DE2018032B2

DE2018032B2 - Verfahren zur Herstellung von Karbidhartmetall auf der Basis von WC, TiC und/oder TaC

Info

Publication number: DE2018032B2
Application number: DE2018032A
Authority: DE
Inventors: Thomas Eugene Warren Hale; William Anthony Huntington Woods Reich
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-04-16
Filing date: 1970-04-15
Publication date: 1978-07-20
Also published as: GB1310381A; DE2018032C3; FR2045357A5; DE2018032A1; US3551991A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Karbidhartmetall auf der Basis von WC, TiC und/oder TaC.

Karbidhartmetalle zeichnen sich bekanntlich durch eine Kombination von Härte, Festigkeit und Widerstand gegen Abrieb aus und werden dementsprechend für industrielle Anwendungen, wie Schneidwerkzeuge, Ziehdüsen und Verschleißteile eingesetzt Sie werden durch pulvermetallurgische Techniken (vgl. F. Eise nkolb, »Fortschritte der Pulvermetallurgie«, BandII, Seiten 495, 496 und 513-516 [1963]) darunter die Flüssigphasensinterung eines oder mehrerer hochschmelzender Karbidmetalle der IV., V. und VI. Gruppe des Periodensystems der Elemente mit einem oder mehreren Metallen der Eisengruppe als Bindemetall hergestellt.

Das Bindemetall ist zumeist eine Legierung von Metallen der Eisengruppe, da diese mehrere kritische Eigenschaften aufweisen, die für den Sinterprozeß und das metallurgische Gefüge, von der die Eigenschaften der Karbidhartmetalle abhängen, von Bedeutung sind.

Um die gewünschte Flüssigphasensinterung zu erreichen, muß das Bindemetall die Fähigkeit haben, mit dem Karbid ein ausreichend niedrig schmelzendes Eutektikum zu bilden. Es muß ebenfalls die Fähigkeit haben, im flüssigen Zustand eine hinreichend große Menge des Karbids zu lösen, und es muß ferner das Karbid so benetzen, daß in vernünftiger Zeit eine vollständige Verdichtung erreicht wird. Zusätzlich darf das Bindemetall nahezu keine irreversible Bindung mit dem Karbid eingehen. Schließlich soll das Bindemetall sowohl bei Raum- als auch bei höheren Temperaturen zu der hohen Festigkeil der zementierten Karbidlegierung beitragen. Als Ergebnis dieser komplexen Anforderungen wird nui eine geringe Anzahl von Bindemetallen kommerziell eingesetzt Kobalt ist das bei weitem am meisten benutzte Bindemetall für Wolframkarbid und Nickel das am meisten benutzte Bindemetall für Titankarbide.

Die genannten Kombinationen aus Karbiden und Bindemetallen ergeben die normalerweise von Karbidhartmetallen gewünschten Eigenschaften. Sie haben jedoch bestimmte Begrenzungen. Einer der wichtigsten Nachteile von Kobalt als Bindemetall für Karbidhartmetalle auf der Basis von Wolframkarbid ist seine relativ geringe Korrosionsfestigkeit, besonders gegenüber Säuren. Ein weiterer Nachteil von Karbidhartmetallen auf der Basis von Wolframkarbid, in denen Kobalt als Binder dient, ist die relativ geringe Widerstandsfestigkeit gegen Deformation bei erhöhten Temperaturen.

