-
Verfahren zum Regenerieren des Karbidmischkristalls von übersinterten
Hartmetallen aus Hartkarbid und Eisen, Kobalt, Nickel oder Gemischen von diesen
als Bindemetall Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regenerieren des
Karbidmischkristalls von übersinterten Hartmetallen aus Hartkarbid und Eisen, Kobalt,
Nickel oder Gemischen von diesen als nichtausscheidungshärtbares Bindemetall. Als
Hartkarbid kommt vor allem Wolframkarbid, und zwar in Form von WC und/oder W.C in
Frage. Bekanntlich werden aber auch andere Karbide wie Titankarbid, Tantalkarbid,
Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Molybdänkarbid, Niobkarbid u. dgl. für die Herstellung
solcher Hartmetalle herangezogen. Als Bindemittel dienen meist Metalle der Eisengruppe,
insbesondere Kobalt.
-
Je nach der beabsichtigten Verwendung des get> 4D sinterten Hartmetalls
ist dieses verschieden zusammencresetzt. Hartmetalle für Zerspanungszwecke haben
meist hohen Karbid- und niedrigen Bindemetallgehalt. In der Praxis haben sich bei
solchen Hartmetallen Karbidgehalte von 90 bis 95% und dementsprechend Bindemetallgehalte
von 5 bis 10
als günstig erwiesen.
-
Hartmetalle, die zur Warm- oder Kaltformgebung dienen, haben in der
Praxis meist einen wesentlich höheren Bindemetallgehalt und dementsprechend niedrigere
Karbidanteile. Für diese Zwecke, also etwa für das Schmieden, Ziehen, Stauchen u.
dgl., dienen Hartmetalle mit 10 bis 350/9 Bindemetall. In den weitaus meisten
Fällen wird - wie gesagt -
als Bindemetall Kobalt benutzt.
-
Nicht Gegenstand der Erfindung sind Hartmetalle, die eine durch Anlassen
ausscheidungshärtbare Bindemetallphase besitzen.
-
Wie bekannt, werden Hartmetalle der in Rede stehenden Art durch Mischen
der entsprechenden Mengen von Karbidpulver mit Bindemetallpulver, Formgeben der
Pulvermischung, Vorsintern, Fertigbearbeiten und Fertigsintem hergestellt. Hierbei
ist es erforderlich, daß die Sintertemperatur und die Sinterzeit möglichst genau
eingehalten werden. Ist dies aus irgendwelchen Gründen einmal nicht der Fall, so
weichen die mechanischen Eigenschaften des fertiggesinterten Hartmetalls von den
geforderten Normwerten ab, so daß die Charge unbrauchbar ist. Wurde bei der Herstellung
die Sintertemperatur bzw. Sinterzeit überschritten, so spricht man von übersinterten
Hartmetallen. Wurden die erforderlichen Temperaturen bzw. Zeiten nicht erreicht,
so wird von untersinterten Hartmetallen gesprochen. In beiden Fällen ergeben sich
unbrauchbare Produkte. Die untersinterten Hartmetalle können bekanntlich durch Nachsinteruno,
bei höheren Temperaturen wieder brauchbar gemacht werden, übersinterte Metalle dagegen
galten bisher als endgültiger Ausschuß. Das Übersintern von Hartmetallen kann auf
zwei verschiedenen Wegen geschehen. Entweder werden die Proben auf eine zu hohe
Temperatur erhitzt, oder aber sie bleiben bei richtig gewählter Sintertemperatur
zu lange Zeit im Ofen. In beiden Fällen tritt ein unerwünschtes Anwachsen der Karbidmischkristalle
ein unter Bildung schalenartig aufgebauter Körner. Die neue Erkenntnis, die der
Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, daß es durch entsprechend gesteuerte und
entsprechend lang ausgedehnte Wärmebehandlung möglich ist, diese schalenartig aufgebauten
Kristalle in der Bindemetallgrundmasse wieder aufzulösen und sie hernach in feinkristalliner
Form zur Ausscheidung zu bringen.
-
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, bei übersinterten
Hartmetallen durch eine Wärinebehandlung den Karbidmischkristall zu regenerieren,
so daß die Teile nicht verworfen werden müssen, sondern die mechanischen Eigenschaften
derselben in die geforderten Grenzen zurückgeführt werden können.
