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Hartstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung
betrifft verbesserte Hartstoffkörper, die im wesentlichen aus gesinterten hochschmelzenden
Metalloxyden bestehen und insbesondere als Schneidwerkzeuge Verwendung finden können.
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Als Schneidwerkzeuge zum Drehen und Fräsen dienen bekanntlich Spezialstähle,
Stellite und Hartmetalle. Seit die oxydkeramischen Arbeitsverfahren zur Gewinnung
von Formkörpern aus hochschmelzenden Oxyden, wie Aluminiumoxyd, geführt haben, die
sich durch eine besonders hohe Härte und Druckfestigkeit bei guter chemischer Beständigkeit
und Warmfestigkeit auszeichnen, hat es an Versuchen nicht gefehlt, derartige Werkstoffe
auch als Schneidwerkzeuge entweder in Form von Drehmeißeln oder als Schneidplättchen
zu benutzen. Es hat sich aber im allgemeinen gezeigt, daß trotz der hohen Härte
und Verschleißfestigkeit auf die Dauer diese Werkstoffe den praktischen Anforderungen
nicht immer genügten, sowohl hinsichtlich der Zähigkeit des Werkstoffes als auch
besonders wegen des nicht voll befriedigenden Stehvermögens der eigentlich schneidenden
Kanten. Infolge der polykristallinen Struktur dieser gesinterten Materialien können
im Gebrauch leicht Kristallitkörner ausbrechen, so daß durch Veränderung vor allem
der Schneide das Arbeitsergebnis gefährdet werden kann. Diese Schwierigkeiten konnten
bis jetzt nicht nachhaltig behoben werden.
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Man hat auch versucht, mit der Entwicklung der sogenannten Cermets
eine rein keramische Komponente, wie etwa Aluminiumoxyd, mit erheblichen Mengen
eines metallischen Bindemittels zu kombinieren und beispielsweise vorgeschlagen,
Aluminiumoxydkörper mit 10 bis 70 °/o Chrom herzustellen. Auch solche Werkstoffe
erweisen sich als Schneidmaterialien für die spanabhebende Bearbeitung von metallischen
und nichtmetallischen Werkstoffen nicht voll geeignet und den eigentlichen Hartmetallen,
die eine Kombination von Hartkarbiden mit metallischen Bindern darstellen, unterlegen.
Vermutlich ist ein wesentlicher Grund dafür die mangelnde Benetzung des Metalls
gegenüber der oxydischen Komponente, durch die bei der Kombination zwischen Aluminiumoxyd
und Bindemetall die mechanischen Eigenschaften des reinen Aluminiumoxydes wesentlich
herabgesetzt werden, ohne daß dem andere Verbesserungen gegenüberstehen.
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Es sind weiterhin Sinterkörper bekannt, die aus Aluminiumoxyd und
Eisen aufgebaut sind. Diese Sinterkörper enthalten 1 bis 4 °/o, vorzugsweise 5 bis
20 °/o Eisen, Rest Aluminiumoxyd; ihr besonderer Vorzug ist ihre hervorragende Beständigkeit
gegenüber plötzlichen und größeren Temperaturänderungen. Andere bekannte Sinterkörper
enthalten neben Aluminiumoxyd oder einem ähnlichen Oxyd 1 bis 75 °/o eines oder
mehrerer Schwermetalle.
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Es wurde nun gefunden, daß sich die mechanischen Eigenschaften von
Sinterkörpern aus Aluminiumoxyd und anderen hochschmelzenden Metalloxyden, insbesondere
im Hinblick auf die Verwendbarkeit als Schneidwerkstoffe, überraschenderweise ganz
erheblich verbessern lassen, wenn dem Metalloxyd ein Zusatz eines oder mehrerer
Schwermetalle in untergeordneten Mengen, die 0,7 °/o vom Gesamtgewicht des Hartstoffkörpers
nicht überschreiten dürfen, einverleibt wird. Die neuartigen Hartstoffkörper bestehen
also aus Aluminiumoxyd oder einem diesem äquivalenten hochschmelzenden harten Metalloxyd
und bis zu. 0,7 % eines oder mehrerer Schwermetalle, wobei der Schwermetallgehalt
mindestens 0,01 °/o betragen soll. Besonders günstige Eigenschaften wurden an Körpern
gefunden, bei denen der Schwermetallgehalt 0,03 bis 0,7°/o beträgt. Die Auswahl
der günstigsten Metallmenge richtet sich in den angegebenen Grenzen nach der Korngröße
des Aluminiumoxyds oder Metalloxyds im Ausgangsmaterial; der Metallanteil nimmt
mit abnehmender Korngröße zu.
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Die Hartstoffkörper gemäß der Erfindung unterscheiden sich demgemäß
von den bekannten Körpern durch ihren sehr geringen Metallgehalt. Daraus erklärt
auch wohl, daß sich bei Verwendung von Metallen, die das keramische Material nicht
oder nur schlecht benetzen, keine Beeinträchtigung der Eigenschaften der Verbundkörper
ergibt, sondern die Eigenschaften gegenüber den reinen Oxyden verbessert werden.