Viele andere Bindemetalle sind zum Ersetzen von Kobalt in Karbidhartmetallen auf der Basis von Wolframkarbid vorgeschlagen worden. Aus den obengenannten Gründen sind jedoch auch diese anderen Bindemetalle nicht allgemein anwendbar. In manchen Fällen können solche anderen Bindemetalle jedoch eingesetzt werden, dann aber nur in Vol.-% von mehr als 15 oder 20. So ist in der US-PS 3215 510 die Verwendung von Nickel-Chrom-Legierungen als Ersatz für Kobalt in Karbidhartmetallen auf der Basis von Wolframkarbidlegierungen vorgeschlagen. Hierdurch wird die Korrosionsfestigkeit verbessert, ohne daß gleichzeitig Festigkeit und Härte verschlechter) werden. Hinreichende Verdichtung und andere Eigenschaften in dem fertigen Karbidhartmetall werden jedoch nur erhalten, wenn der Bindergehalt größer als ungefähr 15 Vol.-% (10Gew.-%) ist.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem man trotz eines Bindemetall-Anteils von weniger als 20Vol.-% ein vollständig dichtes feinkörniges homogenes Gefüge sowie bisher nicht odei nur mit großen Schwierigkeiten erreichte Eigenschafts kombinationen erhält. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus einem Sinterkörpei mit weniger als 20 Vol.-% Bindemetall zumindest eir Teil des Bindemetalls durch chemisches Auslauger unter Verbleiben des Karbidskeletts entfernt und das ausgelaugte Bindemetall durch Infiltration eines zweiten andersartigen Bindemetalls in das Karbidskeleti ersetzt wird.

Als Vorstufe zum erfindungsgemäßen Verfahrer stellt man zunächst ein Karbidhartmetall aus WC TiC und/oder TaC mit weniger als 20Vol.-% eines Eisengruppenmetalls als Bindemetall durch an sich bekannte pulvermetallurgische Techniken her. Hierbe wird durch Flüssigphasensinterung ein vollständig dichtes Karbidhartmetall mit annehmbaren Eigen schäften erhalten.

Durch erfindungsgemäßes chemisches Auslauger z. B. mit einer Säure, wird dann zumindest ein Tei des Kobalts oder anderen benutzten Eisengruppen Bindemetalls aus dem Karbidhartmetall entfernt unc so ein Karbidskeltt erhalten. Um den Auslaugprozet zu beschleunigen, ist es zweckmäßig, die Säure zi erhitzen, vorteilhaft bis zum Siedepunkt. Besonder! nützliche Säuren sind Salzsäure und Schwefelsäure

bevorzugt in verdünnter, konstant siedender Konzentration. Der Auslaugprozeß dauert in Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen des Produktes mehrere Tage oder Wochen, bis das Bindemetall entfernt ist. Eine geringere Zeit ist erforderlich, wenn nur die Oberfläche des Formstückes auszulaugen ist. Wenn der Auslaugprozeß das gewünschte Ausmaß erreicht hat, werden die überschüssige Säure und das Wasser durch Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre entfernt Gelegentlich ist das Karbidskelett beim Auslaugen bis zu einem bestimmten Betrag oxydiert worden, was einen Verlust von Kohlenstoff im Karbidskelett zur Folge hat Wenn der KohlenstofFverlust stört, kann der Kohlenstoffgehalt durch Erhitzen des Karbidskeltts in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre oder durch Zusetzen von Kohlenstoff zum infiltrierenden Austausch-Bindemetall ergänzt werden.

In dieses Karbidskelett wird dann erfindungsgemäß ein sich vom ursprünglich eingesetzten Bindemetall unterscheidendes Bindemetall, das die Eigenschaften der gewünschten Endzusammensetzung vermittelt, infiltriert.

Die Infiltration wird in einer reduzierenden oder etwas karburisierenden Atmosphäre durchgeführt und richtet sich nach der zu behandelnden Zusammensetzung und der Karbidskelettstruktur. Das zu infiltrierende Austausch-Bindemetall wird in Pulverform oder als Festkörper oder als Folie mit dem Karbidskelett in Kontakt gebracht und bis etwas oberhalb des Schmelzpunktes des Bindemetalls erhitzt. Hierbei infiltriert das Austausch-Bindemetall durch Kapillarkräfte.