-
Nach einem bekannten Verfahren sollen gesinterte Hartmetallteile aus
der Sinterhitze von 1400 bis 17001 C sehr rasch, vorzugsweise in nicht mehr
als 4 Minuten, auf etwa 200' C abgeschreckt werden, um die schädliche Ausscheidung
von Graphit zu vermeiden. Dieses bekannte Verfahren führt theoretisch zu günstigen
Ergebnissen, weil durch die sehr rasche Abschreckung auch die im Bindemetall gelösten
Karbidkristalle keine Zeit zur Ausscheidung haben. Infolgedessen können sie nicht
zur Vergröberung der nicht aufgelösten Karbidkristalle beitragen.
Allerdings
ist die geforderte rasche Abschreckung aus der Sinterhitze in der Praxis nur unter
sehr großen Schwierigkeiten zu verwirklichen, weil die Sinteröfen mit Mitteln zur
entsprechenden Abschreckung der Teile ausgerüstet sein müßten, was in den wenigsten
Fällen gegeben ist. Außerdem ist eine so schnelle Abkühlung der Teile aus der Sinterhitze
bei der Kapazität heutiger Sinteröfen praktisch gar nicht durchführbar. Das erfindungsgemäße
Verfahren hingegen, das in einem mit Abschreckvorrichtung ausgerüsteten besonderen
Glühofen ausgeführt wird, läßt sich infolge der geringen Anzahl bei der Fertigung
übersinterter Teile aus Hartmetall leichter verwirklichen. Nur die Hartmetalltelle,
die sich bei der Kontrolle infolge übersinterung als unbrauchbar herausstellen,
werden der erfindungsgemäßen Nachbehandlung unterzogen.
-
Es ist auch bereits ein Verfahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit
von gesinterten Hartmetallspitzen bekannt, bei welchem die Spitzen auf eine Temperatur
von 1291 C erhitzt und bei dieser Temperatur so lange gehalten werden, bis
die Teile gleichmäßig durchwärmt sind (etwa 1 bis 10 Minuten), worauf
sie in öl abgeschreckt werden. Diese Nachbehandlung soll grundsätzlich an
sämtlichen gesinterten Erzeugnissen erfolgen, d. h. also in erster Linie
an den normal gesinterten Teilen, wodurch die Lebensdauer stark erhöht werden kann.
Es ist nichts darüber bekannt, und es war auch nicht zu erwarten, daß das bekannte
Verfahren für übersinterte Hartmetallteile geeignet sein soll.
-
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird vor-"e a schlagen, C das übersinterte
Hartmetall unter Schutz-,gas auf eine Temperatur wenig unterhalb der Sinter-2 temperatur,
vorzugsweise auf 14001 C, zu erwärmen, dort je nach Größe der zu behandelnden
Hartmetallteile 1/4 bis 5 Stunden, vorzugsweise 1/2 bis 1 Stunde,
zu halten und sodann schnell auf Raumtemperatur abzukühlen.
-
Als Schutzgas wird normalerweise Argon verwendet, selbstverständlich
kann aber -auch jedes andere inerte Gas eingesetzt werden.
-
Bei dieser Wärmebehandluno, diffundiert das im Hartmetall vorhandene
Karbid in gelöster Form in die Bindemetallphase hinein. Hierdurch tritt eine wesentliche
Verfeinerunc, des Hartkarbidkornes ein und gleichzeitig eine Erhöhung der Abriebfestigkeit
des Bindemetalls. Durch Variation der Haltezeit bei der angegebenen Behandlungstemperatur
ist es möglich, auch den »Effekt« des Verfahrens in weiten Grenzen zu variieren.
