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Hartbelagmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung Die Erfindung
betrifft ein Hartbelagmaterial auf der Basis von Wolframcarbid, gegebenenfalls in
Mischung mit weiteren Hartmetallcarbiden, die in einer Matrix aus einer weicheren
Legierung gelagert sind. Solche Materialien finden Anwendung als Schneidelemente
an Bohrmeißeln u. dgl.
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Das Hartbelagmaterial gemäß der Erfindung besteht, wie an sich bekannt,
aus einer Vielzahl eng benachbarter festgerüttelter Hartmetallsplitter, in der Hauptsache
aus Wolframcarbid mit Teilchengrößen zwischen etwa 1,1 und 10,2 mm, die durch eine
zwischen die Splitter eingegossene, dieselben in schmelzflüssigem Zustand benetzende
Nickellegierung aneinandergebunden sind.
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Es ist bekannt, derartige Erzeugnisse durch Schmelzen der Matrix in
Gegenwart der Hartmetallcarbidsplitter in einem elektrischen Ofen herzustellen.
Die Matrix muß die Fähigkeit haben, die Carbidteilchen zu benetzen, wie dies von
Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen grundsätzlich bekannt ist, und einen Schmelzpunkt
haben, der unter der Temperatur liegt, bei der die Eigenschaften des Carbids nachteilig
beeinflußt werden. Solche Metalle halten die Beanspruchungen, denen Bohrmeißel und
ähnliche Schneidwerkzeuge normalerweise ausgesetzt sind, nicht aus und nutzen sich
rasch ab. Infolgedessen brechen die Carbidschneidelemente leicht aus. Die Lebensdauer
derartiger Bohrmeißel u. dgl. ist daher kurz.
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Zur Herstellung der Hartmetallcarbide selbst hat man bereits Carbidkörper
verwendet, deren Poren mit einer Tränklegierung ausgefüllt wurden zu dem Zweck,
das Herauslösen von Carbid aus der Matrix zu verhindern. Umgekehrt hat man auch
bei der Herstellung von Hartmetallcarbiden ein Tränkmetall verwendet, in welches
das Carbid während seiner Herstellung teilweise hineindiffundieren sollte. In beiden
Fällen handelte es sich um die Herstellung der Sintercarbide selbst, welche nur
einen Bestandteil des erfindungsgemäßen Hartbelagmaterials bilden.
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Derartiges Sinterwolframcarbid, welches durch Verdichten von feingemahlenem
Carbidpulver unter Wärme und Druck und anschließendes Tränken des porösen Sinterkörpers
mit einem geschmolzenen Metall hergestellt wird, ist äußerst hart und spröde und
hält gewöhnlich die starken Stoßkräfte, die auf Bohrmeißel für Erdölbohrer zur Einwirkung
kommen, nicht aus, sondern zersplittert, wenn es in Form einer Platte oder eines
Einsatzes an der Oberfläche des Bohrmeißels verwendet wird. Nach dem bisherigen
Stand der Technik kann man diese Schwierigkeit zwar nicht beseitigen, aber doch
etwas mildern, indem man als Hartbelagmaterial Bruchstücke aus Sintercarbid verwendet,
die durch ein Lötmetall an Ort und Stelle festgehalten werden. Derartige Bohrmeißel
nutzen sich aber rasch ab und haben nur eine recht geringe Lebensdauer.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Schneidelemente zu schaffen,
deren Abnutzung wesentlich geringer ist, so daß sie eine erheblich erhöhte Lebensdauer
besitzen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher
Schneidelemente.
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Das neue Hartbelagmaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix,
welche die Hartmetallsplitter enthält, eine Legierung mit einem Schmelzpunkt zwischen
843 und 1315'C, vorzugsweise eine Nickel-Kupfer-Zinn-Legierung, ist und gleichzeitig
Carbidkristalle enthält, die sich durch Ausscheiden aus einem in der Matrix gelösten
Carbid als disperse Phase beim Abkühlen gebildet haben.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hartbelagmaterials besteht
darin, daß Carbidpulver mit Korngrößen unter etwa 0,15 mm in der geschmolzenen Matrix
gelöst wird und die Hartmetallsplitter in eine feuerfeste Form eingebracht, festgerüttelt
und mit der das gelöste Carbid enthaltenden, eine Temperatur von etwa 955 bis 1370°C
aufweisenden Matrixschmelze
umgossen werden, worauf der Inhalt der
Form gekühlt wird.
