DE112011102668T5

DE112011102668T5 - Hartmetall-Zusammensetzungen mit einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel

Info

Publication number: DE112011102668T5
Application number: DE112011102668T
Authority: DE
Inventors: Rajendra Kelkar
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-06-06
Also published as: US20120040183A1; FR2963792A1; KR20130108248A; SE1350163A1; CN103069097B; CN103069097A; WO2012021254A1

Abstract

Es werden Hartmetall-Zusammensetzungen, die im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel bestehen, offenbart. Außerdem werden Verfahren zur Herstellung der Hartmetall-Zusammensetzungen und von Gegenständen, die die Hartmetall-Zusammensetzungen beinhalten, offenbart. Pellets mit den Hartmetall-Zusammensetzungen können in der unzerkleinerten oder zerkleinerten Form verwendet werden. Die Hartmetall-Zusammensetzungen können auch als Metallschneidwerkzeugeinsätze, Straßenbauwerkzeugeinsätze, Öl- und Gasbohreinsätze (20), Bergbauwerkzeugeinsätze und als Substrate (6) für ultraharte Materialien wie z. B. PCD, PCBN und TSP verwendet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hartmetall-Zusammensetzungen mit harten Partikeln aus Wolframcarbid und einer Bindemittelphase mit einer Kobalt-Silizium-Legierung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Gegenstände mit solchen Hartmetall-Zusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung von solchen Hartmetall-Zusammensetzungen und Gegenständen.
Hintergrund der Erfindung
Seit den 1920-er Jahren wurden Hartmetalle mit harten Partikeln aus Wolframcarbid (WC) und Kobalt (Co) als Bindemittel für Anwendungen wie z. B. Metallschneiden, Metallformen, Öl- und Gasbohren, Straßenbau und Bergbau verwendet, die eine beträchtliche Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit erfordern. Von diesem Ausgangspunkt wurde eine große Menge an Forschung, Entwicklung und Produktionsanstrengungen beim Zuschneiden der Eigenschaften von Hartmetallen, um die Anforderungen der Industrie und des Handels zu erfüllen, investiert. In vielen Fällen wurden die Wolframcarbidpartikel durch andere harte Partikel ergänzt und manchmal ersetzt, die beispielsweise die Carbide von Titan, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Niob und Tantal umfassen. Ebenso wurde das Kobaltbindemittel mit verschiedenen Elementen legiert und in einem gewissen Fall dadurch ersetzt, z. B. Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän, Ruthenium, Bor, Wolfram, Titan und Mob.
Trotzdem sind Hartmetalle, die im Wesentlichen aus harten Wolframcarbidpartikeln und Kobaltbindemittel bestehen, weiterhin das Arbeitspferd der Industrie. Durch Verändern der Korngröße der harten Wolframcarbidpartikel und der relativen Mengen der Wolframcarbidpartikel und des Kobaltbindemittels kann ein breiter Bereich von Eigenschaften erhalten werden. Sehr feine Wolframcarbid-Partikelgrößen, z. B. unter 1 Mikrometer, in Kombination mit kleinen Mengen an Kobaltbindemittel, z. B. 6 Gewichtsprozent oder weniger, schaffen eine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit. Dagegen schaffen große Wolframcarbidpartikel, z. B. über 30 Mikrometer, in Kombination mit großen Mengen an Kobaltbindemittel, z. B. über 20 Gewichtsprozent, eine hohe Bruchzähigkeit.
Tatsächlich sind Wolframcarbid und Kobalt füreinander gut geeignet, so dass ihre Kombination in Hartmetallen vorteilhafte Synergien schafft. Am üblichsten werden Hartmetallgegenstände hergestellt durch: (1) miteinander Vermahlen von Wolframcarbidpulver mit Kobaltpulver, um ein vermahlenes Pulver zu erzeugen (manchmal auf dem Fachgebiet als klassiertes Pulver bezeichnet); (2) Ausbilden des vermahlenen Pulvers zu einem geformten Gegenstand; (3) Erhitzen des Gegenstandes auf eine Temperatur, bei der Flüssigphasensintern stattfindet; und (4) Kühlen des Gegenstandes auf Raumtemperatur. Der kombinierte Effekt des Vermahlens der Wolframcarbid- und Kobaltpulver und der Diffusion, die während des Erhitzens des verdichteten Pulvers auf die Flüssigphasensintertemperatur auftritt, führt zur Bildung einer Flüssigkeit gut unter den Schmelzpunkten entweder des Wolframcarbids oder des Kobalts. Die Flüssigkeit, die sich bildet, ist eine Lösung, in der Kobalt als Lösungsmittel und Wolframcarbid als gelöster Stoff betrachtet werden kann. Die Oberflächenspannung und die Auflösungswirkung der flüssigen Lösung bewirken, dass sich die Wolframcarbidpartikel umordnen und zusammenziehen, wodurch die Dichte des Gegenstandes erheblich erhöht wird. Wenn der Gegenstand von der Flüssigphasensintertemperatur abgekühlt wird, verfestigt sich die flüssige Lösung. Während der Verfestigung fällt alles oder das meiste des gelösten Wolframcarbids aus der sich verfestigenden Flüssigkeit aus, so dass das verfestigte Bindemittel des Hartmetallgegenstandes im Wesentlichen Kobalt ist.
In Anwendungen, in denen Hartmetalle mit sehr feinen Wolframcarbidkörnern erwünscht sind, ist es bekannt, in die Hartmetall-Zusammensetzung eine Kombination von Elementen aufzunehmen, die sich in der Flüssigkeit bei der Sintertemperatur auflösen und dann in sehr feine Partikel ausfällen, wobei somit das Kornwachstum der Wolframcarbidkörner gehemmt wird. Die japanischen veröffentlichten Anmeldungen Nrn. 2003-193172 , 2004-059946 und 2004-076049 lehren beispielsweise die Zugabe von kleineren Mengen von Vanadium, Chrom, Tantal, Molybdän und/oder ihren Carbiden zusammen mit einer kleinen Menge an Silizium zum Auflösen in der Bindemittelphase und zur anschließenden Wirkung beim Verhindern des Kornwachstums der Wolframcarbidpartikel.
Der Fachmann auf dem Gebiet unterscheidet zwischen Hartmetallgegenständen, die durch Verfahren hergestellt werden, die die Schritte des (a) Vermahlens des Wolframcarbid- und Kobaltpulvers miteinander zu einem vermahlenen Pulver und (b) des Verdichtens des vermahlenen Pulvers durch Pressen umfassen, von Hartmetallgegenständen, die durch Verfahren hergestellt werden, die diese Schritte nicht umfassen. In den Verfahren, die diese Schritte umfassen, kann der Druck, der während des Pressens auf das vermahlene Pulver aufgebracht wird, richtungsabhängig entlang einer oder mehrerer Achsen aufgebracht werden oder er kann isostatisch aufgebracht werden. Die am häufigsten verwendeten Verfahren, die sowohl die Vermahl- als auch Pressschritte verwenden, sind auf dem Fachgebiet als Press- und Sinterverfahren bekannt. Bei Press- und Sinterverfahren wird der Pressschritt bei Raumtemperatur angewendet und verdichtet das Pulver zu einer scheinbaren Dichte von über etwa 60 Prozent. Weniger häufig verwendete Verfahren wenden den Pressschritt bei einer erhöhten Temperatur an, z. B. Heißpressen, heißes isostatisches Pressen und schnelle omnidirektionale Verdichtung (ROC), und das Sintern des Pulvers wird gleichzeitig mit dem Aufbringen des hohen Drucks durchgeführt. Es gibt auch Hybridverfahren, bei denen das Pressen bei Raumtemperatur und dann wieder entweder nach oder während des Sinterns, z. B. dem Sinter-HIP-Prozess, durchgeführt wird.
Es gibt mehrere Verfahren, die die Vermahl- und Pressschritte weglassen. In einigen von diesen Verfahren wird der Schritt des Vermahlens des Pulvers entweder durch einen Schritt zum Mischen des Pulvers, z. B. in einem V-Mischer oder einem Doppelkegelmischer, ersetzt oder wird völlig weggelassen. Ein solches Verfahren besteht darin, ein Bett von gesinterten Hartmetallpartikeln mit einem geschmolzenen Bindemittel zu infiltrieren, das Kobalt enthält, und dann das infiltrierte Bett zu kühlen, wobei das Bindemittel verfestigt wird. Ein anderes solches Verfahren besteht darin, die Wolframcarbid- und Kobaltpulver miteinander zu vermischen, ein Bett des gemischten Pulvers zu erzeugen, das Bett mit einem geschmolzenen Bindemittel zu infiltrieren, das Kobalt enthält, und dann das infiltrierte Bett zu kühlen, wobei das Bindemittel verfestigt wird. Ein drittes besteht darin, eine geschmolzene eutektische Zusammensetzung von Wolframcarbid und Kobalt zu erzeugen, die geschmolzene Zusammensetzung in eine Form zu gießen und dann zu kühlen, um das Gussstück zu verfestigen. In einem vierten solchen Verfahren werden das Wolframcarbid- und Kobaltpulver miteinander vermischt, das vermischte Pulver wird in eine Form gegeben und erhitzt, um das Kobalt zu schmelzen, so dass es in die Räume zwischen dem Wolframcarbidpulver infiltriert, und dann wird die infiltrierte Pulvermasse gekühlt, um das Kobalt zu verfestigen.