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Unter den Schwermetallen hat sich für die Zwecke der Erfindung besonders
Nickel bewährt, obgleich
gerade dessen Benetzungsverhalten gegenüber
Aluminiumoxyd und verwandten Oxyden, wie Magnesiumoxyd, Titandioxyd, Thoriumoxyd,
außerordentlich ungünstig ist. Man ist in der Auswahl des Zusatzmetalls jedoch nicht
auf reines Nickel beschränkt, vielmehr lassen sich auch überwiegend Nickel enthaltende
Legierungen, z. B. mit Titan, Zirkon, Aluminium, Eisen, Molybdän und Chrom verwenden,
wobei man entweder bei der Herstellung des Hartstoff körpers von vornherein die
fertigen Legierungszusätze oder auch die Legierungskomponenten getrennt einbringen
und die Legierungsbildung durch die ohnehin erforderliche Wärmebehandlung bewirken
kann.
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Neben und an Stelle von Nickel oder Nickellegierungen sind auch alle
anderen Schwermetalle und deren Legierungen verwendbar, sofern sie nur bei den Brenntemperaturen
der Hartstoffkörper, die, wie später noch erläutert werden wird, zwischen 1500 und
2000°C liegen, nicht wesentlich flüchtig sind. Kobalt kann als dem Nickel äquivalent
betrachtet werden; auch Silber, Chrom und Eisen wurden bereits mit Erfolg verwendet.
Ebenso kommen Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon und gegebenenfalls sogar Edelmetalle
in Betracht.
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Wenn man bei der Herstellung der Hartstoffkörper die Metalle nicht
als solche benutzt, sondern sie in Form ihrer Oxyde oder zersetzbaren Verbindungen
dem Aluminiumoxyd zumischt und so mit ihm zusammen verarbeitet, ist für die Auswahl
des Metalls weiterhin maßgebend, daß bei den vorgenannten Brenntemperaturen reduzierbare
oder zu Metall zersetzbare Oxyde oder andere Verbindungen existieren.
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Die Anwendung von Schwermetalloxyden zu Aluminiumoxyd in Mengen unter
10/0 zur Beeinflussung seiner Eigenschaften ist bekannt. Das Oxyd liegt hier
nach der Sinterung als feste Lösung im Aluminiumoxyd vor, d. h., auch in dem fertigen
Körper ist das Schwermetall nicht als Metall, sondern als Oxyd vorhanden. Im Gegensatz
dazu enthält der fertige Hartstoffkörper gemäß der Erfindung das Schwermetall als
Metall.
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Wenngleich die verbesserten Eigenschaften von geringe Mengen von Metallen
enthaltenden Hartstoff körpern am stärksten in Erscheinung treten, wenn der nichtmetallische
Anteil aus reinem Metalloxyd, insbesondere Aluminiumoxyd, besteht, können selbstverständlich
auch Körper mit Oxydgemischen oder Verbindungen aus nichtmetallischer Komponente
benutzt werden. Dabei kann man sich auch an sich bekannter Kombinationen bedienen,
bei denen dem eigentlichen Grundoxyd, z. B. dem Aluminiumoxyd, zur Sinterungserleichterung
oder zur Regulierung des Kornwachstums Zuschläge, z. B. Magnesiumoxyd, Titandioxyd,
Siliciumdioxyd oder Verbindungen davon, wie Magnesiumfluorid, beigegeben werden,
die in der angewendeten Sinteratmosphäre nur teilweise reduziert oder zersetzt werden,
so daß das metallische Reduktionsprodukt in den erfindungsgemäß erforderlichen geringen
Mengen als metallische Komponente wirkt, während das restliche Oxyd, vor allem dann,
wenn es wie etwa Chromoxyd mit dem Aluminiumoxyd feste Lösungen bildet, zu einer
an sich erwünschten Verbesserung des Benetzungsverhaltens zwischen metallischer
und nichtmetallischer Komponente beitragen kann.
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Nach einer anderen Ausführungsform, die ebenfalls wertvolle Hartstoffkörper
ergibt, kann das Grundoxyd vorteilhaft bis zu 200/0 seines Gewichtes durch die an
sich bekannten Hartstoffe, nämlich Karbide, Boride oder Nitride, ersetzt werden.
Man erreicht dabei eine höhere Härte des Fertigkörpers und im allgemeinen auch eine
bessere Benetzung der verschiedenen Komponenten. Auch bei dieser Ausführungsform
sind jedoch möglichst reine Metalloxyde als Grundmasse zu bevorzugen.
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Die Erzielung der weiter unten noch an Hand eines Beispiels zu erläuternden
vorteilhaften Eigenschaften der Hartstoffkörper gemäß der Erfindung setzt voraus,
daß bei der Herstellung, für die im allgemeinen die gängigen Arbeitsverfahren der
Oxydkeramik herangezogen werden, auf alle Fälle ein Vorbrand in zumindest schwach
oxydierender Atmosphäre vorgenommen wird, gleichgültig ob das Zusatzmetall als solches
oder in Form von Verbindungen zur Anwendung gelangt.