Praktische Versuche haben gezeigt, daß die günstigsten Haltezeiten 1/2 bis
1 Stunde betrag gen.
-
Nach Beendign- dieser Zeit werden die Hartmetallteile schnell auf
Raumtemperatur abgekühlt. Durch die schnelle Abkühlung wird erreicht, daß das gelöste
Karbid sich nicht wieder an Primärkristallen ausscheiden kann. Aus diesem Grund
ist es besonders vorteilhaft, die Teile abzuschrecken, wobei sich die Wahl des Abschreckmittels
natürlich nach der Größe und der Thermoschockempfindlichkeit der zu behandelnden
Hartmetallteile zu richten hat. Versuche haben gezeigt, daß ein Abschrecken in
öl fast immer den gewünschten Erfolg herbeiführt. Bei kleineren Teilen kann
aber auch in Wasser abgeschreckt werden. Um einen Anhaltspunkt für die Geschwindigkeit
der Abkühlung zu geben, sei erwähnt, daß sich Abkühlgeschwindigkeiten von wenigstens
400 bis 5001 C/Min. bewährt haben. Liegt die Abküh-
lungsgeschwindigkeit
an der unteren Grenze dieses Bereiches, also bei etwa 4001 C/Min., wie dies etwa
beim Abschrecken in öl der Fall ist, so scheidet sich das gelöste Karbid
teilweise wieder als feindisperse Phase aus. Diese feindisperse Phase führt zu einer
weiteren Erhöhung der Druckfestigkeit, aber auch der Verschleißfestigkeit. Wird
mit höherer Geschwindigkeit abgekühlt, so komm es nicht zur Ausscheidung
einer feindispersen Phase, sondern das gelöste Karbid bleibt praktisch vollständig
in Lösung. Durch eine anschließende Anlaßbehandlung kann jedoch erreicht werden,
daß sich auch in solchen Fällen die feindisperse Karbidphase ausscheidet. Es wird
empfohlen, diese Anlaßbehandlung bei Temperaturen von 500 bis 750' C
durchzuführen und hierbei Anlaßzeiten von 1/2 bis 3 Stunden anzuwenden. Durch
Abstimmung der Anlaßbedingungen kann in diesem Fall erreicht werden, daß sich das
im Binder gelöste Karbid nur teilweise ausscheidet, wodurch die Verschleißfestigkeit
auf ein Maximum gebracht werden kann, wobei zugleich aber auch die Druckfestigkeit
maximale Werte erhält.
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin gelegen,
daß infolge des gelösten Karbides Modifikationsumwandlungen des Bindemetalls unterdrückt
werden. Wie bekannt ist, wird als Bindemetall in den meisten Fällen Kobalt benutzt.
Dieses Metall zeigt bei Raumtemperatur nach langsamer Abkühlung von Temperaturen
oberhalb 6001 C ein hexagonales Raumgitter. Bei Erwärmung von hexagonalem
Kobalt findet zwischen 390 und 4701 C eine Modifikationsänderung statt,
wobei das Kobalt in das kubisch-flächenzentrierte ß-Kobalt übergeht. Beim Abkühlen
von Temperaturen oberhalb 4300 C verläuft die Umwandlung des kubischflächenzentrierten
Kobalt in das hexagonale Kobalt sprunghaft unter plötzlicher Volumenvergrößerung.
Bei der Erwärmung dagegen tritt die Modifikationsänderung nicht schlagartig ein,
sondern sie vollzieht sich allmählich, so daß bei Temperaturen zwischen
300 und 6001 C beide Raumgitter nebeneinander vorliegen.
-
Die genannten Temperaturen liegen gerade in dem Bereich, in dem kobaltreiche
Hartmetalle, die für Zwecke der spanlosen Formgebung dienen, beispielsweise beim
Gesenkschmieden und Warmformgeben überhaupt, an der Oberfläche erwärmt werden. Dies
bedeutet, daß beim Warmformgeben eine laufende Volumenänderung der Werkzeuge eintritt.
Diese Volumenänderung führt in der Praxis häufig zu Rissen. Es hat sich überraschenderweise
gezeigt, daß durch die erfindungsgemäß angegebene Wärmebehandlung die Tendenz des
Kobaltmetalls, die beschriebenen Modifikationsumwandlungen zu zeigen, stark absinkt.
-
Schließlich ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
noch darin gelegen, daß durch die Erhärtung des Bindemetalls, welche durch die aufgelösten
Karbide bewirkt wird, das sonst gefürchtete »plastische Fließen« des Werkstoffes
verhindert wird. Insbesondere bei solchen Werkzeugen, die während des Gebrauches
eine starke Oberflächenbelastung ertragen müssen
- etwa Werkzeuge der spanlosen
Formgebungstechnik -, wandern die harten, spröden Karbide in das sonst weiche Bindemetall
hinein, wodurch es zu Aufreißungen des Werkzeuges kommen kann.