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Man kann auch das Hartbelagmaterial gemäß der Erfindung dadurch herstellen,
daß in ein inniges Gemisch aus Hartmetallsplittern und Carbidpulver mit Korngrößen
unter etwa 0;15 mm in einer feuerfesten Form bei einer Temperatur zwischen etwa
955 und 1370°C die Matrixschmelze eingegossen und der Inhalt der Form so länge auf
einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der Matrix gehalten wird, bis das Carbidpulver
mindestens teilweise in der Matrix gelöst ist, worauf der Inhalt der Form abgekühlt
wird. Schließlich kann man auch in ein inniges Gemisch aus Hartmetallsplittern und
Carbid- und Nickelpulver mit Korngrößen unter etwa 0,09 mm in einer feuerfesten
Form bei einer Temperatur zwischen etwa 1093 und 1232°C eine Nickel-Kupfer-Zinn-Legierung
eingießen und den Inhalt der Form so lange auf einer Temperatur über dem Schmelzpunkt
der Legierung halten, bis das Carbidpulver mindestens teilweise in der Legierung
gelöst ist, worauf der Inhalt der Form gekühlt wird.
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Bei den Verfahren gemäß der Erfindung werden die Metallcarbidkristalle
in der Matrix als disperse Phase ausgeschieden. Die ausgeschiedenen Kristalle unterbrechen
die Gleitebenen in der Matrix, was zu einer Erhöhung der Festigkeit derselben führt.
Als Folge hiervon werden die Hartmetallcarbidschneidelemente besser gelagert und
haben eine geringere Neigung, aus der Matrix auszubrechen.
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. Feinverteiltes Carbidpulver, das in inniger Mischung mit den Hartmetallsplittern
mit der Matrixschmelze bei einer hohen Temperatur erst in der feuerfesten Form in
Kontakt kommt, wird, selbst wenn es nicht vollständig aufgelöst und nachfolgend
in kristalliner Form ausgeschieden wird, in seinem Gefüge verändert. Dies führt
im allgemeinen zu einer härteren und festeren Matrix, als sie durch Auflösen des
Pulvers in der Matrix vor dem Eingießen derselben zwischen die Hartmetallsplitter
erhalten werden kann.
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In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine Ansicht im senkrechten Schnitt
durch eine Form, die zum Umgießen von Hartmetallsplittern mit einer Matrixschmelze
zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartbelagmaterials verwendet wird, F i g. 2 eine
Ansicht im Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1 und F i g. 3 eine Wiedergabe einer
Mikrophotographie, welche das Matrixgefüge des erfindungsgemäßen Hartbelagmaterials
zeigt.
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Das Umgießen der Splitter mit der Matrixschmelze wird in einer feuerfesten
Form durchgeführt. Die in F i g. 1 dargestellte Form weist einen unteren Teil
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auf, der mit einem Gewinde 12 zur Befestigung eines Deckels 13 versehen
ist. Der untere Teil enthält eine Ausnehmung, in welche die Hartmetallsplitter und
der Werkzeugkopf eingelegt werden können. Die Form soll das Werkzeug mit den aufzupanzemden
Flächen nach oben aufnehmen. Daneben muß ausreichend Raum für die Hartmetallsplitter
gelassen werden. Im allgemeinen wird eine große Ausnehmung im unteren Teil der Form
vorgesehen, in die Füllstücke 14 aus feuerfestem Material eingesetzt werden (vgl.
F i g. 2). Zwischen die Füllstücke und die Wand der Form können Streifen 15 aus
Ton, Sand od. dgl. eingesetzt werden, um eine Wärmeausdehnung zu ermöglichen. Der
obere Teil der Form enthält eine Vertiefung 16 und Bohrungen 17. Die Formteile können
aus Graphit oder einem anderen feuerfesten keramischen Material hergestellt sein.
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Die Form wird gründlich gereinigt, um Wasser, Fett und andere Fremdstoffe
zu entfernen. Sie kann mit »Fiberfrax<c (eine keramische Faser) oder einem ähnlichen
Asbestmaterial ausgekleidet werden. Dies verhindert eine Aufkohlung des Werkzeugstahls.