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Das Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Hartstoffkörper
besteht also darin, daß dem feinteiligen hochschmelzenden Metalloxyd, insbesondere
Aluminiumoxyd, das Schwermetall, z. B. Nickel, als feinteiliges Metallpulver oder
als feinverteiltes Oxyd oder als eine solches bildende Verbindung zugefügt und das
Gemenge dann in die gewünschte Form, z. B. eines Drehmeißels oder eines Schneideplättchens
übergeführt wird. Das kann in an sich bekannter Weise, etwa durch Gießen eines entsprechenden
Schlickers oder - besser - durch Pressen des Gemisches mit nicht bleibenden Bindemitteln
erfolgen. Der Formkörper wird dann zunächst in oxydierender Atmosphäre (gebrannt
und anschließend einem Brand in reduzierender Atmosphäre), vorzugsweise in Wasserstoff,
unterworfen. Dabei wird die Zusatzkomponente, gleichgültig in welcher Form sie ursprünglich
angewendet worden war, in den metallischen Zustand übergeführt, was beispielsweise
an der Farbänderung des Fertigkörpers gegenüber der Erscheinungsform nach dem oxydierenden
Brand ohne weiteres erkennbar ist. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
wird der oxydierende Brand vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 600 und 1200°C
vorgenommen, worauf die Körper anschließend im Temperaturbereich von 1500 bis 2000°C
reduzierend gebrannt werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
kann das Brennen in der zweiten Stufe auch unter Vakuum vorgenommen werden, beispielsweise
wenn solche Metalloxyde oder Metallverbindungen vorliegen, die sich unter Bildung
des betreffenden Schwermetalls bei vermindertem Druck und erhöhter Temperatur zersetzen.
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Einige Eigenschaften der Hartstoffkörper gemäß der Erfindung im Vergleich
zu solchen, die in üblicher Weise lediglich aus einem Metalloxyd bestehen, ergeben
sich aus dem nachfolgenden Beispiel: Beispiel Reines Aluminiumoxyd mit einer mittleren
Korngröße von 5 p. wurde mit 0,070/, seines Gewichtes an feinem Nickeloxyd (Korngröße
1 bis 2 V.) gründlich vermischt. Aus der Mischung wurden nach dem Trockenpreßverfahren
Formkörper in den Abmessungen 12 - 12 - 5 mm hergestellt; wobei als temporäres Bindemittel
Dextrin zugesetzt wurde. Die Preßlinge wurden dann bei 1000°C an Luft 1 Stunde gesintert
und anschließend in einem Wasserstoffstrom bei 1900°C fertiggebrannt. Die Biegebruchfestigkeit
des Probekörpers betrug 30 kg/mm2 gegenüber 19 kg/mm2
bei dem gleichen
Aluminiumoxydkörper ohne Nickelzusatz. Die Steigerung belief sich demnach auf 580/0.
Bei einem zweiten Vergleichskörper, der von vornherein auf eine höhere Biegebruchfestigkeit
eingestellt war, betrug diese ohne Nickelzusatz 24 kg/mma und bei einem Nickelgehalt
von 0,070/0 36 kg/mma, entsprechend einer Steigerung von 5001(). Dabei zeigte sich
überraschenderweise, daß die Werte der Biegebruchfestigkeit und Härte bei den Körpern
gemäß der Erfindung nicht gegenläufig sind, vielmehr haben die nickelhaltigen Proben
die gleiche Knoop-Härte wie die nickelfreien Proben; die Härte liegt in beiden Fällen
zwischen 2200 und 2300 kg/-ins. Daß die Hartstoffkörper gemäß der Erfindung auch
eine merkbar höhere Dichte aufweisen gegenüber solchen, die frei sind von geringen
Zusätzen an Schwermetallen, ergibt sich daraus, daß die Dichte trotz einem Gehalt
von 0,07 % Nickel 3,99 g/cma betrug, während der lediglich aus Aluminiumoxyd bestehende
Vergleichskörper nur eine solche von 3,96 g/em3 zeigte. Damit erreichen die Hartstoffkörper
gemäß der vorliegenden Erfindung die theoretische Dichte von Aluminiumoxyd und sind
also praktisch frei von Poren. Die Dichtesteigerung von etwa 10/0, die bekanntlich
am Grenzwert der theoretischen Dichte in diesem Umfang normalerweise außerordentlich
schwer zu erreichen ist, geht über den additiv zu erwartenden Dichtezuwachs hinaus,
der sich bei einem Gehalt von 0,07 0/0 Nickel auf nur 0,0016 g/cm$ belaufen würde.
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Schneidversuche mit den Hartstoffkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung,
die an verschiedenen Stahl- und Gußeisensorten vorgenommen wurden, zeigten bei sonst
gleichen Prüfbedingungen eine mehrfach höhere Standzeit als nickelfreie Aluminumoxydproben.