Beispiele von diesen vier Verfahren sind in der veröffentlichten US-Anmeldung Nr. US 2008/0101977 A1 offenbart. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass die Lehren dieser veröffentlichten Anmeldung weit über die Herstellung von Hartmetallen, die im Wesentlichen aus Wolframcarbid und Kobaltbindemittel bestehen, hinaus geht. Diese veröffentlichte Anmeldung lehrt, dass die harten Partikel ein oder mehrere Carbide, Oxide, Boride, Silicide, Nitride, gegossenes Wolframcarbid (WC, W₂C), Hartmetalle, Gemische davon und feste Lösungen davon sein können. Sie lehrt, dass die harten Hartmetallpartikel Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram umfassen können. Sie lehrt auch, dass die Bindemittelphase aus einem oder mehreren der Metalle der Gruppe VIII, nämlich Kobalt, Nickel und/oder Eisen, bestehen können und Additive wie z. B. Bor, Chrom, Silizium, Aluminium, Kupfer, Mangan oder Ruthenium in Gesamtmengen von bis zu 20 Gewichtsprozent der Bindemittelphase umfassen können. Die veröffentlichte Anmeldung lehrt die Verwendung von eutektischen Bindemitteln in diesen Verfahren. Sie gibt Beispiele von Bindemitteln mit Zusammensetzungen von (a) Kobalt mit 2 Gewichtsprozent Bor, (b) Kobalt mit 45 Gewichtsprozent Wolframcarbid, (c) Nickel mit 45 Gewichtsprozent Wolframcarbid und 2 Gewichtsprozent Bor, (d) Nickel mit 3,7 Gewichtsprozent Bor, (e) Nickel mit 11,6 Gewichtsprozent Silizium und (f) Kobalt mit etwa 12,5 Gewichtsprozent Silizium.
Zusätzlich dazu, dass sie verwendet werden, um einen Gegenstand monolithisch zu bilden, werden Hartmetalle auch verwendet, um Pellets auszubilden. Die Pellets können als harte Partikel in Kombination mit einem Bindemittel entweder als Teil eines zusammengesetzten Gegenstandes oder als Aufpanzerung, die auf die Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht wird, verwendet werden. Beispiele der Verfahren, die zur Herstellung von Hartmetallpellets verwendet werden, werden vom US-Patent Nr. 7 128 773 gelehrt.
Trotz der großen Entwicklungen, die bisher bei Hartmetallen gemacht wurden, erfordern die stets zunehmenden Bedürfnisse der Industrie weiterhin die Entwicklung von neuen und besseren Gütegraden von Hartmetall.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat die überraschende Entdeckung gemacht, dass Gegenstände mit Hartmetall, das im Wesentlichen aus harten Wolframcarbidpartikeln und einem Kobaltbindemittel besteht, eine verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweisen, wenn das Bindemittel eine Kobalt-Silizium-Legierung ist. Der Erfinder hat auch das überraschende Ergebnis entdeckt, dass in einigen Fällen solche Hartmetalle verbesserte Kombinationen von Bruchzähigkeitsund Verschleißbeständigkeitseigenschaften aufweisen.
Die Menge an Silizium im Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent. Ohne gebunden sein zu wollen, glaubt der Erfinder, dass das Silizium in der Flüssigkeit in Lösung geht und im verfestigten Bindemittel und/oder an den Wolframcarbidpartikeln eine oder mehrere Phasen bildet, die zum Erhöhen der Verschleißbeständigkeit des Hartmetalls wirken. Das Silizium weist auch den vorteilhaften Effekt auf, dass es die Temperatur senkt, bei der das Flüssigphasensintern durchgeführt werden kann, was folglich ermöglicht, dass niedrigere Sintertemperaturen verwendet werden. Die Verwendung von niedrigeren Sintertemperaturen führt zu Energie- und Kosteneinsparungen bei der Herstellung der Hartmetallgegenstände und verringert die Antriebskraft für das Kornwachstum, so dass die Gegenstände kleinere Wolframcarbid-Korngrößen aufweisen können.
Die vorliegende Erfindung umfasst Hartmetall-Zusammensetzungen, die im Wesentlichen aus harten Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel bestehen. Die vorliegende Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung von Hartmetall-Zusammensetzungen, die im Wesentlichen aus harten Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel bestehen. Die vorliegende Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, die solche Hartmetalle umfassen, z. B. Schneidwerkzeuge für maschinelle Bearbeitungs-, Straßenbau-, Öl- und Gasbohr- und Bergbauanwendungen.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Hartmetallpellets, die im Wesentlichen aus harten Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel bestehen, entweder in einer unzerkleinerten oder einer zerkleinerten Form. Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung von solchen Hartmetallpellets in Metallmatrixkörper-Zusammensetzungen, Aufpanzerungszusammensetzungen und in Aufpanzerungsstäben.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Substrate für Gegenstände aus ultrahartem Material, z. B. Gegenstände mit polykristallinem Diamant, polykristallinem kubischem Bornitrid und dergleichen, wobei das Substrat im Wesentlichen aus harten Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel besteht. Solche Substrate können während oder im Anschluss an die Ausbildung des Gegenstandes aus ultrahartem Material befestigt werden. Die relativ niedrigen Schmelzpunkte der Kobalt-Silizium-Legierungen verringern vorteilhafterweise die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung an den ultraharten Partikeln, z. B. durch Graphitisierung und thermische Fehlanpassung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Kritizität der Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden. Selbstverständlich sind jedoch die Zeichnungen nur für den Zweck der Erläuterung ausgelegt und nicht als Definitionen der Grenzen der vorliegenden Erfindung.
1 ist ein Diagramm einer perspektivischen Ansicht eines Schneidelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Graph, der die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit von Hartmetallen gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion des Bindemittel-Siliziumgehalts zeigt.
3 ist ein Graph, der die Beziehung der Bruchzähigkeit zur Verschleißbeständigkeit für herkömmliche Hartmetalle (Rauten) und Hartmetalle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (Dreiecke) zeigt.
4 ist eine schematische Aufrisszeichnung, insbesondere im Querschnitt, einer Rollkegelbohrspitze mit Hartmetalleinsätzen, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.
5 ist eine schematische Aufrisszeichnung eines festen Schneidelements mit PCD-, PCBN- oder TSP-Einsätzen, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
In diesem Abschnitt werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in ausreichendem Detail, damit ein Fachmann auf dem Gebiet die vorliegende Erfindung ausführt, beschrieben. Selbstverständlich begrenzt jedoch die Tatsache, dass eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen hier beschrieben wird, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, keineswegs.
Wenn nicht anders angegeben, werden alle Zusammensetzungen hinsichtlich Gewichtsprozent ausgedrückt. Der Begriff ”Schmelzpunkt” soll als sich auf die Temperatur beziehend verstanden werden, bei der beim Erhitzen einer Zusammensetzung zum ersten Mal eine Flüssigkeit erscheint. Der Begriff ”Kobalt-Silizium-Legierung” soll als sich auf den kombinierten Kobalt- und Siliziumgehalt der erfindungsgemäßen Hartmetalle beziehend aufgefasst werden, ob im Zustand von Hartmetall oder nicht, dann unter Berücksichtigung, dass das Silizium tatsächlich mit dem Kobalt legiert ist. Dieser Begriff wird der Bequemlichkeit wegen aufgrund der Beschreibungsschwierigkeit verwendet, die durch die Tatsache dargestellt wird, dass der Ort des Siliziums in der Zusammensetzung sich mit dem Verarbeitungsverlauf der Zusammensetzung ändert. Folglich wird die Menge an Silizium als einen bestimmten Teil der ”Kobalt-Silizium-Legierung” bildend beschrieben, ungeachtet dessen, ob das Silizium dann gegenwärtig ganz oder teilweise mit dem Kobalt in Lösung ist oder als Komponente einer Phase, die Kobalt-Silizium, Wolfram-Silizium oder Kobalt-Wolfram-Silizium umfasst.