Der Teil 18 wird dann in die Form gelegt, worauf die Hartmetallsplitter 19
zugesetzt werden.
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Die Splitter können Wolframcarbidteilchen oder Teilchen eines gemischten
Carbids sein, die geringe Mengen Titancarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid und andere
Metalle zusätzlich zum Wolframcarbid einschließen. Die Sintercarbide enthalten normalerweise
zwischen etwa 111/,) und etwa 250/, Kobalt oder eine eine geringe Menge Eisen
oder Nickel enthaltende Kobaltlegierung. Sintercarbide, insbesondere gesintertes
Wolframcarbid, die zwischen etwa 3 bis etwa 15 Gewichtsprozent Kobalt enthalten,
sind zu bevorzugen, da sie im allgemeinen weniger spröde als gegossene Carbide sind.
Die Größe der verwendeten Splitter liegt normalerweise im Bereich zwischen etwa
1,15 mm und etwa 10,16 mm. Für Drehbohrblattmeißel und ähnliche Werkzeuge werden
im allgemeinen Teilchen zwischen etwa 1,27 mm und etwa 6,35 mm verwendet. Normalerweise
werden spitzige Splitter verwendet, jedoch können auch Teilchen von regelmäßiger
Form, z. B. von Würfelform, benutzt werden.
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Die Hartmetallsplitter werden so eng wie möglich gepackt, damit eine
größtmögliche Zahl von Schneidkanten an den Werkzeugoberflächen vorhanden ist. Das
nachfolgende Eingießen der Matrixschmelze in die Zwischenräume der Teilchen bindet
diese in ihrer Lage. Diamanten können in ähnlicher Weise angeordnet werden, um die
Schneidwirkung zu erhöhen oder die stellenweise Abnutzung des Werkzeuges zu verringern.
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Das in den Formhohlraum mit den Hartmetallsplittern eingefüllte pulverförmige
Carbid kann mit der Art der Splitter identisch, aber auch härter oder spröder sein.
Wolframcarbid und gemischte Carbide, welche Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid,
Niobcarbid und andere Metalle enthalten, sind geeignet. Zwecks rascher Auflösung
in der Matrixschmelze soll ein feines Pulver verwendet werden, das vorzugsweise
durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,088 mm hindurchgeht. Etwa 5
bis etwa 35 Gewichtsprozent pulverförmiges Nickel wird vorzugsweise mit dem pulverförmigen
Carbid verwendet, um die Benetzung des Carbids durch die Matrixschmelze zu verbessern.
Eine geringe Menge pulverförmiges Wolfram kann ebenfalls einverleibt werden, um
die Festigkeit und Härte noch weiter zu erhöhen. Das Pulver soll gereinigt werden,
um Feuchtigkeit, Schmutz und Fett zu entfernen. Die Form wird normalerweise kalt
gepreßt oder gerüttelt. Dann wird der Formdeckel auf den unteren Teil 11 aufgeschraubt
und festgezogen. Die Form kann in eine Presse gebracht werden, um das Festziehen
des Deckels in seine Endlage zu unterstützen.
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Wenn Splitter mit einer Größe von etwa 3,18 mm verwendet werden, bilden
diese im allgemeinen etwa 50 °/Q des Gesamtvolumens des Hartbelagmaterials. Bei
größeren Teilchen kann der durch die Schneidelemente eingenommene Teil des Gesamtvolumens
etwas kleiner sein.
Nach dem Zusammenbau der Form werden Teilchen
der Matrixlegierung 20 in die Ausnehmung 16
im Formdeckel gebracht.
Die Legierung soll die Splitter im geschmolzenen Zustand benetzen und einen Schmelzpunkt
haben, der zwischen etwa 840 und etwa 1315'C liegt. Geeignete Legierungen
sind beispielsweise Kupfer-Nickel-Legierungen, Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen, Kupfer-Nickel-Eisen-Legierungen,
Kupfer-Kobalt-Zinn-Legierungen, Kupfer-Nickel-Eisen-Zinn-Legierungen, Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen
u. dgl. Solche Legierungen können geringere Mengen anderer Elemente, wie Zink, Mangan,
Silicium, Silber, Beryllium, Wismut, Bor, Cadmium, Chrom und Phosphor, enthalten.
