DE2157666A1

DE2157666A1 - Verfahren zur Herstellung von Sinter-Hartmetall auf Basis Titancarbid und verschleißfeste Erzeugnisse daraus

Info

Publication number: DE2157666A1
Application number: DE19712157666
Authority: DE
Inventors: Robert Gerardus de Viaardingen; Zijderveld Jacobus Antonius Waddinxveen; Kuppeveit Gerardus Antonius van Delft; Lange (Niederlande)
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1970-11-20
Filing date: 1971-11-20
Publication date: 1972-05-25
Also published as: GB1324210A; NL7016999A; SE379790B; CH571576A5; AT309836B; US3756787A; CA933395A; FR2114858A5; BE775554A

Description

PATENTANWÄLTE .

DiPii.-nsro. AMTHOE

DrPLz-DSTG. WOLF

D - β I¹HANKI¹UHT AM MAIN

D-β I¹HANKFUBTA-M^ 18,11.71 (ΟβΙΙ) 55 20 23 Ea l»

lSO 144 11 412

Nederlandse Organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek ten behoeve van Nijverheid, Handel en Verkeer, Juliana van Stolberglaan 148, Den Haag/Holland

Verfahren zur Herstellung von Sinter-Hartmetall auf Basis Ti tan carbid Lind verschleißfeste Erzeugnisse daraus.

ABSTRAKT

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sinter-Hartmetalles aiif Basis von Titancarbid, wobei eine Mischung von Titancarbidpulver und mindestens 4 Gew.% Titan-Fielcelpulver als Hilfsmetall vermählen werden und das vermahlene Gemisch von TIC und TiNi mindestens 3 Minuten lang unter Vakuum oder in einer inerten Gasatmosphäre und unter einem mechanischen Druck von mindestens 15o kg/cm bei einer Temperatur, die oberhalb 1^O,15°C dem Schmelzpunkt von TiNi, gesintert wird.

Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung ^ri r.irfer-Hartmetallen auf Basis Titaniumcarbid und von ver—

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BAD OBtGINAL

schleißfesten Erzeugnissen aus diesem Hartmetall, wie Werkzeugen, Schneidwerkzeugen, Stempeln, Ziehsteinen, Ziehmatrizen, Geschoßspitzen und ähnlichen Gegenständen.

Es ist auf dem Gebiet der Herstellung von Sinter-Hartmetall auf Basis von Titaniumcarbid bereits bekannt, als Bindemittel (Hilfsmetall) Nickel zu verwenden, sowie einen gewissen Prozentanteil Molybdän oder Molybdäncarbid. Man kann zwar damit eine Bildung von MuI ti carbiden erreichen und ist auch zur Erzielung einer guten Qualität erforderlich. Wendet man keine solchen Zusätze an, so wird infolge unzureichenden Schlagwiderstandes das Hartmetall als Werkzeug oder spanabhebendes Werkzeug kaum brauchbar.

Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, Sinter-Hartmetall auf Basis Titancarbid ohne den Zusatz von Molybdän oder Molybdäncarbid ^u ermöglichen.

nicht Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck/Nickel als bindendes Agens verwendet, sondern es wird ein Gemisch aus Titancarbidpulver mit mindestens 4 Gew.% Titan-Nickel vermählen und das gemahlene Gemisch aus Titancarbid und Titan-Nickel mindestens 3 Minuten unter einem höheren Vakuum als o,l mm Hg bei einer Temperatur

ο
von mindestens 1315 C, dem Schmelzpunkt von Titan-Nickel, unter einem mechanischen Preßdruck von mindestens 15o kg/cm gesintert.

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Zweckmäßig verwendet man nach der Erfindung einen Prozentsatz von 4-3o an Titan-Nickel, angewendet mit 54-61,9 Gew.% Nickel, vorzugsweise 5-2o% Titan-Nickel und wendet eine Sintertemperatur von 1315°C bis 143o°C, vorzugsweise zwischen 1375° und 14oo°C, für eine Zeitdauer von 3 - 4o, vorzugsweise Io - 3o Minuten, an. Die Mengen an Titan-Nickel wurden so gewählt, daß in dem hergestellten Erzeugnis das Bindemittel in der Hauptsache aus der duktilen Verbindung Titan-Nickel besteht und die Bildung intermetallischer Verbindungen einerseits vom Typus Ti„Ni, andererseits vom Typus TiNu so weit als möglich vermieden wird.