Hartmetalle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestehen im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel. Die Wolframcarbidpartikel können etwa 60 bis 99 Prozent des Hartmetalls bilden. In dem gesinterten Hartmetall können die Wolframcarbidpartikel mittlere Partikelgrößen im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 12 Mikrometer aufweisen. Vorzugsweise liegt die Partikelgröße der Wolframcarbidpartikel im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 7 Mikrometer und bevorzugter innerhalb des Bereichs von etwa 0,6 bis etwa 5 Mikrometer.
Die Hartmetalle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen zwischen etwa 1 und etwa 40 Prozent Kobalt-Silizium-Bindemittel auf. Vorzugsweise liegt die Menge an Kobalt-Silizium-Bindemittel zwischen etwa 3 und etwa 30, da Bindemittelmengen außerhalb dieses Bereichs schwieriger zu sintern sind.
Die Kobalt-Silizium-Legierung kann etwa 1 bis etwa 21 Prozent Silizium enthalten. Siliziumanteile unter diesem Bereich verbessern die Verschleißbeständigkeit nicht signifikant und Siliziumanteile über diesem Bereich können zu unerwünschten Niveaus von Porosität und/oder Brüchigkeit führen. Vorzugsweise liegt der Siliziumanteil im Bereich von etwa 2 bis etwa 13 Prozent und bevorzugter im Bereich von etwa 11 bis etwa 12 Prozent, um bevorzugte Kombinationen von Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit, Biegebruchfestigkeit und Härte zu erhalten.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Hartmetalle durch Vorsehen eines vermahlenen Pulvers mit Wolframcarbid, Kobalt und Silizium hergestellt. Das vermahlene Pulver kann durch Vermahlen von Wolframcarbidpulver mit Kobaltpulver und Siliziumpulver miteinander unter Verwendung von herkömmlichen Kugelmahl- oder Attritormahltechniken hergestellt werden. Das vermahlene Pulver kann auch eine Presshilfe oder ein Polymer- oder Wachsbindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen das vermahlene Pulver gesenkgepresst oder isostatisch gepresst werden soll, wird das vermahlene Pulver vorzugsweise durch eine herkömmliche Technik granuliert, z. B. durch Vakuumtrocknen oder Sprühtrocknen. Die mittlere Partikelgröße des Wolframcarbidpulvers, das bei diesen Verfahren verwendet wird, liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,6 bis etwa 40 Mikrometer, wie durch das Fisher-Siebdurchgangsgrößen-Verfahren gemessen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Silizium als elementares Pulver zu den Kobalt- und Wolframcarbidpulvern zugegeben werden und diese Pulver werden miteinander vermahlen, um das vermahlene Pulvergemisch zu erzeugen. Das Silizium kann auch zumindest teilweise in Form eines Silizium-Kobalt-Legierungs-Pulvers bereitgestellt werden, das dann bei der Herstellung des vermahlenen Pulvergemisches verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen ein Hartmetallgegenstand hergestellt wird, wird das vermahlene Pulver in einer Form unter Druck gepresst, um einen Vorläufer des gewünschten Gegenstandes auszubilden. Das gepresste vermahlene Pulver wird manchmal auf dem Fachgebiet als ”Pressling” oder ”roher Gegenstand” oder ”rohes Teil” oder ”rohes Pressteil” bezeichnet, wobei der Begriff ”roh” angibt, dass das gepresste Pulver nicht teilweise oder vollständig durch Erhitzen zusammengesintert wurde. Der Druck kann durch irgendein herkömmliches pulvermetallurgisches Pressverfahren aufgebracht werden. Falls erwünscht, kann der Pressling durch maschinelle Bearbeitung geformt werden oder festphasengesintert werden, um seine Festigkeit zu verbessern, und dann maschinell bearbeitet werden. Der gepresste oder maschinell bearbeitete Pressling kann dann in einem herkömmlichen Sinterofen flüssigphasengesintert werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der gesinterte Pressling heißisostatisch gepresst werden, um seine Verdichtung zu verstärken. Es liegt auch innerhalb der Erwägung der vorliegenden Erfindung, dass Heißpressen, heißes isostatisches Pressen oder der ROC-Prozess verwendet wird, um das vermahlene Pulver gleichzeitig zu verdichten und zu flüssigphasensintern, um einen gesinterten Gegenstand auszubilden. Es ist bevorzugt, dass während der Hochtemperaturverarbeitung der Pressling von Graphitkomponenten oder -befestigungen durch ein inertes Medium getrennt wird.
Die Hartmetalle der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um irgendeinen Gegenstand herzustellen, der aus herkömmlichen Wolframcarbid/Kobalt-Hartmetallen hergestellt werden kann. Bei der Herstellung solcher Gegenstände können die Zusammensetzungs- und Verarbeitungsparameter des Hartmetalls der vorliegenden Erfindung zu jenen identisch sein, die für herkömmliche Hartmetalle verwendet werden. Die Wolframcarbid-Korngröße und die Menge an Kobalt können beispielsweise gleich wie im herkömmlichen Wolframcarbid gehalten werden. Obwohl herkömmliche Sintertemperaturen und -zeiten bei den Hartmetallen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, macht es der Schmelzpunktherabsetzungseffekt des Siliziums im Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel möglich, niedrigere Temperaturen und/oder kürzere Flüssigphasen-Sinterzeiten zu verwenden, um vergleichbare Sinterniveaus zu erreichen. Alternativ können dieselben Flüssigphasen-Sinterbedingungen für einen Gegenstand verwendet werden, der mit einem Hartmetall der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, wie sie für den Gegenstand verwendet werden, der mit einem herkömmlichen Hartmetall hergestellt wird, aber die Menge der Bindemittelphase kann im erfindungsgemäßen Hartmetall verringert sein, um dieselbe Menge an Flüssigphase zu erzeugen.
Die niedrigere Flüssigphasen-Sintertemperatur der Hartmetalle der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu jener von herkömmlichen Hartmetallen mit derselben Menge an Bindemittel kann besonders vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße Hartmetall als Substrat für einen Gegenstand verwendet wird, der ein ultrahartes Material umfasst. Beispiele von ultraharten Materialien sind polykristalliner Diamant (”PCD”), polykristallines kubisches Bornitrid (”PCBN”) und thermisch stabiler polykristalliner Diamant (”TSP”), die alle im Einzelnen in US 2009/0313908 A1 definiert und beschrieben sind, und diese Definitionen sollen hier verwendet werden.
Ein Beispiel eines Gegenstandes aus ultrahartem Material, der an einem Hartmetallsubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt ist, ist schematisch in 1 gezeigt. Dort besteht das Schneidelement 2 aus einem PCD-, PCBN- oder TSP-Schneidabschnitt 4, der an einem Hartmetallsubstrat 6 befestigt ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das ultraharte Material am erfindungsgemäßen Hartmetallsubstrat entweder während oder im Anschluss an den Prozess befestigt werden, in dem das ultraharte Material ausgebildet wird. Alle auf dem Fachgebiet für das Befestigen von ultraharten Materialien an Hartmetallsubstraten bekannten Verfahren liegen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung. Einige Verfahren, die zur Herstellung solcher Befestigungen geeignet sind, sind in der vorstehend erwähnten US 2009/0313908 A1 im Einzelnen beschrieben.
Ein ultraharter Gegenstand, der PCD umfasst, kann beispielsweise direkt an der Oberfläche eines Substrats eines Hartmetalls der vorliegenden Erfindung durch Anordnen einer Masse von natürlichen oder synthetischen Diamantpartikeln auf der Oberfläche des Substrats und dann Unterziehen der Kombination einem Hochtemperatur-Hochdruck-Prozess (”HTHP”) für eine geeignet lange Zeit, um die Partikel zu verdichten, ausgebildet werden. Während des HTHP-Prozesses verflüssigt sich das Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel des Substrats und einiges von diesem kann in die Partikelmasse infiltrieren und das Zusammensintern der Partikel katalysieren. Da die Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel der vorliegenden Erfindung bei niedrigeren Temperaturen schmelzen als herkömmliche Kobaltbindemittel, macht es die vorliegende Erfindung möglich, niedrigere Temperaturen im HTHP-Prozess zu verwenden. Da typischerweise der im HTHP-Prozess aufgebrachte Druck zur verwendeten Temperatur proportional ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung ferner auch, dass der Druck niedriger ist. Die niedrigere Temperatur und der niedrigere Druck schaffen nicht nur Energieeinsparungen, sondern machen es auch möglich, eine weniger teure Ausrüstung im HTHP-Prozess zu verwenden. Die niedrigeren Temperaturen können auch helfen, eine Beschädigung am ultraharten Material zu verringern, die durch Graphitisierungs- und thermische Fehlanpassungsmechanismen auftreten kann. Ohne gebunden sein zu wollen, deutet der Erfinder an, dass das Silizium des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels die Bildung von Siliziumcarbid und TSP anregen kann.
