DE19922051A1

DE19922051A1 - Wolframkarbidkristall mit kubischer Kristallstruktur oder einer daraus abgeleiteten Struktur

Info

Publication number: DE19922051A1
Application number: DE19922051A
Authority: DE
Original assignee: OLAF SOMMER INST fur FESTKOER
Current assignee: SOMMER, OLAF, DR., 76227 KARLSRUHE, DE
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2000-11-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wolframkarbidkristall der chemischen Summenformel WC, wobei sich die Wolfram- und Kohlenstoffatome vorzugsweise statistisch auf die Atomlagen (0, 0, 0) und (1/2, 1/2, 1/2) eines Kristallgitters verteilen, also die Ursprungslage und die innenzentrierte Lage besetzen. Die Verteilung der W- und C-Atome auf diese Atomlagen kann unter bestimmten Herstellungsbedingungen einen Ordnungsgrad aufweisen, wodurch sich die Symmetrie des Kristallgitters gemäß von Untergruppensymmetriebeziehungen reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wolframkarbidkristall mit kubischer Kristallstruktur oder einer daraus abgeleiteten Struktur, der zumindest annähernd die chemische Summenformel WC aufweist und insbesondere zur Herstellung bzw. als wesentliches Zwischenprodukt zur Herstellung von Hartmetallwerkzeugen, hoch festen Legierungen, Hartstoffschichten und dergleichen verwendet wird, wobei die W- und C-Atome so angeordnet sind, daß sie auf den möglichen Atomlagen eines innenzentrierten Kristallgitters statistisch oder geordnet verteilt sind.

Die Anforderungen an Hartmetallwerkzeuge nehmen mit fortschreitender tech nischer Geräteentwicklung in der bearbeitenden Industrie und dem Einsatz in neuen Anwendungsbereichen weiter zu. Hartmetallwerkzeuge mit verbesserten und gezielt veränderbaren bzw. einstellbaren Eigenschaften, wie z. B. Verschleiß festigkeit und Härte, sind gefragt.

Bei den Hartmetallwerkzeugen handelt es sich um Verbundwerkstoffe, bei denen ein Hartstoff, der die hohe Härte des Werkzeugs bewirkt, mit einem relativ duktilen Metall, das die Zähigkeit bestimmt, verbunden ist. Der mengenmäßig überwiegen de Hartstoff liegt dabei in körniger Form vor, wobei das dazwischen liegende Metall die Matrix für den Verbund darstellt und auch als Bindemetall oder Binder bezeich net wird. In der Technik findet hauptsächlich WC als Hartstoff Anwendung. Als Bindemetalle werden häufig Kobalt oder Nickel verwendet.

Veränderungen der Materialeigenschaften für die Werkzeuge werden haupt sächlich dadurch vorgenommen, daß das Verhältnis zwischen Hartstoff und Bindemetall variiert wird, die Korngrößen der Hartstoffe verändert werden oder daß zum Bindemetall weitere Stoffe wie z. B. andere Karbide oder Metalle dazugegeben werden. Der derzeitige Stand der Technik ermöglicht es nicht, die Materialeigen schaften durch Veränderung der Hartstoffphase unter annähernder Beibehaltung ihrer chemischen Zusammensetzung zu beeinflussen.

Aus den bisher veröffentlichten Phasendiagrammen ist zu entnehmen, daß WC- Kristalle bis zu Temperaturen von ca. 2600°C stabil sind und sich im Bereich von 2700°C bis 2800°C zersetzen. Ein entsprechendes Phasendiagramm ist in Fig. 1 wiedergegeben. Die Herstellung von Hartmetallwerkzeugen erfolgt üblicher Weise bei Temperaturen, die deutlich unter 1600°C liegen.

Die kristallographischen Strukturdaten der bisher bekannten WC-Kristallstrukturen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Kristallographische Strukturdaten bisher veröffentlichter WC- Kristallstrukturen

Man erkennt, daß es sich jeweils um hexagonale Kristallstrukturen mit einem schichtartigen Aufbau der W- und der C-Atome handelt. In Fig. 2 ist die Kristallstruktur der bisher verwendeten Wolframkarbidkristalle dargestellt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wolframkarbide mit einer Kristallstruktur herzustellen, mit deren Hilfe die Eigenschaften von Hartmetallen optimiert werden können, insbesondere die Kombination von Verschleißfestigkeit und Zähigkeit verbessert werden kann.