Gemäß der Erfindung wird das Gemisch der Pulver von Titaniumcarbid und Titan-Nickel vorzugsweise durch 1 - loo-sttindiges Mahlen in einer Kugelmühle von Titancarbidpulver mit einer Korngröße von weniger als 2o Mikron mit einem Nickel-Titanpulver von einer Korngröße von weniger als 5o Mikron unter dem Schutz einer organischen Flüssigkeit, wie Pentan, in ein homogenes Gemisch übergeführt. Die Korngröße des gesinterten Erzeugnisses liegt dann unter Io Mikron. (

Das Vermählen unter einer solchen Flüssigkeit dient sowohl zur Verhinderung einer Sauerstoffaufnähme wie^auch einer Verstäubung, Tiefsiedende Flüssigkeiten verwendet man, weil solche nach dem Mahlprozeß sich von selbst oder bei nur gering erhöhter Temperatur sich aus der Mischung verfluchtigen.Geeignet sind niedrig siedende Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, auch chlorierte

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Kohlenwasserstoffe, wie Trichloräthylen oder Azeton.Als besonders gut wurde Pentan befunden. Das Mahlgut kann direkt, d.h. ohne zwischenzeitliche Formung, verpreßt und gesintert werden. Eine Verwendung von Bindemitteln ist also überflüssig_f

Nachstehend wird die Erfindung näher beschrieben und verdeutlicht anhand von Ergebnissen von GebrauchsPrüfungen mit Abfallstücken, einerseits aus einer Herstellung gemäß der Erfindung und solchen, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt waren, sowie einer graphischen Darstellung der Fasea?nabnutzungen beim Ansetzen gegen das laufende Werkzeug.

Als Basismaterial wird Titancarbid verwendet, das leichter zugänglich ist als Wolframcarbid, nach dem Sintern größere Härte ergibt und größeren Widerstand gegen Kraterbildungen und Oxidation aufweist. Die Korngröße des Titaniumcarbides, von dem man ausgeht, liegt zwischen 3 und 2o Mikron. Als ein Bindemittel dient die intermetallische Verbindung Titan - Nickel, da sie hohe Festigkeit mit großer Duktilität und hohem Korrosionswiderstand verbindet. Die Korngröße von Titannickel liegt zwischen 4 und 5o Mikron und die intermetallische Verbindung Titan Nickel enthält zwischen 54 und 61,9 Gew.% Nickel bei einer Temperatur, unter dem Schmelzpunkt von 1315 C, Um für das Hartmetall genügende Härte sicherzustellen, verwendet man nicht mehr als 3o Ge\v,% Titannicke], jedoch ipt ein Mdndmum von ungefähr 4 Gew,% erforderlich, wenn eine aur-rej chende Findling zwischen

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den Titancarbidkornchen nachder Sinterung erreicht v/erden soll. Das Gemisch beider Pulver wird in einer Hartmetallkugelmühle unter Abdeckung durch eine organische Flüssigkeit, wie Pentan, Hexan, Azeton, Trichloräthylen, aber vorzugsweise Pentan, zu einer korngrö^e von vorzugsweise weniger als 1 Mikron vermählen.

leht man von zu grobem Korn aus, dann verlängert sich entsprechend die Vermahlungsdauer, möglicherweise mehr als loo Stunden, Mit einem feinkörnigen Material läßt sich dagegen die Vermah- <J lungsdauer auf weniger als Io Stunden verringern. Sofern die Menge an Titannickel mehr als-'lo % beträgt, ist wegen der Duktilität des Bindemittels die Dauer langer und beträgt mindestens 24 Stunden. Bei höheren Prozentsätzen an Bindemittel sinkt nach dem Sintern die Druckfestigkeit des erhaltenen Objektes gegenüber solchen mit geringeren Prozentsätzen an Bindemittel ab. Durch das Vermählen erreicht man eine innige Mischung des Basismateriales mit dem Bindelmittel, wobei die harten Titancarbidkörnchen so gut umhüllt sind von Titannickel, als * wenn sie aus letzterem bestünden.

