DE1258607B

DE1258607B - Verfahren zur schmelzmetallurgischen Herstellung von Hartstoffsuspensionslegierungen

Info

Publication number: DE1258607B
Application number: DE1961E0029380
Authority: DE
Inventors: Edgar Elsen; Dr-Ing Guido Elsen; Dipl-Ing Manfred Markworth
Original assignee: Edelstahlwerk Reckhammer G M B
Current assignee: Edelstahlwerk Reckhammer G M B
Priority date: 1961-05-31
Filing date: 1961-05-31
Publication date: 1968-01-11

Description

Verfahren zur schmelzmetallurgischen Die Erfindung bezweckt, Hartstoffsuspensionsle- Herstellung von Hartstoffsuspensionslegierungen gierungen schmelzmetallurgisch so herzustellen, daß unter Ausnutzung einer Mischkristallbildung der fest in eine Schmelze eingebrachten Hartstoffe und eines speziellen Ausscheidungsverhaltens sowie einer Übersättigung an Hartstoffen in der Schmelze besondere Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften, wie beispielsweise Schneidhaltigkeit und Rotgluthärte von Schneidlegierungen oder Warmfestigkeit, Zunder- und DauerstandsverhaltenvonHochtemperaturlegierungen, hergestellt werden können, die mit ihren spezifischen Kenngrößen fast an die der Sinterwerkstoffe heranreichen und dabei infolge des rein schmelzmetallurgischen Verfahrens einfacher und wirtschaftlicher erzeugt werden.
Das Auftreten von Karbiden im Gefüge spezieller metallurgischer Werkstoffe mit den Eigenschaften, wie große Härte, Verschleißwiderstand und gute Rotglutbeständigkeit, ermöglicht bekanntlich die Herstellung verschiedener leistungsfähiger Schneidlegierungen und auch einiger warm- und zunderfester Spezialwerkstoffe.
Die Bildung der Karbide kann dabei infolge der Gleichgewichtsbedingungen in einer abkühlenden, vorzugsweise geschmolzenen Legierung erfolgen, wobei durch entsprechend nachfolgende Anlaßbehandlungen die Ausscheidung von Karbiden begünstigt wird, oder die pulverförmigen Karbide werden im fertigen Zustand eingesetzt und mit oder ohne Bindemetalle zusammengesintert.
Eine Variante dieser Verfahren basiert auf vorheriger Sinterung und nachfolgender Tränkung. Es ist weiterhin bekannt, daß das Bindemetall der gesinterten Hartstoffe dieselben bei hohen Temperaturen lösen und bei sinkenden Temperaturen wieder ausscheiden kann.
Ferner ist bekannt, daß es gelingt, Hartstoffe (Karbide, Nitride, Silizide, Boride u. a.) in Schmelzen geeigneter Bindelegierungen oder Bindemetalle zu suspendieren und so bei der Erstarrung zu fixieren. Die Nachteile dieser durch ein isochrones Zusammenschmelzen von Hartstoff und Binder erstellten Schmelzhartmetalle (grobe, wenig gleichmäßige Karbide und die schlechte Beständigkeit der eingebrachten Hartstoffe gegenüber oxydierenden Atmosphären beim Schmelzvorgang) waren jedoch bisher so groß, daß sie keinerlei praktische Bedeutung gegenüber den auf dem Sinterwege hergestellten Hartmetallen erlangt haben.
Es ist auch bekannt, daß das Einverleiben von Hartstoffen in eine Metallschmelze durch den Zusatz von Metalloiden, wie Silizium, Alkali- oder Erdalkahmetallen, erleichtert wird; doch sollen diese Zusätze nur die Oberflächenspannungen zwischen den einzutragenden Stoffen und der Schmelze verringern.