Manchmal wird der Prozess zum Befestigen eines bereits ausgebildeten Gegenstandes aus ultrahartem Material an einem Hartmetallsubstrat auf dem Fachgebiet als ”Wiederbefestigung” bezeichnet, insbesondere in dem Fall, in dem das Substrat aus ultrahartem Material ursprünglich an einem Hartmetallsubstrat ausgebildet und dann zum Auslaugen des katalytischen Materials, das verwendet wurde, um das Zusammensintern der Partikel aus ultrahartem Material zu unterstützen, entfernt wurde, um den Gegenstand aus ultrahartem Material auszubilden. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass die Vorteile, die aus dem vorstehend beschriebenen Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel herrühren, im Hinblick auf das Ausbilden eines ultraharten Gegenstandes direkt am erfindungsgemäßen Hartmetallsubstrat durch HTHP-Anwendung mit gleicher Kraft gelten, wenn HTHP verwendet wird, um einen bereits ausgebildeten Gegenstand aus ultrahartem Material an einem Substrat zu befestigen oder wieder zu befestigen, das ein Hartmetall der vorliegenden Erfindung umfasst.
Andere Beispiele von Gegenständen, die aus den Hartmetallen der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, umfassen Metallschneidwerkzeugeinsätze, Straßenbauwerkzeugeinsätze, Öl- oder Gasbohreinsätze und Bergbauwerkzeugeinsätze. Beispiele von solchen Einsätzen sind in den in 4 und 5 gezeigten Erdbohrmeißeln dargestellt. Bei Erdbohrspitzen, z. B. jenen, die zum Öl- und Gasbohren verwendet werden, wird eine Bohrspitze mit unabhängig rotierenden Komponenten verwendet, wenn die Felsformationen hart sind. 4 zeigt ein Beispiel einer Rollkegelbohrspitze oder eines Drehkegelschneiders 10 (teilweise im Querschnitt gezeigt). Die Rollkegelbohrspitze 10 weist einen relativ stationären Körper 12 auf, der an der Bohrlinie durch ein Gewindeende 14 befestigt ist. Mehrere Schenkel 16 hängen vom Körper 12 herab. Jeder der Schenkel 16 trägt drehbar einen Rollkegel 18. An jedem Rollkegel 18 sind mehrere Einsätze 20 befestigt, die vorzugsweise Wolframcarbideinsätze der vorliegenden Erfindung sind. Mit Bezug auf 5 ist ein festes Schneidelement 22 gezeigt, das ein Beispiel einer Erdbohrspitze ist, die keine unabhängig rotierenden Komponenten aufweist. Das feste Schneidelement 22 weist einen Körper 24 auf, der ein Verbindungsende 26 zum Befestigen an einer Bohrlinie aufweist. Der Körper 24 trägt mehrere Schneidklingen 28, die wiederum mehrere Einsätze 30 tragen. Die Einsätze 30 umfassen vorzugsweise ein ultrahartes Material, z. B. PCD, PCBN oder TSP, das an einem Hartmetallsubstrat der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
In einigen anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das vermahlene Pulver der erfindungsgemäßen Hartmetall-Zusammensetzung zu Körnchen oder Pellets geformt. Selbstverständlich wird auf dem Fachgebiet der Begriff ”Körnchen” häufig verwendet, um auf Hartmetallpartikel mit spitzigen oder eckigen Körpermerkmalen Bezug zu nehmen, wohingegen der Begriff ”Pellet” häufig verwendet wird, um diejenigen mit abgerundeten Körpermerkmalen zu beschreiben. Der Einfachheit der Beschreibung halber soll der Begriff ”Pellet” nachstehend und in den beigefügten Ansprüchen so aufgefasst werden, dass er sowohl Körnchen als auch Pellets umfasst. Die Pellets können durch irgendein auf dem Fachgebiet bekanntes Verfahren ausgebildet werden. Das vermahlene Pulver, das ein Polymer- oder Wachsbindemittel enthält, kann beispielsweise durch ein Sieb gepresst werden, um rohe Keime zu bilden, die dann pfannenpelletisiert und gesiebt werden, um eine gewünschte Größenverteilung zu erhalten. Die rohen Pellets werden dann flüssigphasengesintert. Das Sintern agglomeriert gewöhnlich die Pellets und diese Agglomerate werden zerkleinert, um die Pellets auseinander zu brechen, die dann auf eine gewünschte Größenverteilung gesiebt werden. Alternativ können die Pellets durch Herstellen von gesinterten Gegenständen und dann Zerkleinern der gesinterten Gegenstände und Sieben der Zerkleinerungen auf eine gewünschte Größenverteilung hergestellt werden.
Obwohl irgendeine Zusammensetzung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Hartmetalls für die Pellets verwendet werden kann, weist das Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel der Pellets gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen Siliziumanteil im Bereich von etwa 1 bis etwa 15 Prozent auf. Es ist auch bevorzugt, dass die Menge des Pelletbindemittels, d. h. des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels in den Pellets, im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Prozent liegt.
Die Pellets der vorliegenden Erfindung können für irgendeine Anwendung, für die herkömmliche Hartmetallpellets verwendet werden, entweder in unzerkleinerter oder zerkleinerter Form verwendet werden. Die Pellets können beispielsweise als Komponente irgendeiner herkömmlichen Aufpanzerungszusammensetzung als vollständiger oder teilweiser Ersatz für herkömmliche Hartmetallpellets verwendet werden. Vorzugsweise liegt die Menge an Pelletbindemittel im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Prozent. Als weiteres Beispiel können die Pellets der vorliegenden Erfindung innerhalb eines Bogenaufpanzerungsstabes vorzugsweise zusammen mit einem Flussmittel und anderen Komponenten, wie z. B. Silizium-Mangan-Legierungspulver oder Niob enthaltendem Pulver und Phenolharz, angeordnet werden. Der äußere Abschnitt des Bogenaufpanzerungsstabes kann Stahl oder irgendein anderes geeignetes Material sein, das hilft, das Aufpanzerungsbindemittel für die erfindungsgemäßen Pellets auszubilden. Beispiele von solchen Bogenaufpanzerungsstäben, in denen herkömmliche Hartmetallpellets gegen die Pellets der vorliegenden Erfindung austauscht werden können, sind im US-Patent Nr. 5 250 355 beschrieben.
Die folgenden Beispiele werden zur Erläuterung von einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegeben, aber sollen nicht als Begrenzung der vorliegenden Erfindung aufgefasst werden.
Beispiele
Beispiele 1–4 und Vergleichsproben 1–2
Vier vermahlene Pulver gemäß der vorliegenden Erfindung wurden als Kugelmühlenchargen von 5 Kilogramm unter Verwendung der in Tabelle 1 für Beispiele 1–4 aufgelisteten Zusammensetzungen hergestellt. Bei der Herstellung jeder Kugelmühlencharge wurden die relevanten Mengen der folgenden Pulver abgewogen: (a) Wolframcarbidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 10 Mikrometer (wie durch das Fisher-Siebdurchgangsgrößen-Verfahren gemessen); (b) Kobaltpulver (99,5 Prozent Reinheit) mit einer mittleren Partikelgröße von 1,3 Mikrometer; und Siliziumpulver (99,5 Prozent Reinheit) mit einer d(90)-Partikelgröße von 6,5 Mikrometer. Die Pulver wurden in einem Kugelmühlen-Stahlgefäß zusammen mit 17 Kilogramm kapselförmigen Wolframcarbidmedien, 1,6 Liter Heptan und 100 Gramm Paraffin angeordnet. Jede Kugelmühlencharge wurde für 6 Stunden vermahlen und dann getrocknet. Das vermahlene Pulver wurde verwendet, um Prüfstücke für Biegebruch-, Bruchzähigkeits- und Verschleißteststäbe zu pressen. Die Presslinge wurden in einem Sinter-HIP-Ofen unter Vakuum angeordnet und erhitzt, um das Wachsbindemittel zu entfernen, und dann weiter auf die Flüssigphasen-Sintertemperatur von 1425°C unter einem Argondruck von 5,5 MegaPascal erhitzt und dann auf Raumtemperatur gekühlt.
Zwei vermahlene Vergleichspulver wurden unter Verwendung der für die Beispiele 1–4 verwendeten Bedingungen hergestellt und bewertet. Die Zusammensetzungen dieser vermahlenen Pulver sind in Tabelle 1 als Vergleichsproben 1 und 2 gegeben.

