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Hochtitankarbidhaltige Hartmetall-Legierung und Verfahren zu ihrer
Herstellung Die Erfindung betrifft eine hochtitankarbidhaltige Hartmetall-Legierung,
insbesondere für die Zerspanung, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Die Entwicklung der Hartmetall-Legierung zeichnet sich dadurch aus,
daß bereits frühzeitig versucht wurde, die Eigenschaften der klassischen Wolframkarbid-Kobalt-Legierungen
durch einen Zusatz von Kabiden, insbesondere der Metalle der 4. und 5. Gruppe des
Periodischen Systems der Elemente zu verbessern. Zu besonders guten Ergebnissen
führte das Hinzulegieren von Titankarbid zu Wolframkarbid-Kobalt-Legierungen, da
dadurch die Warmfestigkeit und Oxydationsbeständigkeit verbessert wurden. Die verringerte
Klebneigung zum abfließenden Span und geringe Wärmeleitfähigkeit machte derartige
Legierungen zur zerspanenden Bearbeitung von Stahl und anderen langspanenden Werkstoffen
besonders geeignet. Bei den handelsüblichen Hartmetall-Legierungen, bei denen es
insbesondere auf Verschleißfestigkeit und Schneidhaltigkeit ankommt, hat indes im
allgemeinen der Gehalt an Titankarbid eine verhältnismäßig geringe Menge nicht überschritten,
so daß als Grundkomponente in den bekannten Hartmetall-Legierungen immer noch Wolframkarbid
zur Anwendung kommt. Es hat nun in der Vergangenheit, in dem Bestreben, ein billigeres
Hartmetall herzustellen, nicht an Vorschlägen und Versuchen gefehlt, an Stelle des
verhältnismäßig teuren und aus eigenen Rohstoffen nur in geringen Mengen herstellbaren
Wolframkarbids fast ausschließlich Titankarbid zu verwenden. Titankarbid hat gegenüber
Wolframkarbid den Vorzug, daß es aus leicht zugänglichen Rohstoffen hergestellt
werden kann und daß die Gewichtseinheit wesentlich billiger ist. Hinzu kommt; daß
auf Grund des geringeren spezifischen Gewichtes des Titankarbids mit geringeren
Gewichtsmengen der gleiche Bedarf an Hartmetall gedeckt werden kann, so daß auch
hierdurch noch eine Verbilligung zu verzeichnen ist. Auch die Härte des Titankarbids
ist der des Wolframkarbids überlegen, so daß bei gleichen Mengen an Hilfsmetall
eine größere Härte des titankarbidhaltigen Körpers gegenüber einem gleichartigen
wolframkarbidhaltigen Körper zu erzielen ist.
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Um die erwähnten Vorzüge des Titankarbids bei der Herstellung von
Hartmetall-Legierungen voll auszuwerten, wurde beispielsweise eine Legierung, bestehend
aus 5 bis 35% eines oder mehrerer Metalle der Eisengruppe, Rest Titankarbid, vorgeschlagen.