Die oben aufgeführten Suspensionslegierungen haben für die Herstellung eines vollständigen Werkzeuges oder Konstruktionsteiles keine Verwendung gefunden. In abgewandelter Form dienen sie der Panzerung von vorzugsweise verschleißfesten Teilen; Praktiken, die etwa durch das Flammspritz- oder Aufschweißverfahren charakterisiert werden. Die versuchsweise Suspension von einphasigem, reinem Hartstoff (Karbid) ist zur Klärung technischer Unzulänglichkeiten bei der Herstellung von Magnetwerkstoffen durch E. H o u d r e m o n t versucht worden.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, in die Schmelze suspendierte pulverförmige Hartstoffe zu einem Teil in einer geeigneten Bindelegierung bei hohen Temperaturen zu lösen, so daß sie sich bei Abkühlung größtenteils in anderer Form und Konzentration wieder ausscheiden; ein anderer Teil der Karbide bleibt infolge Übersättigung als teilchenförmige vorliegende Phase erhalten und wird beim Abkühlen in dem Bindemetall oder der Bindelegierung gebunden. Fernerhin soll - ähnlich dem bekannten Menstrum-Verfahren -bereits in der Schmelze eine Hartstoff Mischkristallbildung ermöglicht werden. Jedoch besteht zu dem angeführten Verfahren insofern ein wesentlicher Unterschied, als die gebildeten Mischkristalle in der erstarrenden Schmelze und dem sich daraus ableitenden fertigen Werkstoff verbleiben und nicht als Zwischenprodukt auf Hartstoff-Mischkristalle wieder aufgearbeitet werden. Durch optimale Abstimmung verschiedenartiger Schmelzen zu den Hartstoffzusätzen gelingt es daher, recht unterschiedliche Eigenschaften dieser Hartmetalle zu züchten und sie weitgehend den Bedürfnissen der verschiedenen Verbraucher anzupassen. Die in die Schmelze zu suspendierenden Phasen werden gegebenenfalls unter Vakuum oder Schutzgas eingebracht; zur Homogenisierung des Verbundkörpers kann eine reversierbäie Schleudereinrichtung vorgesehen werden. Gegebenenfalls lassen sich durch die Zugabe von Stickstoff verschiedenartige Nitrid-Reaktionen durchführen.
Erfindungsgemäß wird in Schmelzen mit einer in Gewichtsprozent angegebenen Zusammensetzung von 10 bis 45 °% Kobalt, 0 bis 74°./a. Eisen, 3 bis 20 °/o Nickel, 4 bis 30 °/o Chrom; 5 bis 20°/o Wolfram,U 3 bis 6 % Molybdän, 0,5 bis 2,00/, Kohlenstoff, 0;1 bis 0,5% Mangan, 0,1 bis 0,5.°/o Silizium, 0,05 bis 0,3 % Bor, 0;0 bis 10-°/o Niob und/oder Tantal und 0,0 bis 5 % Uran ein Gemenge von 10 'bis 80 Volumprozent Wolframkarbid und 20 bis 90 Volumprozent Titankarbid so suspendiert, daß eine teilweise Lösung und Mischkristallbildung der Karbidteilchen. stattfindet und daß unter Einformen des restlichen Karbidanteils nach dem Erstarren der Binderschmelze dieses Gemenge 9 bis 70 Volumprozent des so entstehenden Verbundkörpers ausmacht.
Den verschiedenen- Verwendungszwecken der zu erzeugenden Hartstoff Suspensionslegierungen kann durch die Modifizierung der Hartstoffzusätze entsprochen werden.
So wird auch auf -den Zusatz von 5 bis 80 Volum= Prozent Wolframkarbid und 20 bis 95 Volumprozent Tantalkarbid oder von Gemischen mit 0 bis 20 Volum= Prozent Tantalkarbid (Niobkarbid), 5 bis 80 Volumprozent Wolframkarbid und 20 bis 95 Volumprozent Titankarbid zurückgegriffen.
Auch andere Hartstoffgemische, aus 10 bis 50 Volumprozent Molybdänkarbid und 50 bis 90 Volumprozent Titankarbid bestehend, lassen sich ebenso wie Hartstoffzusätze von 20 bis 60 Volumprozent Vanadiumkarbid, 40 bis 80 Volumprozent Titankarbid und 0,0 bis 20,0 Volumprozent Tantalkarbid verwenden. Geeignet erweisen sich ferner Zusätze von 20 bis 60 Volumprozent Vanadiumkarbid und 40 bis 80 Volumpiozent Titankarbid.