Auf diese Weise werden die Eigenschaften von Kobalt oder Nickel als Bindemetall benutzt, um ein Karbidhartmetall der gewünschten Dichte, strukturellen Gleichmäßigkeit und Homogenität herzustellen, wonach der ursprüngliche Binder zumindest teilweise entfernt und ersetzt wird durch das ausgewählte Bindemetall, das die erwünschten Eigenschaften des endgültigen Karbidhartnietalls aufweist. Anders ausgedrückt wird der Kobalt- oder Nickelbinder wegen seiner günstigen Eigenschaften als Verfahrenshilfe verwendet.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Produkte sind vollständig dicht, mehr als 99% und gewöhnlich mehr als 99,5 Vol.-% der theoretischen Dichte, haben eine Härte von mehr als 85 und gewöhnlich mehr als 90 Rockwell A. Weiterhin sind sie zäh und durch ein feinkörniges homogenes metallurgisches Gefüge gekennzeichnet.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es möglich, Karbidhartmetalle herzustellen, die Austausch-Bindemetalle enthalten, die selbst nicht den strengen metallurgischen Anforderungen für die Flüssigphasensinterung entsprechen. Die einzigen metallurgischen Anforderungen, denen das Bindemetall für dieses Verfahren entsprechen muß, sind erstens die Fähigkeit, das Karbidskelett so weit zu benetzen, daß das Skelett infiltriert wird und daß es zweitens keine störenden irreversiblen Umsetzungen mit dem Karbid eingeht. Es gibt viele Metalle und Legierungen, die diesen geringen Anforderungen entsprechen, die jedoch nicht die zusätzlichen Eigenschaften aufweisen, die für das Flüssigphasensintern erforderlich sind. So ist es durch dieses Verfahren möglich, Karbidhartmetalle auf der Basis von WC, TiC, oder WC-TiC-TaC herzustellen, die feine (1 bis 3 μπι große) gleichmäßig dispergierte Karbidkörner bis zu einer Konzentration von mehr als 80Vol,-% in einem Bindemetall aus Kupfer, Silber oder Cold oder Nickel-Chrom-, Nickel-Aluminium-, Kobalt-Aluminium-, Kupfer-Silizium-Legierungen, ferner Legierungen von Nickel oder Kobalt mit hochschmelzenden Metallen, wie Niob, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram enthalten.

Die Erfindung macht auch die Herstellung vollständig dichter ICarbidhartmetalle auf der Basis von

ι ο Wolframkarbid mit hoher Korrosionsfestigkeit möglich, die weniger als 15Vol.-% einer Nickel-Chrom-Legierung als Bindemetall enthalten. Mit einem Bindemetallgehalt von weniger als 15 Vol.-% war dies bisher nicht möglich.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es auch möglich, Karbidhartmetalle herzustellen, die Nickel-Aluminium-Legierung mit 1 bis 10Gew.-% Aluminium als Bindemetall enthalten. Derartige Binder haben bekanntlich hohe Temperaturfestigkeit und verbessern daher den Formänderungswiderstand der Karbidhartmetalle bei hohen Temperaturen.

Bisher waren diese Binder nicht üblich, da sie nicht geeignet sind, befriedigende Ergebnisse beim Flüssigphasensintern zu liefern und nicht die erforderliche Verdichtung und das feinkörnige, homogene GIefüge ergeben.

Die Festigkeit von Kobalt bei hohen Temperaturen wird ebenfalls durch 1 bis 4% Aluminium verbessert.

Darüber hinaus wird es möglich, Karbidhartmetalle mit weniger als 20Vol.-% Aluminiumlegierungen als Bindemetalle herzustellen. Dies war bisher extrem schwierig, da ein beträchtlicher Anteil des Aluminiums im Bindemetall beim Kaltpressen und dem Flüssägphasensintern irreversibel oxidiert. Das Ergebnis hiervon ist die Bildung zahlreicher Oxideinschlüsse in dem Karbidhartmetall, wodurch die Eigenschaften des Karbidhartmetalls verschlechtert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vollständig vcrmieden, daß Aluminium oxidiert, da das Aluminium in keiner Stufe des Verfahrens als Pulver zugegen sein muß.

Weitere Austausch-Bindemetalle, die durch das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sind, sind Nickel- oder Kobaltlegierungen, die höhere AIuminiumgehalte aufweisen, wie die Nickel-Aluminium-Verbindungen Ni₃Al, NiAl oder die Kobaltverbindungen CoAl. Diese intermetallischen Nickel- und Kobaltverbindungen sind wertvolle Bindemetalle lür