Geeignet ist besonders S-Monel-Metall. Die Verwendung von Kupfer-Nickel-Zinn-Legierungen
wird bevorzugt. Eine geringe Menge Borax oder eines anderen Flußmittels wird zweckmäßig
im Formdeckel zugesetzt, um die Öxydbildung zu regeln.
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Die zusammengebaute Form wird in einen Ofen gebracht, der auf eine
zum Schmelzen der Matrix ausreichende Temperatur erhitzt worden ist. Die Ofentemperatur
liegt im Bereich zwischen etwa 955 und etwa 1370°C. Die Temperatur soll diejenige
nicht wesentlich übersteigen, welche für eine rasche Infiltration der Matrixschmelze
zwischen die Carbidteilchen und in das Pulver erforderlich ist. Kupfer-Nickel-Legierungen
infiltrieren leicht bei Temperaturen zwischen etwa 1090 und etwa 1230°C. Die Matrixlegierung
in der Ausnehmung 16 im Formdeckel 13 schmilzt und fließt durch die Bohrungen 17
nach unten, wobei sie in die Zwischenräume zwischen den Splittern und der Oberfläche
des Werkzeuges eindringt. Nach etwa 4 bis etwa 30 Minuten läßt man die Form abkühlen.
Dabei scheiden sich feine Kristalle des vorher gelösten Metallcarbidpulvers in ihr
aus. Das Werkzeug kann dann den herkömmlichen Wärmebehandlungsverfahren unterzogen
werden, um die Wärmespannungen aufzuheben, und weiter bearbeitet werden, um Oberflächenunregelmäßigkeiten
zu entfernen. Das fertige Werkzeug hat eine harte Oberfläche aus Hartmetallsplittern,
welche in einen weicheren Matrix gelagert sind, daß eine disperse Phase von feinen
Hartmetallkristallen enthält. Der Zusatz des Carbidpulvers zum Grundmetall hat eine
gewisse Erhöhung seines Schmelzpunktes zur Folge. Wenn der Schmelzpunkt der Legierung
dadurch höher liegt als etwa 1315'C, kann diese mit Kupfer, Zinn od. dgl.
legiert werden, bis der gewünschte Schmelzpunkt erreicht ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Herstellung von Auflagen
oder Einlagen angewendet werden, welche nachträglich, z. B. durch Löten, mit einem
Werkzeug oder einer ähnlichen Vorrichtung verbunden werden. Solche Auflagen oder
Einlagen können auch auf kleinen Stahlplatten durch Infiltrieren hergestellt und
später an einem Werkzeug oder einer anderen Vorrichtung durch Aufschweißen aufgebracht
werden.
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Die überlegenen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials gehen
aus den Ergebnissen der folgenden Versuche hervor. Für die erste Versuchsreihe wurden
Wolframcarbidsplitter in einer Matrix aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung gelagert.
Die gesinterten Wolframcarbidsplitter enthielten 90 °/o Wolframcarbid und 10,0°/o
Kobalt. Die Härte dieser Bruchstücke lag zwischen 88,8 und 89,0 nach der Rockwell-Skala
A. Die Teilchen wurden gesiebt, um Bruchstücke zu entfernen, die kleiner als etwa
3 mm und größer als etwa 5 mm sind. Die Splitter wurden dann mit Alkohol gewaschen,
um Fett und andere Fremdkörper zu entfernen, und in einem Luftstrahl getrocknet
und anschließend in reine trockene Graphitformen gebracht, welche zylindrische Hohlräume
mit einem Durchmesser von 12,7 mm und einer Länge: von 25,4 mm enthielten. In manchen
Fällen wurden pulverförmiges Wolframcarbid und pulverförmiges Nickel gemischt und
in die Form mit den Splittern zugegeben. In die Formen wurde dann eine Matrixschmelze
eingebracht, die aus etwa 35 % Kupfer, etwa 55 % Nickel und etwa 10
°/o Zinn bestand und auf 1232°C erhitzt war. Frühestens nach 15 Minuten wurden die
Formen aus dem Ofen herausgenommen und abgekühlt.