Untersuchungen der Anmelder an Wolframkarbidkristallen ergeben, daß sich der atomare Aufbau der WC-Kristallstruktur in der festen Phase verändern läßt.

Die erfindungsgemäße Kristallstruktur ist dadurch gekennzeichnet, daß sich die W- und C-Atome mit gleicher Wahrscheinlichkeit auf die Ecken und die Raummitte eines innenzentrierten kubischen Kristallgitters, dies entspricht einem Würfel, verteilen. Die Atomlagen besitzen somit die Koordinaten (0, 0, 0) und (1/2, 1/2, 1/2). Aufgrund der statistischen Verteilung bleibt die kubische Symmetrie erhalten.

Fig. 3 zeigt den atomaren Aufbau der erfindungsgemäßen Kristallstruktur. Tabelle 2 enthält die zugehörigen kristallographischen Strukturdaten.

Tabelle 2

Kristallographische Strukturdaten der erfindungsgemäßen Kristallstruktur

Das Pulverdiffraktogramm der erfindungsgemäßen Wolframkarbidstruktur, wie man es mit Kupfer-K-alpha-Strahlen erhält, zeigt Fig. 4. Charakteristische Werte dieses Pulverdiffraktogramms sind in nachfolgender Tabelle 3 aufgelistet.

Tabelle 3

Charakteristische Werte des Pulverdiffraktogramms von der erfindungsgemäßen Wolframkarbidstruktur

Dabei ist 2 Theta der Winkel zwischen Primärstrahl und reflektiertem Strahl, d der Abstand der Netzebenen und I die Intensität der reflektierten Strahlen relativ zueinander.

Im Vergleich dazu ist in Fig. 5 das Pulverdiffraktogramm der hexagonalen Wolframkarbidstruktur dargestellt. Die entsprechenden charakteristischen Werte dieses Pulverdiffraktogramms sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4

Charakteristische Werte des Pulverdiffraktogramms der hexagonalen Wolframkarbidstruktur

Da physikalische und chemische Eigenschaften mit dem atmoren Aufbau in Verbindung stehen, können im Rahmen der Erfindung durch Veränderung der neuen Kristallstruktur die Materialeigenschaften von Wolframkarbidhartmetallen in der Weise gesteuert werden, daß durch geeignete Prozeßführung eine geordnete Verteilung der W- und C-Atome auf den Atomlagen des innenzentrierten Kristall gitters stattfindet. Dadurch ergeben sich Strukturen, die sich über gruppen theoretische Symmetriebeziehungen, sogenannte Untergruppenbeziehungen, aufgrund einer Symmetrieerniedrigung oder Symmetrieverdünnung aus der kubischen Kristallstruktur, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, ableiten lassen. Verzerrun gen des Kristallgitters können zusätzlich auftreten. Ein Strukturbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt.

Entsprechende Veränderungen der kristallographischen Struktur und damit der Materialeigenschaften erhält man auch durch minimale Zugabe, vorzugsweise weniger als 5%, von Fremdatomen, insbesondere Silizium, Kupfer, Mangan oder Chrom. Gemäß der Erfindung verteilen sich diese Atomsorten auf die in Fig. 3 angegedeuteten Tetraederlücken.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Kohlenstoffatome vereinzelt, vorzugs weise weniger als 10%, durch Fremdatome, insbesondere Stickstoff, Bor, Beryllium oder stattdessen auch Leerstellen zu ersetzen. Ebenso kann es auch zweckmäßig sein, die Wolframatome teilweise, vorzugsweise unter 10% durch Fremdatome, insbesondere Molybdän, Chrom, Titan, Tantal oder Niob oder durch Leerstellen zu ersetzen.