Weitere Vorschläge sehen einen Vorteil in einem Zusatz von Vanadinkarbid in den
Grenzen von 5 bis 35% zu Titankarbid-Hilfsmetall-Legierungen, wobei der über 511/o
liegende Vanadinka.rbidgehalt teilweise ersetzt werden kann durch Karbide der Elemente
der 4. und 6. Gruppe des Periodischen Systems. Nachteilig an diesen Legierungen
ist, daß sie schlechte Sintereigenschaften aufweisen, so daß zur eines porenarmen
Körpers fast immer die teure Drucksinterung angewandt werden muß. Die Sintertemperaturen
liegen teilweise bei etwa 1900° C. Ein weiterer Nachteil dieser Titankarbid-Hartlegierungen
besteht in der erhöhten Sprödigkeit gegenüber Wolframkarbid-Hartlegierungen, so
daß ihre Anwendung auf einige wenige Gebiete beschränkt blieb. Um diesem Mangel
abzuhelfen, wurde die Verwendung von im Schmelzfluß gewonnenem oder von niedrig
gekohltem Titankarbid mit nur 10 bis 14% Kohlenstoff vorgeschlagen. Nachteilig an
diesen Verfahren ist die Notwendigkeit der Anwendung anderer schwierigerer Herstellungsverfahren,
als sie bisher in der Fertigung von Hartmetallen üblich sind. Zur Herstellung eines
niedrig gekohlten Titankarbids bedarf es beispielsweise einer stufenweisen Hitzebehandlung,
außerdem erfordert die Weiterverarbeitung derartiger Karbide besondere Vorkehrungen,
um ein Aufkohlen des nicht gesättigten Karbids zu verhindern. Allen bisher bekannten
hochtitankarbidhaltigen Hartmetall-Legierungen ist gemeinsam nachteilig, daß ihre
Zerspanungseigenschaften nur etwa an die Eigenschaften der bekannten Hartmetall-Legierungen,
die als Grundkomponente Wolframkarbid verwenden, heranreichen. Als besonders störend
wird auch empfunden, daß die bekannten Legierungen schlechte Löteigenschaften aufweisen,
was seinen Grund darin hat, daß alle Metallkarbide,
deren Oxyde
nicht wasserstoffreduzierbar sind, an sich schlechte Löteigenschaften haben.
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Zum bekannten Stand der Technik gehören ferner Hartmetaif-Legierungen
auf der Basis von Titankarbid, welche allgemein mehr als 66'%, bevorzugt etwa 85%,
Titankarbid neben bis zu 20% Hilfsmetallen und daneben eine oder mehrere hochschmelzende
Komponenten enthalten, wobei letztere vorzugsweise Wolframkärbid, Molybdänkarbid
und/ oder Tantalkarbid sind und der Hilfsmetallanteil stellitartige Zusammensetzung
aufweist; d. h. aus Legierungen auf der Basis Co, Cr und W bestehen soll. Die erforderlichen
Sintertemperaturen können bis über 2000° C betragen.
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Es wurde gefunden, daß die Nachteile der bekannten Legierungen, besonders
hinsichtlich der erforderlichen hohen Sintertemperaturen bzw. der Notwendigkeit
der Verwendung von aus dem Schmelzfluß gewonnenem, hochgereinigtem Titankarbid beseitigt
werden können und eine Herstellung von Hartmetall-Legierungen auf der Basis von
Titankarbid in wirtschaftlicher Weise und im großtechnischen Maßstab ermöglicht
wird, wenn eine Legierung verwendet wird, welche aus 82 bis 90 "/o auf pulvermetallurgischem
Weg hergestelltem Titankarbid, 3 bis 5% Wolframkarbid, 2,5 bis 5% Vanadinkarbid,
Rest 5 bis 8% Bindemetall, bestehend aus 5 bis 40"/o Chrom, Rest Eisen, Nickel und/oder
Kobalt, zusammengesetzt ist. Es hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, das Chrom
in. Form einer Ferro-Chrom-Legierung in das Bindemetallpulver einzubringen.
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Die Herstellung der Hartmetall-Legierung nach der Erfindung ist folgende.
Es wird zunächst ein Mischkristall, bestehend aus Ti C; W C und V C hergestellt,
und zwar z. B. in den Mengen 91% Ti C, 5 % W C und 4'% V C. Die Bildung des Mischkristalles
erfolgt bei der Karburierung der Karbide aus den Oxyden mit Kohlenstoff bei Temperaturen
von 1900 bis 2200° C. Dabei hat sich ein geringer Zusatz eines Hilfsmetalls der
Eisengruppe wie beispielsweise Kobalt in Mengen von etwa 0,5'% als vorteilhaft erwiesen,
da dadurch die Karburierung erleichtert und die Sinterfreudigkeit der Legierung
erhöht wird. Ein derartig hergestelltes Mischkarbid wird in der aus der Hartmetalltechnik
bekannten Weise weiterverarbeitet. Vor dem Mahlen des Hartmetallansatzes erfolgt
die Zugabe der Bindemetallegierung. Diese besteht beispielsweise aus 500/ö Nickel
und 50% einer Ferrochromlegierung (30:70). Die weitere Verarbeitung durch Mahlen
und Pressen entspricht den üblichen Verfahren der Hartmetalltechnik. Wichtig ist
die Durchführung der Hochsinterung, welche bei einer Legierung nach der Erfindung
zweckmäßig im Vakuum oder in einem inerten Gas durchgeführt wird, um jegliche Veränderung
des Kohlenstoffgehaltes, wie sie bei Sinterung in Kohlerohröfen unvermeidbar ist,
zu verhindern.