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Die in der beschriebenen Weise hergestellten Proben wurden unter einem
Mikroskop untersucht. Es wurde festgestellt, daß die Matrix derjenigen Proben, welche
mit Carbidpulver hergestellt wurden, feine Kristalle von ausgeschiedenem Wolframcarbid
enthielt. Fig. 3 ist eine Wiedergabe einer Mikrophotographie einer mit Carbidpulver
hergestellten Matrix in 500facher Vergrößerung. Die Kristalle in der Matrix sind
in der Mikrophotographie deutlich sichtbar und erscheinen in den meisten Fällen
als lnggestreckte kantige Körper.
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Die Ansammlung kleinerer Kristalle im unteren rechten Viertel der
Mikrophotographie ist alles, was von einem Korn des Carbidpulvers bleibt, das durch
die Matrixschmelze verändert wurde. Diese ausgeschiedenen Kristalle unterbrechen
die Gleitebenen der Matrix und sind in hohem Maße für die verbesserten Eigenschaften
der Matrix im erfindungsgemäßen Hartbelagmaterial verantwortlich.
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Nach der mikroskopischen Untersuchung des Matrixgefüges wurden die
mechanischen Eigenschaften der Proben bestimmt. Für die Messung der Druckfestigkeiten
wurden die Proben zuerst geschliffen, so daß ihre Enden flach und parallel waren,
worauf sie auf Standard-Baldwin- und Olson-Prüfmaschinen geprüft wurden. Es gab
ein geringes Gleiten in den Proben vor dem Bruch. Die Bruchwinkel betrugen in den
meisten Fällen etwa 5° bis etwa 25° von der Lastachse. Es wurde festgestellt, daß
die Druckfestigkeiten der Proben, welche ausgeschiedene Kristalle enthielten, etwa
zweimal so hoch waren wie diejenigen der ohne pulverförmiges Carbid hergestellten
Proben.
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Die Scherfestigkeit der Proben wurde dadurch gemessen, daß diese in
Adapter gebracht wurden, welche die Kraftausübung in entgegengesetzten Richtungen
auf jeder Seite einer zur Probenachse senkrechten Ebene ermöglichten. Die Scherbrüche
waren im Aussehen körnig und erstreckten sich parallel zur Lastachse. Sintercarbidsplitter
in den Proben scherten in der Ebene der Matrixbrüche. Es traten gewöhnlich zwei
Brüche auf, die ein scheibenartiges Bruchstück an der Mitte des Prüfstückes ergaben.
Der zweite dieser Brüche war offensichtlich durch einen Spannungsbruch bedingt,
der durch ein geringes Biegen der Probe verursacht wurde, nachdem Scherkräfte den
ersten Bruch eingeleitet hatten. Die Scherfestigkeit der Proben, welche ausgeschiedene
Kristalle enthielten, waren wesentlich höher als diejenigen der ohne pulverförmiges
Carbid hergestellten Proben.
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Schlagversuche wurden an den zylindrischen, 12,7 - 25,4 mm messenden
und in einem besonders konstruierten Halter eingebrachten Proben mit einem besonderen
Schlaghammer einer Standard-
Charpy-Schlagprüfmaschine vorgenommen.
Die nach der Erlndung hergestellten Proben hatten wesentlich höhere Schlagfestigkeiten
als Vergleichsproben.