Eine Differential-Scanning-Kalorimetrie-Analyse (”DSC”-Analyse) wurde an den Proben des vermahlenen Pulvers von Beispielen 1–4 und Vergleichsproben 1 und 2 durchgeführt. Die Tests wurden unter Verwendung eines Netzsch-Kalorimeters durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 1 dargestellt. Die in Tabelle 1 angegebenen Schmelztemperaturen sind die Temperaturen, bei denen die DSC-Linie angab, dass das Schmelzen zum ersten Mal auftrat. Die Daten zeigen, dass das Silizium in den Hartmetallen der vorliegenden Erfindung die Schmelztemperatur im Vergleich zu den Vergleichsproben mit demselben Kobaltgehalt signifikant senkte. TABELLE 1

Proben-ID	Probenzusammensetzung (%)	Bindemittel-Siliziumgehalt (%)	Schmelztemperatur (°C)
Bsp. 1	WC – 6 Co – 0,5 Si	7,7	1294
Bsp. 2	WC – 6 Co – 2,0 Si	25,0	1244
Bsp. 3	WC – 16 Co – 0,5 Si	3,0	1357
Bsp. 4	WC – 16 Co – 2,0 Si	11,1	1180
Vpr. 1	WC – 6 Co	0	1375
Vpr. 2	WC – 16 Co	0	1383