Wolframkarbid mit der erfindungsgemäßen Kristallstruktur kann unter geeigneten Herstellungsparametern bereits unterhalb von 1600°C hergestellt werden. Dies entspricht Randbedingungen, wie sie durchaus zur Herstellung von Hartmetallen derzeit vorliegen. Die Herstellung kann auch unter Einwirkung eines Überdrucks erfolgen. Als Ausgangssubstanz kann WC-Pulver mit hexagonaler Kristallstruktur verwendet werden. Eine abgestimmte Prozeßführung bezüglich Aufheizrate, Haltedauer und Abkühlgeschwindigkeit bewirkt, daß sich über Festkörper reaktionen die erfindungsgemäße Kristallstruktur bildet.

Claims

1. Wolframkarbidkristall, der zumindest annähernd die chemische Summenformel WC aufweist, insbesondere zur Herstellung von Hartmetallwerkzeugen, hochfeste Verbindungen, Hartstoffbeschichtungen und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die W- und C-Atome die Punktlagen eines kristallographisch innenzentrierten Gitters besetzen.

2. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die W- und C-Atome statistisch auf die Punktlagen (0,0,0) und (1/2, 1/2, 1/2) verteilt sind, wobei sich eine kubische Kristallsymmetrie ergibt und jedes Atom von acht nächsten Nachbaratomen im gleichen Abstand umgeben ist.

3. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine statistische Verteilung der W- und C-Atome auf die Eckplätze und die Raummitte eines innenzentrierten kristallographischen Gitters vorliegt, wobei sich vorzugsweise eine tetragonale oder orthorhombische oder rhomboedrische Kristallsymmetrie mit den kristallographischen Atomlagen (0,0,0) und (1/2, 1/2, 1/2) oder eine niedrigere Kristallsymmetrie ergibt, die sich über Untergruppen symmetriebeziehungen aus der kubischen Kristallstruktur nach Anspruch 2 ableiten läßt.

4. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine geordnete Verteilung der W- und C-Atome vorliegt, wobei der Ordnungsgrad zumindest 10% vorzugsweise 60% bis 100% beträgt.

5. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch eine geordnete Verteilung der W- und C-Atome eine Kristall symmetrie ergibt, die sich über Untergruppensymmetriebeziehungen aus der kubischen Kristallstruktur nach Anspruch 2 ableiten läßt.

6. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis etwa 10% der C-Atome ersetzt sind durch Fremdatome, insbesondere Stickstoff, Bor oder Beryllium, oder durch Leerstellen.

7. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis etwa 10% der W-Atome ersetzt sind durch Fremdatome, insbesondere Molybdän, Chrom, Titan, Tantal oder Niob oder durch Leerstellen.

8. Wolframkarbidkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bis etwa 5% Fremdatome beigefügt sind, insbesondere Silizium, Kupfer, Mangan und Chrom, die zwischen den W- und C-Atomen eingelagert sind.

9. Verfahren zur Herstellung von Wolframkarbid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wolframpulver mit Ruß oder Graphit auf Temperaturen zwischen 1500°C bis 2000°C erhitzt und anschließend geregelt abgekühlt wird, wobei vorzugsweise eine Haltezeit bei Temperaturen zwischen 600°C und 1600°C eingelegt wird.

10. Verfahren zur Herstellung von Wolframkarbid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß WC-Pulver mit hexagonaler Kristallstruktur über 600°C vorzugsweise über 1000°C erhitzt und geregelt abgekühlt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch einen Abschreckungsprozeß schnell erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion unter Einfluß einer gasförmigen Atmosphäre insbesondere kohlenstoff- oder stickstoffhaltigen Gasen abläuft.

13. Verwendung von Wolframkarbid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wolframkarbid nach Anspruch 1 als Zwischenprodukt zur Herstellung von Hartmetallwerkzeugen, hochfeste Verbindungen, Hartstoffbeschichtungen und dergleichen eingesetzt wird.

14. Verwendung von Wolframkarbid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wolframkarbid nach Anspruch 1 als Zwischenprodukt zur Herstellung von Wolframkarbid mit einer anderen Kristallstruktur als die Struktur nach Anspruch 1 oder von WC-Verbindungen mit anderen Elementen, insbesondere Metallen.