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Die Mittelwerte von mindestens zwei Prüfungen sind in der Tabelle
1 zusammengefaßt. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Werten, auf denen die
Mittelwerte beruhen, waren klein. Tabelle 1 Die Wirkung von pulverförmigem Carbid
auf Festigkeitswerte einer Matrix aus Ni-Cu-Sn-Legierung
| Zug- Scher- Relative |
| Probe) Pulverförmiges' Festigkeit festigkeit Schlag- |
| Carbid Festigkeit |
| kg/mm2 kg/M.2 kp/m |
| A Ohne ........ 76,99 46,61 1,80 |
| B 83 °/ö max. 0,09 |
| mmo Wolfram- |
| carbid -E- 17 °/a |
| max.0,09mm 0 |
| Nickelpulver .. 149,01 54,27 3,32 |
| C 0,589 bis 0,417 |
| mm max. ü |
| Wolframcarbid 92,64 31,64 3,73 |
| *) Alle Proben wurden durch Umgießen von gesinterten |
| Wolframcarbidsplittem (3 bis 5 nun max. 0) mit einer Legie- |
| rung hergestellt, die aus etwa 35 °/o Kupfer, etwa 55 °/o Nickel |
| und etwa 100/0 Zinn bestand und auf 1232°C erhitzt war; |
| in allen Fällen wurde 15 Minuten nach dem Eingießen der |
| Matrixliegieiung abgekühlt. |
Die Werte der Tabelle 1 zeigen, daß die Probe B, welche in der erfindungsgemäßen
Weise hergestellt wurde, viel höhere Festigkeiten hat als die anderen Proben. Druckfestigkeit,
Scherfestigkeit und Schlagfestigkeit waren infolge des Vorhandenseins der Carbidkristalle
und des veränderten Carbidpulvers aller höher. Diese verbesserten Eigenschaften
machen das erfindungsgemäße Material widerstandsfähiger gegen Verschleiß und Abrieb
als die bisher erhältlichen Materialien.
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Die Wichtigkeit der Verwendung von sehr feingemahlenem Hartmetallcarbid
ist ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Die Probe C, bei der verhältnismäßig grobes
Carbid entsprechend einem maximalen Durchmesser von 0,59 bis 0,42 mm verwendet wurde,
war nur geringfügig besser als die Probe A, die ohne pulverförmiges Carbid hergestellt
wurde. Von dem groben Carbid löste sich nur wenig in der Matrixschmelze unter den
angewendeten Bedingungen, während das in der Probe B verwendete feinere Pulver sich
in wesentlichen Mengen auflöste und nachfolgend in kristalliner Form ausgeschieden
wurde. Die Verwendung von pulverförmigem Carbid mit maximalem Korndurchmesser von
0,15 mm ist daher für die Herstellung des erfindungsgemäßen Materials wichtig.
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Es wurden weitere Versuche durchgeführt, um die Wirkung von Veränderungen
in der Zusammensetzung der Matrix auf die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Hartbelagmaterials
festzustellen. Die Proben wurden aus Wolframcarbidsplittern mit einem Gemisch aus
83°,,`o Wolframcarbidpulver und 17 °/o Nickelpulver (beide mit 0,09 mm max. 0) und
zwei verschiedenen Matrixlegierungen hergestellt. Die erste dieser Legierungen war
die vorangehend beschriebene Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung. Die zweite bestand aus
670/" Nickel, 3011/0 Kupfer, 1,40/, Eisen, 10/, Mangan und Spuren anderer Metalle.
Beide Legierungen schmolzen bei Temperaturen zwischen etwa 843,5 und etwa 1316°C.
Die erste wurde bei 1232°C, die zweite wegen ihres höheren Schmelzpunktes bei 1288°C
eingegossen. Proben mit einer Matrix aus nur einer der beiden Legierungen wurden
ebenfalls hergestellt. Die Proben wurden auf Druckfestigkeit, Scherfestigkeit und
Schlagfestigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 wiedergegeben.
Tabelle 2 Festigkeitswerte bei Verwendung verschiedener Matrixlegierungen
| Druck- Scher- Schlag- |
| Probenzusammensetzung Festigkeit festigkeit festigkeit |
| kp/MM2*) kp/MM2*) kp/m*) |
| 1. Matrix ohne Carbid- |
| pulver: |
| 35 °/o Cu, 55 °/o Ni, |
| 10 °/a Sn Legierung.. 112,50 37,26 8,42 |
| 2. Matrix wie 1, Splitter |
| 900/' WC, 100/" Co; |
| Pulver: |
| 83 % WC, 17 0/a Ni . . 149,01 54,27 3,32 |
| 3. Matrix ohne Carbid- |
| pulver |
| 67 °/o Ni, 30 °/o Cu, |
| 1,4 °/a Fe, 10/, Mn, |
| Spurenelemente .... 106,94 46,68 6,35 |
| 4. Matrix wie 3, |
| Splitter wie 2, |
| Pulver wie 2 ...... 172,61 65,88 5,52 |
| *) Jeder Wert stellt einen Mittelwert von mindestens zwei |
| Versuchen dar. |
Aus der Tabelle 2 ergibt sich, daß die durch die Erfindung erzielten verbesserten
Eigenschaften nicht auf eine Matrix aus einer Nickel-Kupfer-Zinn-Legierung beschränkt
sind (vgl. 1 in Tabelle 2). Die Druckfestigkeits- und Scherfestigkeitswerte der
Proben aus Wolframcarbidsplittern und gemischten Wolframcarbid-Nickel-Pulvern waren
höher als diejenigen der Proben mit einer Matrix ohne Carbidpulver. Obwohl die Hartmetallsplitter
geringfügig zu höheren Festigkeitswerten beigetragen haben können, sind die verbesserten
Eigenschaften in erster Linie dem Zusatz von Carbidpulver zuzuschreiben. Seine positive
Wirkung auf die Schlagfestigkeit wurde bei manchen Proben durch die relativ spröden
Splitter (vgl. Tabelle 2) aufgehoben.