Geeignete physikalische Testprüfstücke wurden aus gesinterten Presslingen der Beispiele 1–4 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 zum Messen der Härte, Biegebruchfestigkeit (”TRS”), Verschleißbeständigkeit, der Bruchzähigkeit, der relativen Dichte und Porosität hergestellt. Die Härte wurde auf der Rockwell A Härteskala gemäß dem ASTM Standard B294 gemessen (höhere Werte geben eine größere Härte an). Die Biegebruchfestigkeit wurde durch einen Dreipunkt-Biegetest unter Verwendung von rechteckigen Proben von 5,1 Millimeter (0,20 Zoll) mal 6,4 Millimeter (0,25 Zoll) mal 19,1 Millimeter (0,75 Zoll) gemäß dem ASTM Standard B406 gemessen (höhere Werte geben eine höhere Festigkeit an). Die Verschleißbeständigkeit wurde gemäß dem ASTM Standard B611 gemessen (höhere Werte geben eine bessere Verschleißbeständigkeit an). Die Bruchzähigkeit wurde unter Verwendung eines modifizierten ASTM E399 Tests gemessen (höhere Werte geben eine größere Zähigkeit an). Die Dickte wurde gemäß ASTM B311 gemessen. Die Porosität wurde gemäß ASTM B276 ausgewertet (niedrigere Zahlen neben den Buchstaben A und B geben eine dichtere Mikrostruktur an und neben dem Buchstaben C gibt es weniger freien Kohlenstoff an). Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 2 angegeben. TABELLE 2

Proben-ID	Bindemittel	Bindemittel-Si-Gehalt (%)	Härte (HRA)	TRS (MPa)	Verschleißbeständigkeit (B611 Nr.)	Bruchzähigkeit K_IC (MPa-m^0,5)	Dichte (g/cm³)	Porosität
Bsp. 1	6 Co – 0,5 Si	7,7	89,4	2055	10	14,3	14,78	A02B00 C00
Bsp. 2	6 Co – 2,0 Si	25,0	82,4	607	2	6,6	12,73	A08B08 C00
Bsp. 3	16 Co – 0,5 Si	3,0	84,5	2910	2	23,1	13,31	A02B00 C00
Bsp. 4	16 Co – 2,0 Si	11,1	85,4	nicht mess-b.	3	19,8	12,79	A02B00 C04
Vpr. 1	6 Co	0	89,0	2951	6	16,5	14,94	A02B00 C00
Vpr. 2	16 Co	0	86,1	3068	2	19,8	13,85	A02B00 C00

Gesinterte Proben von Beispielen 1–4 und Vergleichsproben 1 und 2 wurden durch Röntgenbeugung bei 45 Kiloelektronvolt und 40 Milliampere untersucht, um die vorhandenen kristallinen Phasen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 3 angegeben, die die anderen identifizierten Phasen als Wolframcarbid und Kobalt angibt. TABELLE 3

Proben-ID	Probenzusammensetzung (%)	Bindemittel-Si-Gehalt (%)	Andere durch Röntgenbeugung identifizierte Phasen als WC und Co
Bsp. 1	WC – 6 Co – 0,5 Si	7,7	Si₂W
Bsp. 2	WC – 6 Co – 2,0 Si	25,0	CoSi
Bsp. 3	WC – 16 Co – 0,5 Si	3,0	keine
Bsp. 4	WC – 16 Co – 2,0 Si	11,1	Si₂W

Beispiele 5–8

Proben wurden für die Beispiele 5–8 in derselben Weise, die für die Beispiele 1–4 verwendet wurde, hergestellt, außer dass das Wolframcarbidpulver eine mittlere Partikelgröße von 3,5 Mikrometer aufwies. Die Zusammensetzungen der Beispiele 5–8 sind in Tabelle 4 zusammen mit den für diese Proben gemessenen physikalischen Eigenschaften angegeben. TABELLE 4