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Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß die Sinterung einer
erfindungsgemäßen Legierung in Verbindung mit der Durchführung derselben im Vakuum
schon bei extrem niederen Temperaturen stattfinden kann, was keineswegs vorauszusehen
war. Während die bekannten hochtitankarbidhaltigen Hartmetall-Legierungen im allgemeinen,
um einigermaßen dicht zu sintern, Sintertemperaturen von 1700 bis 2000° C und mehr
verlangen, ist es bei Legierungen nach der Erfindung möglich, Sintertemperaturen
im Gebiet von 1300 bis 1500° C anzuwenden, wobei Sintertemperaturen an der unteren
Grenze und kürzere Sinterzeiten sich sogar vorteilhaft auf die vorgeschlagene Legierung
auswirken. Es lassen sich Sinterkörper erhalten, deren Porosität mit Sicherheit
unter 2% liegt und deren Festigkeit und Zähigkeit höher ist, als sie bisher bei
hochtitankarbidhaltigen Hartmetall-Legierungen erreicht werden konnten. Eine erfindungsgemäße
Legierung zeigt eine Wichte von etwa 5,7 bis 6,0 g/cm3, eine Härte RA von 92 bis
94 und eine Biegebruchfestigkeit von 60 bis 80 kg/mm2 und mehr. Dazu kommt, daß
Sinterkörper nach der Erfindung ausreichende Löteigenschaften aufweisen, so daß
ein Aufbringen derselben auf Stahlschäfte in der herkömmlichen Art möglich ist.
Es ist beispielsweise auch möglich, bei der Zerspanung von Stahl Schnittgeschwindigkeiten
anzuwenden, die bisher in der Zerspanungstechnik unmöglich schienen. Die verhältnismäßig
geringe Festigkeit der nach der Erfindung hergestellten Schneidplatten begrenzt
ihre Anwendung allerdings auf Schlichtarbeiten oder solche im Halbschruppschnitt.
Insbesondere ist es zweckmäßig, nicht zu hohe Vorschübe anzuwenden. Es ist aber
durchaus möglich. Vorschübe von 0,6 mm/U bei Spantiefen von beispielsweise 3 mm
zu wählen, wenn Stahl mit einer Festigkeit von 60 bis 90 kg/mm2 bearbeitet werden
soll. Die neue Legierung, die sich durch ein niedriges spezifisches Gewicht und
einen niedrigen Preis auszeichnet und bei deren Herstellung im wesentlichen auf
leicht zugängliche Rohstoffe zurückgegriffen wird; zeigt Schneidleistungen, welche
die einer besten Oxydschneidkeramik um ein Mehrfaches übertreffen. Es wurde z. B.
bei der Zerspanung von Stahl mit einer Festigkeit von 95 kg/mm2 eine Schnittgeschwindigkeit
von 280 m/min bei einer Standzeit von 1 Stunde ermittelt.
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Die Anwendung der neuen Legierung ist jedoch keineswegs auf die Zerspanung
langspanender Werk-Stoffe wie Stahl begrenzt. Es ist auch möglich, sie mit Erfolg
bei der Zerspanung kurzspanender metallischer Werkstoffe sowie von Kunst- und Isolierstoffen
einzusetzen, schließlich kann sie wegen ihrer hohen Härte und ihres hohen Verschleißwiderstandes
auch als verschleißfestes Material Anwendung finden. Es liegt auch im Sinne der
Erfindung, die vorgeschlagene Legierung überall dort anzuwenden, wo der Einsatz
besonderer oxydationsbeständiger Hartstofflegierungen notwendig ist.