Das gemahlene Pulvergemisch wird an der Luft getrocknet, wobei die organische Flüssigkeit verdunstet. Dann bringt man das Gemisch in eine Matrize aus vorzugsweise Graphit von gewünschten Abmessungen. In dieser Matrize wird das Gemisch gepreßt, wobei da°; Ganze unter ein Vakuum von höhere als o,l mm Hg gebracht und die Temperatur auf über 1315°C gesteigert wird. Durch die über den Schmelzpunkt von Titannickel entsteht ein

L:i auTdu^-^olridus—System, wobei das feste Titaniumcarbid von dem

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Titannickel aufgenommen wird und Sinterung der Flüssigkeit mit einer ganz beachtlichen Verdichtung eintritt. Der Preßdruck wird bis auf mindestens 15o kg/cm gesteigert und bei Graphitmatrizen bis zu einem Maximum von 25o kg/cm , um damit eine größere Dichte und dementsprechend eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, des Elastizitätsmodul', der Zugfestigkeit und der Druckfestigkeit zu erreichen. Der äußere Druck muß im Vergleich mit der Oberflächenspannung zwischen Titannickel und Titaniumcarbid groß sein, damit man eine angemessene Vernetzung erreicht. Die Menge an Titannickel soll nicht zu groß sein, vorzugsweise unter 2o%, weil andernfalls flüssiges Titannickel austritt und die Matrize verunreinigen kann. Das Maß der Verdichtung sinkt mit der Zeit ab, eine Sinterungsdauer von über 4o Minuten ist nutzlos. Davon aber abgesehen, bringt eine längere Sinterungsdauer auch das Risiko einer erheblichen Diffusion des Titans mit sich und damit sekundär ein Kornwachstum mit der Folge einer Bildung spröder Verbindungen, wie Ti„Ni und TiNi₃. Zweckmäßig sintert man nicht länger als 30 Minuten aus bei einer Temperatur unter 14oo°C und über 1375°C Je höher die Temperatur und angewendeter Druck sind, umso kürzer wird die Sinterungszeit. Die Sinterungszeit darf jedoch nicht geringer sein als 3 Minuten, weil man andernfalls keine genügende Verdichtung erreicht und ferner eine untere Grenze von 15o kg/cm notwendig ist. Aus diesem Grunde führt man den Sinterprozeß vorzugsv/eise bei einer Temperatur von 1380⁰C und unter einem Druck von 2oo kg/cm² länger als Io Minuten durch. ¥enn der Sinterprozeß abge-

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laufen ist, kühlt man ab und sezt den mechanischen Druck herunter und löst das Erzeugnis aus der Matrize. Anstatt unter Vakuum_tkann der Prozeß auch in einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt werden,

Arbeitsbeispiel

EineMischung von 95 Gew.% Titancarbidpulver (Korngröße 4-6 Mikron, Lieferant Starck B.R.D.) und 5 Gew.% eines ä Pulvers, der intermetallischen Verbindung TiNi (Korngröße 5 - 3o Mikron, Lieferant Alfa Inorganics, USA) wird 24. Stunden in einer Hartmetallkugelmühle (Hersteller Fritsch, Pulverrisette Type 6ol) unter Abdeckung mit Pentan vermählen. Nach dem Vermählen wird das Pentan bei Raumtemperatur verflüchtigt.

Das Pulvergemisch kommt dann in eine Graphitmatrize von z.B, 14 x 14 mm,

Die Sinter-preß-verdichtung führt man in einer Sinterpresse (Hersteller Degussa Type VSpgr 5/lo) unter den folgenden Bedingungen aus:

Io Minuten aufheizen bis zu einer Sintertemperatur von 1380 C, Sinterungszeit von 2o Minuten unter'einer Preßbelastung

Γ)

von 2oo kg/cm und einem Vakuum über 0,1 mm kg. Die iTorn-

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·- 8 größe des gesinterten Carbides beträgt 1-8 Mikron»

Das so erhaltene Sinter-Preßgebilde zeigt eine hohe Härte (l85o V.F.H,), eine verhältnismäßig hohe Biegefestigkeit