Proben-ID	Zusammensetzung	Bindemittel-Si-Gehalt (%)	Härte (HRA)	TRS (MPa)	Verschleißbeständigkeit (B611 Nr.)	Bruchzähigkeit K_IC (MPa-m^0,5)	Dichte (g/cm³)
Bsp. 5	WC – 6 Co – 0,25 Si	4,0	90,9	2882	18	12,3	14,89
Bsp. 6	WC – 6 Co – 1 Si	14,3	91,1	1034	29	9,9	14,62
Bsp. 7	WC – 10 Co – 0,25 Si	2,4	89,3	2992	6	14,9	14,39
Bsp. 8	WC – 10 Co – 1 Si	9,1	90,0	1848	11	13,2	14,21

Beispiele 9–12

Proben wurden für die Beispiele 9–12 in derselben Weise, die für die Beispiele 1–4 verwendet wurde, hergestellt. Die Zusammensetzungen von Beispielen 9–12 sind in Tabelle 5 zusammen mit den für diese Proben gemessenen physikalischen Parametern angegeben. TABELLE 5

Proben-ID	Zusammensetzung	Bindemittel-Si-Gehalt (%)	Härte (HRA)	TRS (MPa)	Verschleißbeständigkeit (B611 Nr.)	Bruchzähigkeit K_IC (MPa-m^0,5)	Dichte (g/cm³)
Bsp. 9	WC – 6 Co – 0,25 Si	4,0	89,2	1538	6	16,2	14,90
Bsp. 10	WC – 6 Co – 1 Si	14,3	86,6	676	8	13,5	14,23
Bsp. 11	WC – 10 Co – 0,25 Si	2,4	87,3	2455	6	20,1	14,47
Bsp. 12	WC – 10 Co – 1 Si	9,1	88,2	2041	7	17,6	14,24

Beispiel 13

Eine Probe wurde für Beispiel 13 in derselben Weise, die für Beispiele 1–4 verwendet wurde, hergestellt, außer dass das Wolframcarbidpulver eine mittlere Partikelgröße von weniger als 1 Mikrometer aufwies. Die Zusammensetzung von Beispiel 13 ist in Tabelle 6 zusammen mit den für diese Probe gemessenen physikalischen Parametern angegeben. TABELLE 6

Proben-ID	Zusammensetzung	Bindemittel-Si-Gehalt (%)	Härte (HRA)	TRS (MPa)	Verschleiß beständigkeit (B611 Nr.)	Bruch- zähig- keit K_IC (MPa-m^0,5)	Dichte (g/cm³)
Bsp. 13	WC – 6 Co – 0,25 Si	7,7	93,0	4454	92	8,2	14,90

Beispiele 14–16

Proben wurden für Beispiele 14–16 in derselben Weise, die für Beispiele 1–4 verwendet wurde, hergestellt, außer dass die Flüssigphasen-Sintertemperatur verändert wurde. Die Zusammensetzungen der Beispiele 9–12 sind in Tabelle 7 zusammen mit den relevanten Flüssigphasen-Sintertemperaturen, die zum Sintern dieser Proben verwendet wurden, und den für diese Proben gemessenen physikalischen Parametern angegeben. TABELLE 7

Proben-ID	Zusammensetzung	Bindemittel-Si-Gehalt (%)	Sintertemp. (°C)	Härte (HRA)	TRS (MPa)	Ver-schleißbeständigkeit (B611 Nr.)	Bruch-zähigkeit K_IC (MPa-m^0,5)	Dichte (g/cm³)
Bsp. 14	WC – 6 Co – 0,5 Si	7,7	1350	89,6	1882	11	13,2	14,80
Bsp. 15	WC – 16 Co – 0,5 Si	3,0	1350	84,5	2888	2	22,0	13,34
Bsp. 16	WC – 16 Co – 2 Si	11,1	1225	86,1	1993	4	18,7	12,88

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckte das überraschende Ergebnis, dass die Verwendung eines Kobalt-Silizium-Bindemittels in Wolframcarbid/Kobalt-Hartmetall zu einer signifikant verbesserten Verschleißbeständigkeit führt. Mit Bezug auf 2 ist ein Diagramm der Verbesserung der Verschleißbeständigkeitswerte als Funktion des Bindemittel-Siliziumgehalts für die Proben gezeigt, die mit einem Anfangswolframcarbid mit einer Partikelgröße von 10 Mikrometer hergestellt wurden. In diesem Diagramm wurden die B611-Verschleißbeständigkeitswerte der Beispiele mit 6 Prozent Kobalt und 16 Prozent Kobalt auf jene der Vergleichsprobe mit demselben Kobaltgehalt normiert. Im Fall der Beispiele mit 10 Prozent Kobalt wurde ein Verschleißbeständigkeitswert geradlinig für diesen Kobaltanteil auf der Basis der Verschleißbeständigkeitswerte der Vergleichsproben interpoliert und dieser interpolierte B611-Wert (4,4) wurde verwendet, um die Verschleißbeständigkeitswerte dieser Beispiele zu normieren. Die durchgezogene Linie, die nach oben rechts ansteigt, zeigt die Funktion, die durch lineare Regressionsanalyse der Beziehung der Änderung der Verschleißbeständigkeit mit dem Bindemittel-Siliziumgehalt abgeleitet wurde. Der Korrelationskoeffizient für die Beziehung war 0,6915, der angibt, dass eine angemessene bis gute Beziehung zwischen der Verschleißbeständigkeitsverbesserung und dem erhöhten Bindemittel-Siliziumgehalt besteht.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckte auch das überraschende Ergebnis, dass die Beziehung zwischen der Bruchzähigkeit und der Verschleißbeständigkeit für das Hartmetall unter Verwendung eines Kobalt-Silizium-Bindemittels in Wolframcarbid/Kobalt-Hartmetallen eingestellt werden kann. Mit Bezug auf das Diagramm der Bruchzähigkeit (K_IC) als Funktion der Verschleißbeständigkeit (B611#), das in 3 gezeigt ist, stellen die Rauten die Beziehung zwischen der Bruchzähigkeit und der Verschleißbeständigkeit für kommerzielle Wolframcarbid/Kobalt-Hartmetalle dar und die Dreiecke dieselbe Beziehung für die vorstehend erörterten Beispielausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, scheint es im Allgemeinen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine höhere Verschleißbeständigkeit für dieselben Bruchzähigkeitsniveaus im Vergleich zu den kommerziellen Güteklassen aufweisen. In einigen Fällen weisen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung höhere Bruchzähigkeitsniveaus für dieselbe Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu den kommerziellen Hartmetallen auf.
Obwohl nur einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass viele Änderungen Modifikationen daran durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben. Alle Patentanmeldungen, Patente und alle anderen hier angeführten Veröffentlichungen werden in ihrer Gesamtheit hier im gesetzlich zulässigen vollständigen Umfang aufgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003-193172 [0005]
JP 2004-059946 [0005]
JP 2004-076049 [0005]
US 2008/0101977 A1 [0008]
US 7128773 [0009]
US 2009/0313908 A1 [0031, 0033]
US 5250355 [0039]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM Standard B294 [0044]
ASTM Standard B406 [0044]
ASTM Standard B611 [0044]
ASTM E399 [0044]
ASTM B311 [0044]
ASTM B276 [0044]