so Wolframkarbid und dessen Mischungen mit TiC und/ oder TaC, die bei hohen Temperaturen - 1350 bis 1600°C - ungewöhnlich widerstandsfähig gegen Deformationen sind.
Durch Flüssigphasensintern ist es nicht möglich, vollständig dichte, Karbidhartmetalle mit einem Binclemetallgehalt von weniger als 20Vol.-% herzustellein, da die Löslichkeit von Wolframkarbid in diesen Mischungen sehr gering ist und deshalb die Rückverteilung der Karbidphase, die in der Flüssigphase nsinterstufe dringend erforderlich ist, verhindert wird. Das Karbidhartmetall soll genügend Vol.-% des hochschmelzenden Karbidmetalls enthalten, damit nach Entfernung des Bindemetalls ein stabiles Karbidskelett zurückbleibt. So zerbricht beim Auslaugen im Falle der Karbidhartmetalle WC-Co und WC-TiC-TaC-(Zo das Karbidskelett gewöhnlich in zahlreiche Stücke oder zerfallt zu Pulver, wenn der Karbidgehalt geringer als ungefähr 80 Vol.-% ist.

Es ist durch andere Verfahren, z.B. Heißpressen, möglich, Karbidskelette mit weniger als 80% Vol.-% Karbid herzustellen, die nicht zusammenbrechen, d. h., Pressverfahren können ebenfalls zur Herstellung von Karbidskeletten mit einer Volumendichte von mehr als 80% eingesetzt werden. Jedoch hat daß Heißpreßverfahren mehrere Nachteile. Es ist langsam und aufwendig, da nur wenige Teile gleichzeitig hergestellt werden können und da die Graphitformen unter den Bedingungen, die eingehalten werden müssen, um die gewünschte Dichte zu erreichen, nicht lange halten. Zusätzlich ist es schwierig, durch Heißpressen gleichmäßige Dichte und gleichmäßige Korngröße durch das Skelett hindurch zu erhalten. Weiterhin ist die Oberfläche gewöhnlich mit dem Formmaterial imprägniert oder vergiftet.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können dagegen unter Benutzung eines konventionellen Sinterofens und eines Auslaugtank:, genügender Größe gleichzeitig große Mengen Karbidskelett hergestellt werden. Die erhaltene Skelettqualität ist in bezug auf Korngröße, gleichmäßige Dichte und Abwesenheit von Oberflächenverunreinigungen ausgezeichnet. Das Verfahren ergibt daher Kosten- und Qualitätsverbesserungen gegenüber dem Heißpressverfahren zur Herstellung von Karbidskelettkörpern.

Für einige Anwendungen ist es möglich, Kobalt als Bindemetall nur aus einer Oberflächenregion des als Ausgangsmaterial verwendeten Karbidhartmetalls zu entfernen. In diesen Fällen kann ein unterschiedliches zweites Bindemetall zu jeder gewünschten Tiefe in das Karbidskelett infiltriert werden, wobei die gewünschten Eigenschaften nur in der betreffenden Oberflächenregion hervorgerufen werden und der Kobaltbinder in der Hauptmasse des Karbidkörpers verbleibt.

Durch Variieren von Dauer und Temperatur der Infiltration können verschiedene Legierungsstufen zwischen dem infiltrierten Austausch-Bindemetall und der Masse des Kobaltbinders erhalten werden. Wenn der Binder nur in der Oberflächenregion ausgetauscht werden soll, ist das zu infiltrierende Austausch-Bindemetall beschränkt auf solche Metalle und Legierungen, die einen tieferen Schmelzpunkt als den des WC-Co oder WC-TiC-TaC-Co-Eutektikums aufweisen. Dies ist erforderlich, damit das ursprüngliche Bindemetall nicht schmilzt und in die Oberfläche des Karbidskeletts wandert, bevor das zu infiltrierende Austausch-Bindemetall dorthin gelangt.

Zu infiltrierende Austausch-Bindemetalle, die das Karbid auflösen, sollten zuvor mit dem Karbid gesättigt werden, um zu vermeiden, daß das Karbidskelett aufgelöst wird. Daher sollten Nickol-Chrom-Legierungen normalerweise mit Wolframkarbid gesättigt werden, bevor sie in ein Wolframkarbidskelett infiltriert werden.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erTabelle I

findungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert, in denen, wie auch in der Beschreibung, die Anteile von Karbid- und Bindemetallphase, wenn nicht anders vermerkt, in Vol.-% angegeben, da weite Differenzen in der Dichte der Bindemetalle bestehen. Bestandteile des Bindemetalls selbst werden jedoch in Übereinstimmung mit der bei Metallegierungen üblichen Praxis in Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Bindemetalls, angegeben.