ρ ρ

(8o kgf/mm ), eine Druckfestigkeit von 268 kg/cm und eine besonders gute Zerspanungsfähigkeit. Die Eigenschaften sind bemerkenswert besser als die von Hartmetallen auf Basis Titancarbid bisher bekannter Art, wie man aus den folgenden Vergleichsversuchen feststellen kann:

Ausgehend von einem Sinterhartmetall auf Basis Titancarbid mit 5% Titannickel nach vorliegender Erfindung wurden Probierabs chnitte (Plättchen) genommen und Vergleichsversuchen mit anderen Spanungswerkstoffen nach dem Stand der Technik, nämlich dem Typ P Io - SI von A.E.E. Merk mit 26% an (TiC und

TaC), 9% von Kobalt, Rest *$C, ferner VR-65-PO 1 von Vr-Wessern mit 75% Titancarbid und 25% (Nickelcarbid + Molybdäncarbid) unterworfen. Die Arbeitsbedingungen waren dabei folgende :

Umfangsgeschwindigkeit von 32o m/min., Vorschub 0,07 mm/u, Schnitttiefe von o,25 mm in unlegierten kaltgewalzten Kon-

struktionsstahl von einer Festigkeit von 6o - 7o kg/mm . Die Versuchsplättchen nach der Erfindung erwiesen sich unter diesen Bedingungen voll brauchbar über 3o Minuten ungefähr, die beiden anderen dagegen nur für etwa 21 Minuten.

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Wurde der Drehversuch unter extremen Arbeitsbedingungen bei einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 45o m/min., einem Vorschub von 0,3 mm/u und für eine Schnitttiefe von 2,5 mm bei dem gleichen Material durchgeführt, so zeigte das Plättchen gemäß Erfindung eine nur schwäche Ausschleißung, das Plättchen P Io - SI dagegen schon nach 48 Sekunden eine wesentliche Kraterbildung, wodurch die Schneidkante abgeplatzt wäre und das Werkzeug hätte weggeworfen werden müssen.

Das Versuchsstück VR-65-PO 1 zeigte eine bedenkliche Verschleißstelle nach,3 Minuten und nach 8 Minuten hatte die Scmieidfase eine ernstliche Verschleißkerbe, wobei durch die erhebliche Stumpfung die Schnitttiefe schon bis auf 2 ir.m zurückgegangen war.

Um noch einen anderen Vergleich zu erhalten, mit einem Probestück, hergestellt auf Basis eines Hartmetalls auf Grundlage Titancarbid nach dem Stand der Technik, wurden Abschnitte von D-12-U-3O4-LT2 von sintronic mit solchen gemäß der Erfindung verglichen. Alle Plättchen hatten die Abmessungen 12,7 χ 12,7 χ 4,8 und waren gerichtet unter einem abgelehrten Fasenhinterdrehwinkel (true rake ancpe) von 6 ■ Grad, einem Hinterdrehwinkel (relief angle) von 5 Grad, einem P.ückdrehwinkel (back rake angle) von O Grad, einem

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- Io -

Seitenkantenschneidwinkel (side cutting edge angle) von 2o Grad und einem Brustradius (nose radius) von ο,4 mm, wobei der Brustradius und die Hinterdrehflächen (relief faces) nachgeschliffen worden waren.

Von jedem dieser Sätze wurden 3 Plättchen geprüft bei einer Schneidgeschwindigkeit von etwa 3oo m/min, einem Vorschub von o, 16 mm/U und einer Schneidtiefe von o,8 mm und hier ebenfalls an einem unlegierten kaltgewalzten Kons.truk ti ons stahl mit einer Festigkeit von 6o - 7o kg/mm . Die Zunahme der Fasenstumpf ung über eine gewisse Laufdauer des Werkzeuges wurde als Vergleichsmaß gewählt. Die Plättchen Sl, S2 und S3 (s. nachstehende Tabelle), waren von Sintronic und die Plättchen Tl, T2 und T3 waren gemäß Erfindung hergestellt.