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Es wurden weitere Versuche durchgeführt, um die Wichtigkeit der Auflösung
und des erneuten Ausscheidens des Carbidpulvers zu demonstrieren. Zusammensetzung
der Komponenten und Versuchsdurchführung entsprachen den in Tabelle 1 (Probe B)
genannten Werten, ausgenommen die Zeitintervalle zwischen dem Eingießen der Matrixschmelze
und der Abkühlung der Proben (»Ofenzeit«), die von 5 Minuten bis 1 Stunde verändert
wurden. Die Proben wurden auf Druckfestigkeit geprüft, wie vor Tabelle 1 beschrieben.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
| Tabelle 3 |
| Wirkung der »Ofenzeit« auf die Druckfestigkeit |
| einer Ni-Cu-Sn-Matrix mit Carbidpulverzusatz |
| »Ofenzeit« Druckfestigkeit |
| Min. kg/D=2 |
| 5 ........... 132,46 |
| 10 ........... 156,44 |
| 15 ........... 148,01 |
| 30 ........... 159,62 |
| 60 ........... 160,31 |
Die Werte in Tabelle 3 zeigen, daß die Druckfestigkeit der Matrix mit zunehmender
»Ofenzeit« ansteigt. Je länger die Matrixschmelze mit dem Carbidpulver in Kontakt
bleibt, desto mehr Carbid wird aufgelöst und nachfolgend beim Abkühlen in kristalliner
Form ausgeschieden. Da die Carbidlöslichkeit jedoch auch von der Pulvergröße und
der Schmelzentemperatur abhängt, ist eine verlängerte »Ofenzeit« nicht wesentlich;
dies trifft besonders zu, wenn das Carbidpulver vor dem Eingießen der Matrixschmelze
in dieser aufgelöst worden ist.
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Die überlegenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Materialien gehen
ferner aus den Ergebnissen von Bohrversuchen mit zwei Ülfeld-Drehbohrblattmeißeln
gleicher Konstruktion, aber verschiedener Zusammensetzung erhalten wurden. Die Meißelblätter
des ersten waren aus einer Nickel-Kupfer-Matrix mit Wolframcarbidsplittern von einer
Größe zwischen etwa 3,2 und 9,5 mm ohne Wolframcarbidpulverzusatz bzw. ausgeschiedene
Wolframcarbidkristalle hergestellt. Die Meißelblätter des zweiten Meißels waren
aus einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gefertigt. Die Versuche wurden beim Bohren in einer Sandsteinformation mit einer
herkömmlichen Rotary-Bohranlage durchgeführt. Es wurde ein Meißelgewicht von 6804
kg und eine Drehgeschwindigkeit von 60 Umdrehungen pro Minute angewendet. Es wurde
festgestellt, daß die Matrix der Meißelblätter des ersten Meißels rasch unter den
hohen Beanspruchungen herausbrach. Messungen zeigten, daß die Meißelblätter sich
bei jeweils 30,5 m Bohrstrecke um etwa 5,8 mm abnutzten. Bei dem zweiten, erfindungsgemäßen
Meißel trat kein Bruch der Matrix auf. Der Meißelblattverschleiß war weniger als
ein Zwölftel desjenigen beim ersten Meißel. Hieraus sind die Vorteile des Vorhandenseins
von Carbidkristallen als disperse Phase in der Matrix ersichtlich.