beispielsweise die Zersetzung des Wolframkarhids bei 2600° C, und die niedrigste Schmelztemperatur beläuft sich auf 2450° C entsprechend einem C-Gehalt von 4,5 %, das dem Eutektikum aus den Karbiden WC und W.C entspricht. Zur Erzielung so hoher Temperaturen verfügt man nur über Schmelzöfen geringen Fassungsvermögens aber kostspieliger Unterhaltung. Auch das Formen des geschmolzenen Stoffes ist bei einer so hohen Temperatur sehr schwierig, indem es unmöglich ist, die Form vollkommen auszufüllen. Außerdem erfolgt das Erstarren derart rasch, daß stets poröse Stellen, Risse, Lunker und Zonen grober Kristallbildung entstehen.
• Um die vorbeschriebenen Nachteile auszuschalten, hat man auch bereits versucht, derartige Legierungen ohne Schmelzen herzustellen und die bei der Berührung der Körnchen zwischen dem Sintern eintretende Diffusion heranzuziehen. Diese Methode führt in der Regel jedoch nur zu porösen Gemischen mit mittelmäßiger Kohäsion. Die Porosität vermindert die Abriebfestigkeit, und die Sprödigkeit erschwert den Einbau der Werkzeuge in die Fassungen, z. B. den Einbau der Sandstrahldüsen in die entsprechenden Mundstücke der Gebläse.
• Die Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen aus harten Karbiden zum Gegenstand, bei dem die Karbidkörnchen nicht durch irgendeinen metallischen Kitt aneinander gebunden sind. Die so hergestellten Legierungen besitzen. eine außerordentlich hohe Abriebfestigkeit, und sie sind außerdem sehr dicht und kohärent.
• Demnach betrifft die Erfindung-ein Verfahren zur Herstellung abriebfester, hilfsmetallfreier, gesinterter Hartmetalle aus einem. Metallkarbid eines Metalles, das mehr als ein Karbid bildet, unter Zusatz eines hochschmelzenden Metalles, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß von dem Karbid mit dem höchsten Kohlenstoffgehalt ausgegangen wird und das reine Metall zugesetzt wird, aus dem das Karbid gebildet ist, und zwar in solcher Menge, daß nach ausreichendem Sintern das Endprodukt nur noch aus Karbid bzw. Karbiden besteht.
• Es ist zwar ein Verfahren bekannt, bei dem zur Herstellung von Hartmetallen durch Pressen und Sintern von pulverförmigen Ausgangsstoffen ausgegangen wird, die aus einem Karbid eines Elementes der dritten und vierten Gruppe des Periodischen Systems bestehen, das mit einem pulverförmigen, über 160®° C schmelzenden Metall der fünften und sechsten Gruppe des Periodischen Systems zusammengesintert ist. Man g r e 1.Viiint auf diese Weise eine hilfsmetallfreie Hartlegierung durch. Diffusion aus einem hochschmelzenden Metall und einem Karbid, jedoch unterscheidet sich das Verfahren nach der Erfindung von diesem Vorschlag dadurch, daß dort gerade die Vereinigung eines Karbides mit einem anderen hochschmelzenden Metall als dem, aus welchem das Karbid gebildet ist empfohlen wird.
• Es hat außerdem als bekannt zu gelten, daß Molybdänkarbidkörper durch. Zusatz von einigen Prozent 1lolybdänmetall durch Pressen und Sintern hergestellt werden können, jedoch ist diese Lehre von der erfindungsgcmäßen insofern verschieden, als das in der Hartmetalltechnik allgemein übliche niedrigste Karbid Mo2C verwendet werden soll, nicht dagegen, wie annieldungsgemäß vorgeschlagen, das Karbid mit dem jeweils höchsten Kohlenstoffgehalt.
• Wählt man von den Karbiden eines Metalles jeweils das mit dem höchsten Kohlenstoffgehalt aus und mischt dies innig mit dem Metall, aus dem das Karbid gebildet ist, so erhält man ein Pulver, das man wegen der Plastizität des Metalles ohne weiteres in die gewünschte Form pressen kann. Wenn dann dieser Preßling bei der richtigen Temperatur erhitzt wird, so diffundiert das Metall, welches dank seiner Plastizität die haftenden Körner gut einhüllt, völlig in die Karbidkristalle hinein, um Körner mit geringerem Kohlenstoffgehalt als dem, von dem man ausgegangen ist, zu bilden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur Herstellung einer Legierung aus Wolframkarbid (WC) und metallischem Wolfram zwecks Bildung eines dichten Karbidgemisches, dessen C-Gehalt zwischen 3 und 6 % liegt, verwendet.