In der Tabelle sind die verschiedenen Fasenabnutzungswerte ausgedrückt in o,öl mm und die Tabelle wird ferner im einzelnen noch

durch das Kurvenbild ergänzt, in welchem unten längs die Fasenwerte ey W*fit£«vi3 &LtaL

abnutzungs/md links in der Vertikalen die BT€h§&&eh\Aiiu.i[jl.kii Leitin Metern angezeigt sind. Der Durchschnitt der je drei Werte, wie sie in der Tabelle genannt sind, ist in der graphischen Darstellung bezeichnet durch "j

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TABELLE

- 11 -

Verschleiß der Drehfase in o,ol mm

Werkzeug— 5oo looo 1500 2ooo 3000 5500 65po 8000 9ooo lauf in m

Plättchen S₁ 18 18 2o 22 30 40 46 50 53 Plättchen S₂ Io 16 18 18 24 3o 35 45 48 Plättchen S₃ 14 16 16 16 23 3o 39 46 46

Sintronic Durchschnitt 14 S₁, S₂, S₃

16.6 18 18.7 25.7 33.3 4o 47 49

Plättchen Τ_χ 6 8 Io Io 11 17 18 25 25 Plättchen T₂ 17 17 17 l8 2o 29 29 32 39 Plättchen T 12 14 14 16 16 26 27 31 36

Durchschnitt gem. Erfin- 11.7 13 dung

13,7 14.7 15.7 24 24.7 29.3 33.3

Aus der Tabelle und den Kurven ersieht man, daß im Durchschnitt die verschiedenen Werte der Fasenabnutzung für die Plättchen
nach der Erfindung 3o% tiefer liegen als die bei den anderen Plättchen.

e.

Bis zu einer Dare. von 3ooo m nimmt die Abnutzung

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der Plättehen nach der Erfindung kaum zu; erst zwischen 6500 und 8000 m entspricht sie etwa der Abnutzung, wie sie bereits nach 3000 m bei Plättchen nach dem Stand der Technik eingetreten war. In Sonderheit tritt nach 2ooo m bei den vorbekannten Plättchen schon eine bemerkenswerte Zunahme auf. Das bedeutet, daß zur Einhaltung einer vorgeschriebenen Präzision für das Werkstück die Lebensdauer der Plättchen nach der Erefindung mehr als doppelt so groß ist als die der vorbekannten Plättchen.

Aufgrund der besseren Eigenschaften des Sinterhartmetalls nach der Erfindung eignet sich dieses jedoch nicht nur zur Verwendung als spanabhebende Werkzeuge, sondern auch für u.a. Patrizen, Matrizen, Ziehsteine und darüberhinaus auch zur Verwendung für Geschoßköpfe, für die eine hohe Härte und Durchschlagskraft gegenüber Panzermaterial gefordert wird.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren ztir Herstellung eines Sinterhartmetalles auf Titancarbidbasis, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus Titancarbidpulver und min- destens 4 Gew.% Titan-Nickelpulver vermahlt und das Mahlqutgemisch von Titancarbid und Titan-Nickel mindestens 3 Minuten unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre und

.2

unter einem mechanischen Druck von mindestens 15o kg/cm und bei einer Temperatur über 131^°C, dem Schmelzpunkt von iiian-N:¹'ekel sintert·

2. Verfahren na cn Anspruch 1, 7 e k e η n--z e i c hn e t

durch Verwendung von bis zu 3o Gew.% an Titan-Nickel mit 54 bis 61,9 % Nickel und Anwendung von 143o°C als Sintertemperatur über höchstens 4o Minuten bei einem mechanischen Preßdruck auf 250 kg/cm .

3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch ge kenn-

zeichnet , daß man bei 5 bis 2o% Titanium-Niekel Io bis 3o Minuten bei einer Temperatur von 1375 bis 14oo C und einem mechanischen Preßdruck von 2oo kg/cm sintert.

4· Verfahren nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekenn·*· zeichnet , daß man ein Titancarbid .pulver mit einer rornaröne von unter 2o Mikron zusamen mit Titan-Nickelpuilver mit einer Korngröße unter 5o Mikron unter Schutz

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durch eine organische Flüssigkeit, wie Pentan, Hexan, Aceton, Trichloräthylen oder dergl. mindestens Io Stunden lang und gegebenenfalls bis zu loo Stunden zu einem homogenen Gemisch aufmahlt.

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