Claims

Hartmetall-Zusammensetzung aus einem Stoff, der im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel besteht, wobei der Siliziumgehalt des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent liegt und die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
Hartmetall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 3 bis etwa 30 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
Hartmetall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Wolframcarbidpartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 12 Mikrometer aufweisen.
Hartmetall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei der Siliziumgehalt im Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel im Bereich von etwa 2 bis etwa 13 Gewichtsprozent liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Hartmetall-Gegenstandes mit den folgenden Schritten: a) Vorsehen eines vermahlenen Pulvers, das im Wesentlichen aus Wolframcarbid, Kobalt und Silizium besteht, und einer Presshilfe, b) Pressen des vermahlenen Pulvers, um einen Pressling auszubilden; und c) Flüssigphasensintern des Presslings, um den Gegenstand auszubilden, wobei die Menge des Siliziums im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Prozent des kombinierten Gewichts des Siliziums und des Kobalts liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner den Schritt des Vermahlens von Wolframcarbidpulver mit Kobaltpulver und Siliziumpulver miteinander, um das vermahlene Pulver zu erzeugen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Gegenstand einer ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Metallschneidwerkzeugeinsatz, einem Straßenbauwerkzeugeinsatz, einem Öl- oder Gasbohreinsatz (20), einem Bergbauwerkzeugeinsatz, einem Substrat (6) für ein ultrahartes Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Menge des Siliziums im Bereich von etwa 2 bis etwa 13 Prozent des kombinierten Gewichts des Siliziums und des Kobalts liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner den Schritt des Vorsehens des Wolframcarbids als Pulver mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von etwa 0,6 bis etwa 40 Mikrometer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die kombinierte Menge des Kobalts und Siliziums im vermahlenen Pulver im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Gewichtsprozent des kombinierten Gewichts des Wolframs, des Kobalts und des Siliziums liegt.
Verschleißbeständiger Gegenstand mit Hartmetall, wobei das Hartmetall im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel besteht, wobei der Siliziumgehalt im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels liegt und die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
Verschleißbeständiger Gegenstand nach Anspruch 11, wobei die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 3 bis etwa 30 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
Verschleißbeständiger Gegenstand nach Anspruch 11, wobei die Wolframcarbidpartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 12 Mikrometer aufweisen.
Verschleißbeständiger Gegenstand nach Anspruch 11, wobei der Siliziumgehalt des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 2 bis etwa 13 Gewichtsprozent liegt.
Gesinterte Hartmetallpellets, die im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel bestehen, wobei der Siliziumgehalt des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 15 Gewichtsprozent liegt und die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 40 Gewichtsprozent der Zusammensetzung der Pellets liegt.
Gesinterte Hartmetallpellets nach Anspruch 15, wobei die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 3 bis etwa 30 Gewichtsprozent der Zusammensetzung der Pellets liegt.
Gesinterte Hartmetallpellets nach Anspruch 15, wobei die Wolframcarbidpartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 12 Mikrometer aufweisen.
Gesinterte Hartmetallpellets nach Anspruch 15, wobei der Siliziumgehalt im Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel im Bereich zwischen etwa 2 und etwa 13 Gewichtsprozent liegt.
Aufpanzerungsmaterial mit einem Aufpanzerungsbindemittel und gesinterten Hartmetallpellets, wobei die gesinterten Hartmetallpellets im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Pelletbindemittel bestehen, das im Wesentlichen aus einer Kobalt-Silizium-Legierung besteht, wobei der Siliziumgehalt des Pelletbindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent liegt und die Menge des Pelletbindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung der Pellets liegt.
Aufpanzerungsmaterial nach Anspruch 19, wobei das Aufpanzerungsbindemittel eine Stahllegierung ist.
Aufpanzerungsmaterial nach Anspruch 19, wobei das Aufpanzerungsbindemittel eine Kobalt-Silizium-Legierung ist und der Siliziumgehalt des Aufpanzerungsbindemittels im Bereich von etwa 2 bis etwa 13 Gewichtsprozent des Aufpanzerungsbindemittels liegt.
Aufpanzerungsmaterial nach Anspruch 21, wobei die Menge des Aufpanzerungsbindemittels im Bereich von etwa 31 bis etwa 35 Gewichtsprozent der Aufpanzerungsmaterial-Zusammensetzung liegt.
Aufpanzerungsmaterial nach Anspruch 19, wobei die Wolframcarbidpartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 12 Mikrometer aufweisen.
Aufpanzerungsstab mit gesinterten Hartmetallpellets, die im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel bestehen, wobei der Siliziumgehalt des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent liegt und die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
Aufpanzerungsstab nach Anspruch 24, der ferner mindestens eines umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Flussmittel, einer Silizium-Mangan-Legierung, einer Nioblegierung und einem Phenolharz besteht.
Aufpanzerungsstab nach Anspruch 24, wobei die Wolframcarbidpartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 12 Mikrometer aufweisen.
Aufpanzerungsstab nach Anspruch 24, wobei der Siliziumgehalt in dem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel im Bereich zwischen etwa 2 und etwa 13 Gewichtsprozent liegt.
Schneidelement (2) mit einem Schneidabschnitt (4) und einem Substratabschnitt (6), wobei der Schneidabschnitt (4) mindestens ein ultrahartes Material umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus PCD, PCBN und TSP besteht, und der Substratabschnitt (6) ein Hartmetall umfasst, das im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel besteht, wobei der Siliziumgehalt des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent liegt und die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 25 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Schneidelements (2) mit den folgenden Schritten: (a) Vorsehen eines Substrats (6) mit einer Oberfläche, wobei das Substrat ein Hartmetall umfasst, das im Wesentlichen aus Wolframcarbidpartikeln und einem Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittel besteht, wobei der Siliziumgehalt des Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 21 Gewichtsprozent liegt und die Menge des Kobalt-Silizium-Legierungs-Bindemittels im Bereich von etwa 1 bis etwa 25 Gewichtsprozent der Zusammensetzung liegt; (b) Aufbringen mindestens eines ultraharten Materials, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus PCD und CBN besteht, auf die Substratoberfläche; und (c) Aussetzen des Substrats einem ausreichenden Druck und einer ausreichenden Temperatur, um das Substrat und das ultraharte Material miteinander zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das ultraharte Material in Form von Partikeln vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das ultraharte Material in Form eines Gegenstandes vorliegt.