Beispiel 1

Rechteckig geformte Karbidhartmetall-Stücke in einer Größe von 19,05 X 9,525 X 5,08 mm, bestehend aus 90Vol.-% Wolframkarbid und lOVoL-% Kobalt (6 Gew.-% Kobalt), wurden durch konventionelles Kaltpressen und Flüssigphasensintern hergestellt. Die Stücke wurden dann 7 Tage lang in siedender 20%iger Salzsäure ausgelaugt, um das Kobalt zu entfernen. Nach einiger 2'eit zeigte eine chemische Analyse einen Kobaltrückstand von 0,16Gew.-%. Das so erhaltene Wolframkarbidskelett wurde dann in einer karburisierenden wasserstoffhaltigen Atmosphäre 1 Stunde lang auf 1100^cC erhitzt, um restliche Säure zu entfernen und den Kohlenstoffgehalt, der während des Auslaugens durch Oxydation vermindert wurde, zu ergänzen. Das Wolframkarbidskelett wurde dann mit einer Nickelchromlegierung, die zusätzlich 20 Gew.-% Wolframkarbid und 2Gew.-% Kohlenstoff enthielt, infiltriert. Da« Wolframkarbid ist zugefügt worden, um das zu infiltrierende Austausch-Bindemetall mit Wolframkarbid zu sättigen und so eine Erosion des Wolframkarbidskeletts während der Infiltration zu vermeiden. Der Kohlenstoff ist zugefügt worden, um den Kohlenstoffgehalt des Wolframkarbidskeletts zu ergänzen und auf diesem Wege die Bildung von ternären Karbiden vom »Eta-Phasentyp« zu verhindern. Das Infiltriermittel wurde in einem Überschuß von 5% über den Betrag, der erforderlich ist, um die Hohlräume in Karbidskelett zu füllen, eingesetzt

Die Infiltration wurde durch Auflegen eines vorgeschmolzenen Knopfes aus dem zu infiltrierenden Austausch-Bindemetall auf das Karbidskelett und Steigern der Temperatur auf 1425°C vorgenommen. In einer Wasserstoffatmosphäre wurde die Temperatur 15 Minuten gehalten. Das entstandene Produkt hatte ausgezeichnete physikalische Eigenschaften und überlegene Korrosionsbeständigkeit, wie der folgenden Tabelle I zu entnehmen ist. Weiterhin ermöglicht die Tabelle den Vergleich der Eigenschaften eines handelsüblichen Karbidhartmetalls aus Wolfrcmkarbid und 10 Vol.-% Kobalt (Produkt 1), aus dem die Karbidhartmetalle aus Wolframkarbid und Nickel-Chrom-Legierungen als Bindemetall (Produkte 2, 3 und 4) hergestellt wurden, mit den genannten erfindungsgemäßen Produkten.

Produkt	10 Vol.-% Co	Dichte	Transversaile	Härte	KoiTo-
	10 VoL-% (Ni-5 Cr)		Zugfestigkeit		sions-
				empfind-
	g/cm³	N/cm²	Ra	lichkeit⁺)
1. WC -	14,95	216,3	92,0	258
2. WC -	14.98	178.5	92.0	6.3

Forlscl/.unp	7	Cr) Cr)	20 18	032	8	Härte	Korro- sions- cmpfind- lichkeit¹)
Prod u kl		Dichte g/cm¹	Transversale Zugfestigkeit N /cm'	91,9 92,5	8,6 14,7
3. WC - IO 4. WC - 10	Vol.-'! Vol.-'!	14,98 14,82	222,6 175,0


•h (Ni-2,5 1« (Ni-30

ι Gegenüber NaCI-Lssigsäurc-Lösung; Gewichtsverlust in mg/dm^ Tag.