Aus
dem oben Ausgeführten folgt, daß das Verfahren nach der Erfindung um so erfolgreicher
durchgeführt werden
kann, je größer die Löslichkeit des jeweiligen
Karbides in der Bindemetallphase ist. Bei Hartmetallen, bei denen als Karbid Wolframkarbid
und als Bindemetall Kobalt verwendet wird, werden die besten Ergebnisse erzielt,
da hier die Löslichkeit am größten ist. Aber auch bei den anderen praktisch üblichen
Karbiden und nicht härtbaren Bindemetallen, das sind Eisen, Kobalt, Nickel oder
Gemische von diesen, sind die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens gut. In
der folgenden Tabelle wird eine übersicht über die Löslichkeit verschiedener gebräuchlicher
Karbide in Kobalt, Nickel und Eisen gegeben. Die angegebenen Werte nennen die Gewichtsprozente
Karbid, die im jeweiligen Bindemetall bei
1250' C gelöst sind.
| Löslichkeit der Karbide (in Gewichtsprozent) |
| in Co, Ni und Fe bei 12500 C |
| 1 in Co 1 i, Ni 1 i. F, |
| WC ................. 22 12 7 |
| Tic ................. 1 5 0,5 |
| WC/TiC 1 : 1 ........ 2 5 0,5 |
| TaC ................ 3 5 0,5 |
| VC bzw. V4C., ....... 6 7 3,0 |
| Cr.C2 ............... 12 12 8,0 |
| MO2C ............... 13 8 5,0 |
| NbC ................ 5 3 1,0 |
Um das erfindungsgemäße Verfahren weiterzuverdeutlichen und um insbesondere die
erzielte Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Härte darzustellen, seien im
folgenden einige Beispiele angeführt: Beispiel
1
Es wurde von einem Pulveransatz
folgender Zusammensetzung ausgegangen:
| Wolframkarbid ............. 74% |
| Kobalt ..................... 26% |
Die Pulvermischung wurde nach der üblichen Vorbereitung durch Mahlen und intensives
Mischen zu Preßkörpern verarbeitet, welche bei
15001 C
13/4 Stunde aesintert
wurden. Nach dieser Behandlung zeigten die übersinterten Proben eine Biegebruchfestigkeit
von
256 kg/mm2 und eine relative magnetische Sättigung von
9,12. -
Nach Ausführung dieser Messungen wurden die Proben 30 Minuten
bei 1400' C nachbehandelt und anschließend in öl abgeschreckt. Sie
zeigten nach dieser Behandlung eine Biegebruchfestigkeit von nur 171 kg/mM2,
woraus man den Anstieg der Härte und damit den Abfall der Zähigkeit deutlich ersehen
kann. Die relative magnetische Sättigung betrug nach dem Abschrecken in
öl 8,37. Das Absinken der magnetischen Sättigung nach der Wärmebehandlung
zeigt deutlich die Auflösung der unmagnetischen Karbide im ferromagnetischen Kobaltmetall
und ist gleichzeitig eine Kontrolle für den Erfolg der Wärmebehandluno, Die angegebenen
Werte für die magnetische Sättigung stellen keine Absolutwerte dar, wie man sie
beispielsweise bei Messungen mit dem Magnetjoch erhält und die in Amperewindungen
pro Zentimeter Magnetlänge angegeben werden, sondern Relativwerte, im
die
mittels der magnetischen Waage gemessen werden. Eine derartige Messung ist bei der
Gütebeurteilung von Hartmetallen üblich, so daß auf ihre genauere Beschreibung hier
verzichtet werden kann.
-
Um das Ansteigen der Verschleißfestigkeit zu messen, wurden die Proben
in einer Abnutzprüfmaschine, Bauart Amsler, bei trockener Reibung untersucht. Bei
dieser bekanntenAbnutzprüfmaschine wird eine Probe des zu untersuchenden Hartmetallwerkstoffes
von 13 - 10 - 10 mm3 fest eingespannt und gegen eine rollenförmige Schnellstahlprobe
unter einem Druck von 50 kg gepreßt. Die Schnellstahlrolle hatte einen Durchmesser
von 40 mm, und sie wurde mit einer solchen Geschwindigkeit in Umlauf versetzt, daß
die Umfangsgeschwindigkeit 40 cm/Sek. betrug. Die Zusammensetzung der Schnellstahlprobe
war 1,25%C, 0,30% Si, 0,30% Mn, 4,20% Cr, 0,85% Mo, 3,75)/o V, 12,0-0/9 W. Die Probe
war in üblicher Weise auf 65 bis 67 Rc gehärtet. Gemessen wurde das
Volumen des an der Hartmetallprobe abgeriebenen Werkstoffes in Abhängigkeit von
der Laufzeit der Probe. Die Meßergebnisse sind in der Abbildung graphisch dargestellt.