Zur Abänderung der HartstoffSuspensionslegierungen eignen sich auch folgende Matrix-Legierungen: a) Eisenbasislegierung 0,0 bis 5,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0,0 bis 4,5 Gewichtsprozent Chrom, 0,05 bis 1,2 Gewichtsprozent Silizium, 0,3 bis 1,2 Gewichtsprozent Mangan, 0,0 bis 1,0 Gewichtsprozent Kupfer, 0,05 bis 0,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, weniger als 0,06 Gewichtsprozent Schwefel, weniger als 0,006 Gewichtsprozent Phosphor, Rest Eisen.
b) Kobalt-Chrom-Basislegierung 35,0 bis 55,0 Gewichtsprozent Kobalt, 25;0- bis 33,0 Gewichtsprozent Chrom, 2,0 bis 25;0 Gewichtsprozent Wolfram, 1,0 bis 10,0 Gewichtsprozent Tantal-Niob, 1,0 bis 10,0 Gewichtsprozent Eisen, 2,0 bis 3,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,0 bis 0,3 Gewichtsprozent Bor. 'c) Eisenbasislegierung 13,0 bis 33,0 Gewichtsprozent Chrom, 3,0 bis 11,0 Gewichtsprozent Nickel, 0,0 bis 3,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0,01 bis 1,2 Gewichtsprozent Titan, 0,0 bis 1,0 Gewichtsprozent Tantal-Niob, weniger als 0,5 Gewichtsprozent Mangan, 0,0 bis 0,5 Gewichtsprozent Vanadium, 0;0 bis 0,3 Gewichtsprozent Stickstoff, 0,01 bis 0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,0 bis 0,007 Gewichtsprozent Bor, Rest Eisen.
Neuartig gegenüber bekannten Schmelzlegierungen ist 1. die Fähigkeit, in einer vorgegebenen Schmelze über pulverförmig eingebrachte Phasen Hartstoff -Mischkristalle zu erzeugen und bei Erstarrung in dem betreffenden Werkstoff gleichzeitig mit - einzuformen, 2. die Möglichkeit, im pulverförmigen Zustand eingebrachte Hartstoffe in einer Schmelze zu lösen und bei fällender Temperatur wieder in sehr feiner Form ausscheiden zu lassen und demgemäß ein bisher- bei Hartstoff Schmelzlegierungen unbekannt feines Hartstoff (beispielsweise Karbid)-Gefüge zu erhalten, 3. die Tatsache, daß bei Übersättigung mit Pulverförmigen Hartstoffphasen die Hartstoffe in der Schmelze neben den oben angegebenen Ausscheidungen ungelöst erhalten bleiben. Voraussetzung ist aber, daß der Schmelzpunkt des Binders erheblich unter dem Schmelzpunkt des Hartstoffes liegt, 4. die willkürliche Gestaltung der Hartstoffantefe in der Matrix, welche unabhängig von den Gleichgewichtsbedingungen des erstarrenden Bindemetalls ist. Es können also in diesem schmelzmetallurgisch erzeugten Hartmetall in einer gewissen Variationsbreite beliebig viel Karbide primärer und sekundärer Art eingeformt werden, 5. das Suspensionsverfahren insofern, als es gegenüber den bisherigen rein schmelzmetallurgisch erzeugten Hartstofflegierungen die Erhaltung wertvoller Eigenschaften schmelzempfindlicher Hartstoffe gestattet. So kann beispielsweise Wolframmonokarbid ohne weitgehende Zersetzung in der Schmelzlegierung erhalten und abgebunden werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur schmelzmetallurgischen Erzeugung von Hartstofflegierungen, d a d u r c h gekennzeichnet, -daß in Schmelzen folgender Zusammensetzung (Gewichtsprozent): 10 bis 45 °/o Kobalt, 0 bis 74"/(, Eisen, 3 bis 20 °/a Nickel, 4 bis 30 °/o Chrom, 5 bis 20 °/o Wolfram, 3 bis 611/, Molybdän, 0,5 bis 2°/o Kohlenstoff, 0;1 bis 0;5 °/o Mangan, 0,1 bis 0,5 °/o Silizium, 0,05 bis 2 °/o Aluminium, 0,005 bis 0,3 °/o Bor, 0,0 bis 10 °/p Niob und/oder Tantal, 0,0 bis 5 °/o Uran ein Gemenge aus 10 bis 80 Volumprozent pulverförmigem Wolframkarbid (WC) und 20 bis 90 Volumprozent pulverförmigem Titankarbid so suspendiert wird, daß eine teilweise Lösung und Mischkristallbildung der Karbidteilchen