Wie der Tabelle I entnommen werden kann, sind Dichte, Härte und Festigkeil der Karbidhartinctallc aus Wolframkarbid und Nickcl-Chromlegicrung nahezu gleich wie bei dem Karbidhartmetall aus Wolframkarbid und Kobalt, während die Säurekorrosionsfestigkeit der erfindungsgemäß erhaltenen Produkte 2-4 beträchtlich erhöht ist. Außerdem sind die Karbidhartmetallc aus Wolframkarbid und Nickel-Chromlcgicrung vollständig unmagnetisch, während das Karbidhartmetall aus Wolframkarbid und Kobalt ausgeprägt magnetisch ist.

Versuche, die gleichen Karbidhartmelalle aus Wolframkarbid und Nickel-Chrom-Legierung direkt durch konventionelle Flüssigphasensinterung herzustellen, ergaben unvollständig verdichtete Körper mit ungenügender Festigkeit. Nur Produkte, die mehr als 15Vol.-% Bindemetall aufwiesen, ergaben genügende Verdichtung durch Flüssigphasensinterung in der üblichen Weise, doch waren sie, bedingt durch den geringen Karbidgehalt, beträchtlich weicher als die obengenannten infiltrierten Produkte mit lOVoL-% Bindemetall.

Beispiel 2

Durch saures Auslaugen von Karbidhartmelallen aus Wollramkarbid mit einem Gehalt von 10Vol.-% Kobalt wurden Wolframkarbidskelette hergestellt, die eine Porosität von lOVoL-% aufwiesen. Anschließend wurden die Produkte, wie in Beispiel 1 beschrieben, unter Wasserstoff erhitzt. Die porösen Produkte wurden dann mit mehreren Nickcl-Aluminium-Legierungcn, die von 2,5 bis 30Gew.-% Aluminium enthielten, infiltriert. Um Erosionen des Karbidskelctts und die Bildung von ternären Karbiden des »Eta-Phasenlyps« zu vermeiden, wurden dem zu infiltrierenden Austausch-Bindemetall genügende Mengen Wolframkarbid und Kohlenstoff zugesetzt. Diese betrugen 5% Wolframkarbid, wenn der Aluminiumgehalt zwischen 2,5 und 10% lag und 0% Wolframkarbid, wenn der Aluminiumgehalt größer als 10% war. Zu allen Mischungen wurden 2% Kohlenstoff zugefügt.

Infiltriert wurde durch Auflegen vorgeschmolzencr Knöpfe aus dem gewünschten zu infiltrierenden Austausch-Bindemetall auf das Karbidskelett und Erhitzen unter Wasserstoff oder im Vakuum auf eine Temperatur, die 25 C oberhalb des Schmelzpunkts des zu infiltrierenden Metalls lag. Die Temperatur betrug 1450 C für die 5 bis 10% Aluminium enthaltenden Legierungen und 1700 C für die 30% Aluminium enthaltenden Legierungen.

Die folgende Tabelle II zeigt die physikalischen Werte für diese nach der Erfindung erhaltenen Karbidhartmetallc (Produkte 3 bis 6), ferner für das ursprüngliche Karbidhartmctall aus Wolframkarbid-10% Vol.-% Kobalt (Produkt 1) und für Karbidhartmelalle, bei denen das WC mit reinem Nickel infiltriert worden war. (Produkt 2). Verglichen mit der Festigkeit des ursprünglichen Wolframkarbid-Kobaltmaterials stieg die Festigkeit des Materials mit Nickcl-Aluminium-Legierung als Bindemetall von einem Wert, der etwas niedriger als beim Material mit 0% Aluminium lag, bis zu einem beträchtlich höheren Wert bei 2,5% Aluminium an und fiel dann mit ansteigendem Aluminiumgehalt ab. Die Härte war bei 0% Aluminium relativ niedrig und stieg dann ständig mit ansteigendem Aluminiumgehall an.

Tabelle Il

Produkt	IO Vol.-% Co	Dichte	Transversale	Härte
	10 Vol.-% Ni (infiltriert)		Zugfestigkeit
	10 Vol.-%(Ni-2,5%AI)	g/cm¹	N/cm²	Ra
I. WC -	IO Vol.-%(Ni-5% Al)	14,95	216,3	92,0
2. WC	IO Vol.-% (Ni-18% Al)	14,98	196,0	90,6
3. WC -	10 Vol.-%(Ni-3()%AI)	15,00	266,0	91,2
4. wc:	15,00')	245,(1')	91,8
5. WC	15,09	136,5	92,2
6. WC	15,00')	94,5	92,3

') üxlrapnlierte Wcrle.