• Eine dichte und homogene Legierung aus Kohlenstoff und. Wolfram, welche in allen ihren Abmessungen und Formen im vorhinein bestimmt werden kann, kann beispielsweise hergestellt werden, indem man 735g WC in Form eines feinen Pulvers in einer Kugelmühle mit Kugeln aus Wolframkarbid innig mit 265 g metallischen Wolframs in feinen Körnchen etwa 13 Stunden lang mischt. Das erhaltene Pulver wird in die gewünschte Form unter Berücksichtigung einer linearen Scllwindung von 17 Klo gepreßt. Die Preßlinge werden dann in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und 15 Minuten lang auf einer Temperatur von 1ß00° C gehalten. NTach dem Abkühlen ist das Stück fertig, um eingebaut und in Betrieb genommen werden zti können. Die Vickers-Härte beträgt 1960 kg/mm2 und kommt derjenigen der bis heutzutage hergestellten härtesten, mit Kobalt gebundenen Legierungen gleich. Die Sinterung erfolgt unter völliger Beseitigung der Poren, obwohl die Masse kein Element enthält, welches bei der Sinterternperatur schmelzbar wäre. Diese Tatsache erscheint bemerkenswert, wenn man berücksichtigt, daß die mit Kobalt gebundenen Wolframkarbidlegierungen bei einer Temperatur gesintert werden, die weit höher ist als die Schmelztemperatur der eutektischen Legierung, welche das Kobalt mit dem Wolframkarbid bildet, und daß die besonderen Eigenschaften derartiger Legierungen stets dieser besonderen Eigenschaft des Kobalts zugeschrieben worden sind. Die Lebensdauer der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Düsen ist mindestens doppelt so groß als diejenige der in bekannter Weise durch Schmelzen oder einfach durch Diffusionssintern des Werkstoffes hergestellten Düsen.
• Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Legierungen können vorteilhaft auch für andere Zwecke verwendet werden. Man kann z. B. Schweißstäbe herstellen, um mit dem Schweißbrenner die üblicherweise bei den Schürfbohrungen auf Erdöl verwendeten Werkzeuge mit einem Hartmetallüberzug zu versehen. Zu diesem Zweck stellt man in der vorher beschriebenen Weise Tabletten beliebiger Form her, die zu Körnern in der Größenordnung von 0,5 bis 1 mm gebrochen werden. Diese Körnchen werden dann in dünnwandige, die Schweißstäbe bildende Eisenroh.re gestampft.
• Bei einer Variante des Verfahrens kann man dem metallischen Bestandteil der Legierung nicht das reine Karbid, wohl aber Karb,id-MischkristaJle oder Gemische des Karbdds mit anderen Karbiden oder mit anderen Mischkristallen hinzusetzen. Die Mischkristalle können binär, ternär usw. sein, beispielsweise aus Wolframkarbid, Titankarbid und Tantalkarbid bestehen.
• Bei einem anderen Ausführungsverfahren wird der aus dem Former hervorgegangene Preßling zunächst auf eine Temperatur erhitzt, die zu niedrig ist; um die endgültige Kohäsion herbeizuführen, aber doch ausreicht, damit der Preßling gehandhabt und durch Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht werden kann; nach der Formgebung geht man dann zu dem endgültigen Sintern über. Bei dem erwähnten Beispiel des Wodframkarbids ist ein Vorsintern bei einer Temperatur von 1500° C zweckmäßig. Man kann insbesondere bei der Herstellung der Körner für die Bildung eines harten Überzuges durch Auftragsschweißung mittels des Schweißbrenners beim Zerkleinern und Sortieren von der vorgesinterten Masse ausgehen und anschließend die auf diese Weise vorbereiteten Körner bei der höchsten endgültigen Temperatur brennen.
• Eine weitere Variante besteht darin, daß man dem Karbid mit hohem Kohlenstoffgehalt nicht das zu den Bestandteilen gehörende Metall selbst beimengt, sondern eine von dessen dissoziierbaren oder reduzierbaren Verbindungen, und daß man das, innige Gemisch einem Erhitzen unter solchen Bedingungen unterzieht, daß das Metall frei wird, worauf man preßt und sintert.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung eines abriebfesten, hilfsmetallfreien Hartmetalls auf pulvermetallurgischem Weg aus einem Metallkarbid eines Metalles, das mehr als ein Karbid bildet, unter Zusatz eines hochschmelzenden Metalls, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Karbid mit dem höchsten Kohlenstoffgehalt ausgegangen wird und das reine Metall zugesetzt wird, aus dem das Karbid gebildet ist, und zwar in solcher Menge, daß nach ausreichendem Sintern das Endprodukt nur noch aus Karbid bzw. Karbiden besteht.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Legierung von dem Wolframkarbid der Formel WC und metallischem Wolfram ausgegangen wird, um ein dichtes Karbidgemisch zu bilden, dessen Kohlenstoffgehalt sich auf 3 bis 6% beläuft.
3. 3. Abänderung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des reinen Karbids ein Mischkarbid in fester, homogener Lösung oder als Karbidgemisch verwendet wird.
4. 4. Verwendung harter Legierungen, hergestellt mittels eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 zur Herstellung abriebfester Werkzeuge, insbesondere für Sandstrahldüsen.
5. 5. Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Vorsinterung sowie durch die Arbeitsgänge der Formgebung durch Bearbeitung oder Zerkleinerung zwischen den beiden Erhitzungen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 295 726, 481212, 679 402, 688 389; schweizerische Patentschrift Nr. 176 686.