stattfindet und daß unter Einformen des restlichen Karbidanteiles nach dem Erstarren der Binderschmelze dieses Gemenge 9 bis 70 Volumprozent des so entstehenden Verbundkörpers ausmacht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemenge aus 5 bis 80 Volumprozent Wolframkarbid (WC) und 20 bis 95 Volumprozent Tantalkarbid (TaC) suspendiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzechnet. dadurch, daß ein Gemenge aus 5 bis 80 Volumprozent Wolframkarbid (WC), 20 bis 95 Volumprozent Titankarbid (TiC) und 0 bis 20 Volumprozent Tantalkarbid-Niobkarbid suspendiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 50 Volumprozent Molybdänkarbid (MozC) und 50 bis 90 Volumprozent Titankarbid (TiC) suspendiert werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß durch Einbringen von gasförmigem Stickstoff oder sonstigen Stickstoffträgern eine Bildung von`Nitriden erfolgt, die mit dem entsprechenden Hartstoff isotype Mischkristalle bilden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 20 bis 60 Volumprozent Vanadiumkarbid (VC) und 40 bis 80 Volumprozent Titankarbid (TiC) und 0,0 bis 20,0 Volumprozent Tantalkarbid (TaC) supendiert werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemenge aus 20 bis 60 Volumprozent Vanadiumkarbid (VC) und 40 bis 80 Volumprozent Titankarbid (TiC) der Schmelze zugesetzt wird. B.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydationsgefährdeten Hartstoffe unter Schutzgas oder Vakuum in die Schmelze eingebracht werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der suspendierten Hartstoffe durch reversierbares Schleudern verbessert wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst nur die Menge lösungsfähiger Hartstoffgemenge und nach der zeitlich abzuwartenden vollständigen Lösung weitere Hartstoffe suspendiert werden.
11. Verfahren zur schmelzmetallurgischen Erzeugung von Hartstofflegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß Hartstoffgemenge der Zusammensetzung nach den Ansprüchen 1 bis 7 in eine Eisenschmelze folgender Zusammensetzung (Gewichtsprozent) suspendiert werden: 0,05 bis 1,2 °/o Silizium, 0,3 bis 1,2°/o Mangan, 0,05 bis 0,6 °/o Kohlenstoff; 0,0 bis 5,0010 Molybdän, 0,0 bis 4,5 °/o Chrom, 0,0 bis 1,0 °/o Kupfer, weniger als 0,06 °/o Schwefel, weniger als 0,006 % Phosphor, Rest Eisen.
12. Verfahren zur schmelzmetallurgischen Erzeugung von Hartstofflegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß Hartstoffgemenge der Zusammensetzungen nach den Ansprüchen 1 bis 7 in eine Kobalt-Chrom-Schmelze folgender Zusammensetzung (Gewichtsprozent) suspendiert werden: 35,0 bis 55,0 % Kobalt, 25,0 bis 33,0"/, Chrom, 2,0 bis 25,0 °/o Wolfram, 1,0 bis 10,0 °/o Tantal-Niob, 1,0 bis 10,0 °/o Eisen, 2,0 bis 3,0 % Kohlenstoff, 0,0 bis 0,3 % Bor.
13. Verfahren zur schmelzmetallurgischen Erzeugung von Hartstofflegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß Hartstoffgemenge der Zusammensetzungen nach den Ansprüchen 1 bis 7 in eine Eisenschmelze folgender Zusammensetzung (Gewichtsprozent) suspendiert werden: 13,0 bis 33,00/, Chrom, 3,0 bis 11,0 "/,Nickel, 0,01 bis 1,2 °/o Titan, 0,01 bis 0,4"/, Kohlenstoff, 0,0 bis 3,00/, Molybdän, 0,0 bis 1,0 % Tantal-Niob, weniger als 0,5 °/o Mangan, 0,0 bis 0,5 °/o Vanadium, 0,0 bis 0,30/, Stickstoff, 0,0 bis 0,007 °/o Bor, Rest Eisen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 307 764, 513 273, 937 496; R. Kieffer und P. Schwarzkopf, »Hart-Stoffe und Hartmetalle«, Springer-Verlag, Wien 1953, S. 337 und Abb.107.