Die Wcrlc der in der Tabelle Il aufgeführten Karbitlharlmetalle /eigen, daß solche mil einem höheren Aluniiniumgchull eine bessere Deforniiitionsfcstigkeit bei höheren Temperalliren ergeben als vergleichbare Kiirhidhiirlmclallc aus Wolframkarbid und Kobalt. So zeigte ein Prüfkörper aus Wolframkarbid und IO Vol.-Vn

(Nickel mit 18% Aluminium) (Produkt 5 in Tabelle II) keine plastische Kurzzeitdeformation, wenn er einem Druck von etwa 422 kg/cm² bei 1300 C ausgesetzt wurde, während das vergleichbare Produkt aus WoIframkarbid-10 Vol.-% Kobalt unter diesen Bedingungen beträchtlich verformt wurde.

Die wenig Aluminium enthaltenden Legierungen zeigten ausgezeichnete Verschleißfestigkeit in Metalldrehtests. So wurden Werkzeuge aus dem Produkt 4 der Tabellell zur Bearbeitung der Nickellegierung Rene'41 eingesetzt. Es wurde gefunden, daß die Verschleißrate dieses Werkzeugs aus Karbidharlmctal! aus Wolframkarbid und Nickel-Aluminium-Legierung etwa 40% geringer ist als die des Werkzeugs aus dem für diesen Zweck handelsüblichen Karbidhartmctall aus Wolframkarbid und 10Vol.-% Kobalt.

Beispiel 3

Wolframkarbidskelcttc, die eine Porosität von 10Vol.-% aufwiesen, wurden durch Auslaugen von Karbidhartmetallcn aus Wolframkarbid-10 Vol.-% Kobalt und anschließendem Erhitzen unter Wasserstoff, wie im Beispiel 1 beschrieben, hergestellt. Danach wurden sie mit mehreren Kobalt-Legierungen, die 2,5 bis 30% Aluminium enthielten, infiltriert. Etwa 5% Wolframkarbid wurde der zu infiltrierenden Legierung zugesetzt, wenn deren Aluminiumgehalt geringer als 15% war. In jedem Falle wurden jedoch 2% Kohlenstoff zugesetzt. In Abhängigkeit vom AIuminiumgchalt wurde die Infiltration bei verschiedenen Temperaturen vorgenommen (vgl. Beispiel 2). Die physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Produkte sind der Tabelle III zu entnehmen:

Tabelle III

Produkt

1. WC - 10 Vol.-%Co

2. WC - 10 Voi.-% (Co-2,5 Al)

3. WC - 10 Vol.-/» (Co-5 Al)

4. WC - 10 Vol.-% (Co-10 Al)

5. WC - 10 Vol.-%(Co-15 Al)

6. WC - 10 VoL-% (Co-30 Al)

Dichte

g/cm³

14,95 14,99 14,92 14,90 14,81 14,99

Transversale	Hart
Zugfestigkeit
N/cm²	Ra
216,3	92,0
246,4	91,7
220,5	91,9
166,6	92,0
160,2	92,3
105,0	92,8

Der durch Variieren des Aluminiumgehaltes bei r> dem Karbidhartmetall aus Wolframkarbid und Kobalt-Aluminium-Legierung erreichte Effekt entspricht etwa den in vergleichbaren Karbidhartmetallen aus WoIframkarbid und Nickel-Aluminium-Legierungen gefundenen Verhältnissen. -n>