-
In dieser Abbildung ist auf der X-Achse die Laufzeit t in Minuten
angegeben. Auf der Y-Achse ist das abgeriebene Volumen V in Kubikzentimeter der
Hartmetallprobe aufgetragen. Die gestrichelte Kurve zeigt den Abrieb der gesinterten
Probe, während die punktierte Kurve den wesentlich geringeren Abrieb der erfindungsgemäß
nachbehandelten Probe zeigt. Aus der graphischen Darstellung ist deutlich die Verbesserung
zu ersehen, die hinsichtlich der Verschleißfestigkeit des untersuchten Hartmetalls
durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt worden ist.
-
Beispiel 2 In diesem Fall wurde von einem Hartmetall mit
| Wolframkarbid ............. 93% |
| Titankarbid ................ 0,2% |
| Tantalkarbid ............... 0,3% |
| Vanadinkarbid .............. 0,11/o |
| Rest ....................... Kobalt |
ausgegangen. Auch aus dieser Pulvermischung wurden Proben gepreßt, die bei
15001C 13/4Stunde gesintert wurden. Die übersinterten Proben zeigten nach
Abkühlung auf Raumtemperatur eine Biegebruchfestigkeit von 163kg/mm2 und eine relative
magnetische Sättigung von
2,92. Der Abrieb in der Amsler-Abnutzprüfmaschine
betrug bei trockener Reibung nach
900 Minuten
0,007 cms.
-
Proben der gleichen Zusammensetzung wurden 30 Minuten bei 1400'
C nachbehandelt und anschließend in öl abgeschreckt. Sie zeigten nach
dieser Behandlung eine Biegebruchfestigkeit von nur 140 kg/mm2 und eine relative
magnetische Sättigung von 2,80. Das abgeriebene Volumen in der Amsler-Abnutzprüfmaschine
betrug bei trockener Reibung nach 900 Minuten 0,004 cm3. Auch bei diesem
bindemetallarmen Hartmetall läßt sich deutlich die erzielte Verbesserung der angegebenen
Eigenschaften beobachten.
-
Beispiel 3
Wie bereits ausgeführt, läßt sich die Menge der im
Bindemetall gelösten Karbide durch eine nachträgliche Anlaßbehandlung wieder erniedrigen.
Hierdurch ist es möglich, sowohl die Härte wie auch die Druck-und
Verschleißfestigkeit
auf beliebige Zwischenwerte einzustellen, die zwischen den Werten der behandelten
und unbehandelten Proben liegen.
-
Es wurde von dem im Beispiel
1 genannten Pulveransatz folaender
Zusammensetzung ausgegangen: C C
| Wolframkarbid ............. 74% |
| Kobalt ..................... 26% |
Die Pulvermischung wurde in derselben Weise zu gesintertem Hartmetall verarbeitet
wie dies im Beispiel
1 beschrieben worden ist. Die relative magnetische Sättigung
betrug in diesem Zustand 9,34.
-
Nach Ausführung dieser Messung wurden die Proben 30 Minuten
bei 1330' C geglüht und in öl ab-Creschreckt. Die relative magnetische
Sättigung betrug nun 8,84.
-
Anschließend wurden dieselben Proben '/2 Stunde bei 700' C
in Argonatmosphäre angelassen und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wiederum
die relative maanetische Sätti-Ung bestimmt. Sie betrug C
nun 9,00.
-
Beispiel 4 In der gleichen Weise wurde mit einem Pulveransatz folgender
Zusammensetzung verfahren:
| Wolframkarbid ............. 80% |
| Kobalt ..................... 20% |
Im übersinterten Zustand betrug die relative magnetische Sättigung
7,38.
Nach 1/2stündigem Glühen bei 13301
C und Abschrecken in
öl betrug
die relative magnetische Sättigung 6,94 und nach 1/2stündi-C gern Anlassen bei
700' C in Argonatmosphäre und Abkühlung auf Raumtemperatur
7,12. In
der gleichen Weise wie die Werte für die relative magnetische Sättigung haben sich
auch diejenigen für die Druck-und Verschleißfestigkeit geändert.
-
C