Obwohl es möglich wäre, durch konventionelle Sinterung Produkte herzustellen, die neben Wolframkarbid und 10Vol.-% Kobalt bis zu 10Gew.-% Aluminium im Bindemetall enthalten, würde es selbst dann große Schwierigkeiten bereiten, eine Oxydation «n des feinen Aluminiumpulvers zu vermeiden, wenn es zuvor mit Kobalt legiert wurde. Dagegen ist in den erfindungsgemäß infiltrierten Karbidhartmelallen aus Wolframkarbid und Nickel-Aluminium-Legierungen kein Aluminiumoxid enthalten. Selbst wenn die Oxy- ίο dation des Aluminiums kein Problem wäre, wäre es nicht möglich, die volle Dichte nach dem Flüssigphasensintern zu erreichen, wenn der Aluminiumgehalt in dem Bindemetall 10% überschreitet, da die Löslichkeit des Wolframkarbids in diesen NiAl-Le- v> gierungen sehr gering ist. Die Karbidhartmctalle aus Wolframkarbid-10Vol.-% Kobalt-Aluminium-Legicrungen hatten die gleiche verbesserte Deformationsfestigkeit bei hohen Temperaturen und die gleichen Gebrauchseigenschaften, wie sie im Beispiel 2 für wi Karbidhartmetalle aus Woirramkarbid-I0Vol.-% Nikkel-Aluminium-Legierungen beschrieben werden.

Beispiel 4

Ein Karbidhartmctall aus Wolframkarbid-10 Vol.-% b> Kobalt wurde durch Säure ausgelaugt, bis das Kobalt bis zu einer Tiefe von 0,254 mm unterhalb der Oberfläche entfernt war. Das so erhaltene poröse Karbidskelett wurde durch Gold infiltriert, indem das Formstück mit der erforderlichen Menge Goldfolie bedeckt und unter Wasserstoff auf 1150 C erhitzt wurde.

Nachfolgende Korrosionstests in Kochsalz-Essigsäure-Lösung (22 Stunden Einwirkzeit) zeigten einen Gewichtsverlust von 2,6 mg/dm² Tag für das goldinfiltrierte Material gegenüber 258 mg unter den gleichen Bedingungen für einen Wolframkarbid-10 Vol.-% Kobalt-Kontrollkörper, d.h. eine lOOfache Verbesserung.

Beispiel 5

Schneideinsätze (12,70 X 12,70 X 4,76 mm) aus Karbidhartmelall aus 72% Wolframkarbid, 8% TiC, 11,5% TaC und 8,5% Kobalt wurden I Woche, wie in Beispiel 1 beschrieben, in siedender Salzsäure ausgelaugt. Es entstand ein Karbidskclctt mit 88% Dichte. Anschließend wurde bei 1600 C mit einer Kobalt 15%-Aluminium-Legierung, die zusätzlich 5% Wolframkarbid und 2% Kohlenstoff enthielt, infiltriert. Die Teile wurden zur Bearbeitung von SAE 1045-Stahl unter Bedingungen eingesetzt, die deutliche Spitzendcformation an dem üblichen Karbidhartmctall mit Kobalt als Bindemetall hervorrufen (gemessene Ausbauchung 0,127 mm).

Unter diesen Bedingungen wurde das Material mit der Kobalt-Aluminium-Matrix deutlich weniger deformiert (gemessene Ausbauchung 0,0254 mm).

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Karbidhartmetall auf der Basis von WC, TiC und/oder TaC, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Sinterkörper mit weniger als 20Vol.-% Bindemetall zumindest ein Teil des Bindemetalls durch chemisches Auslaugen unter Verbleiben des Karbidskeletts entfernt und das ausgelaugte Bindemetall durch Infiltration eines zweiten andersartigen Bindemetalls in das Karbidskelett ersetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Austausch-Bindemetall eine Mischung aus einer Nickel- oder Kobalt-Legierung mit 10 bis 30Gew.-% Aluminium und 2Gew.-% Kohlenstoff infiltriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Austausch-Bindemetall eine Mischung aus einer Nickel- oder Kobalt-Legierung mit 2,5 bis 10 Gew.-% Aluminium sowie 5 Gew.-% Wolframkarbid und 2 Gew.-% Kohlenstoff infiltriert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Austausch-Bindemetall eine Mischung aus einer Nickellegierung mit 2,5 bis 30 Gew.-% Chrom sowie 20 Gew.-% Wolframkarbid und 2 Gew.-% Kohlenstoff infiltriert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Austausch-Bindemetall Gold, Silber oder Kupfer infiltriert wird.