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Gegenstände aus Hartmetall, das mit Fasern aus refraktärem Metall
armiert ist Die Erfindung bezieht sich auf Gegenstände aus Hartmetall, das mit Pasern
aus refraktärem Metall, insbesondere Wolfram, Molybdän oder Titan, armiert ist.
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Gegenstände aus Hartmetall sind verhältnismäßig spröde und vertragen
nur verhältnismäßig geringe Zugbeanspruchungen. Dies ist ein Nachteil, wenn sie
als Einsatzmesser oder als andere Bearbeitungselemente in Werkzeugen verwendet werden,
z.B. als Messer in Bohrern und als Elemente in anKren Ausrüætungen, z.B.
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Innenwänden, Matrizen und Stempeln in Hochdruckapparaten und als Walzen
in Walzwerken. Die genannten nachteiligen mechanischen Eigenschaften bewirken, daß
Hartmetsleeile in verschiedenen Fällen verhältnismäßig schnell verbraucht werden.
In gewissen Fällen, z ß. bei Reaktionen in Hochdruckapparaten kann es passieren,
daß sie nach jeder Reaktion ausgetauscht werden müssen, da sie den Beanspruchungen
nicht gewachsen sind und zerstört werden. Eine Verbesserung der auf ihrer Sprödigkeit
beruhenden Anfälligkeit von Gegenstiden aus Hartmeall wurde dadurch
erreicht,
daß das Hartmetall mit Fasern aus refrakl tärem Metall armiert ist.
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Als refraktäres Metall wird außer den bereits genannten Metallen Wolfram,
Molybdän oder Titan auch Tantal, Chrom, Zirkonium, Vanadin und Hafnium sowie Legierungen,
die ein refraktäres Metall als Hauptbestandteil enthalten (z.B. eine Legierung aus
99 Gewichtsprozent Molybdän, 0,5 Gewichtsprozent Titan und 0,5 Gewichtsprozent Zirkonium)
bezeichnet. Als Hauptbestandteil in einer Legierung wird hier und nachfolgend der
Bestandteil bezeichnet, der den größten Gewichtsprozentsatz einer Legierung aismacht.
Aber auch die mit Fasern aus refraktärem Metall armierten Hartmetallgegenstände
haben noch eine relativ starke Sprödigkeit, die durch das Eindiffundieren van Kohlenstoff
aus dem Hartmetall in die Fasern während des Sinterns verursacht werden dürfte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanischen Sigenschaften
der Gegenstände aus Hartmetall, das mit Fasern aus refraktärem Metall armiert ist,
zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Fasern aus refraktärem
Metall mit einem ueberzug versehen sind, derwahrend eines Sinterprozesses die Diffussion
von Kohlenstoff--von dem Hartmetall zu den Fasern verhindert.
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Das Hartmetall ist von üblicher Art und kann u.a. aus Wolfram karbid
mit Kobalt als Bindemittel, einer Mischung von Ditankarbid und Wolframkarbid mit
Kobalt oder Nickel als Bindemittel, Tantalkarbid mit Kobalt als Bindemittel sowie
einer Mischung aus Wolframkarbid, Titankarbid und Tantalkarbid mit Kobalt ibr Nickel
als Bindemittel bestehen.
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Als Armierungsmaterial haben sich Wolframfasern als besonders geeignet
erwiesen.
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Der ueberzug mit der Fähigkeit, Kohlenstoff daran zu hindern, wahrend
eines Sinterverlaufes vom Hartmetall zu den Fasern zu diffundieren, dient als Oberflächenschutz
für die Fasern und verhindert, daß der Kohlenstoff des Hartmetalls während des Sinterns
mit dem refraktären Metall reagiert und dieses zerstört.
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Die Dicke dieses Überzuges, der gemäß der Erfindung aus Eisen, Kobalt,
Nickel oder Legierungen mit einem dieser Metalle als Hauptbestandteil (z.3. einer
Legierung aus 53,5 Gewichtsprozent Eisen, 17,5 Gewichtsprozent Kobalt und 29 Gewichtsprozent
Nickel oder einer Legierung aus 57 Gewichtsprozent Eisen und 43 Gewichtsprozent
Nickel) bestehen kann, beträgt zweckmäßigerweise 0,1-lCO , während der Durchmesser
der Fasern zweckmäßigerweise 1-2000/u, vorzugsweise 1-100/u, beträgt. Die Länge
der Fasern kann je nach Größe und Form des Gegenstandes von 1011 bis zu im Prinzip
unbegrenzter Länge variieren. Meistens liegt die Länge jedoch zwischen 10 µ und
10 cm. Der Fasergehalt im Hartmetall beträgt
5-70 % des gesamten
Volumens von Hartmetail und Fasern.
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Wenn der genannte Uberzug nicht die erforderliche Bindung mit dem
Hartmetall ergibt, z.B. aufgrund von ungenügender Befeuchtung (Benetzung), kann
gemäß der Erfindung eine verbesserte Bindung erreicht werden, indem eine Schicht
aus einem metallischen Material mit der Fähigkeit, die Bindung zu verbessern, auf
dem Überzug angeordnet wird. Das metallische Material der genannten Schicht kann
mit Vorteil von derselben Art sein wie das Bindemittel des Hartmetalls oder aus
einer Legierung bestehen, die ein in dem Bindemittel des Hartmetalls enthaltenes
Metall als Hauptbestandteil enthält. Andere metallische Materialien, die sich licht
mit dem Bindemittel des Hartinetalis vereinen und verbinden, sind denkbar. Die Dicke
der Schicht kann mit Vorteil 0,1-10061 betragen. Besonders geeignet sind Kobalt,
Nickel oder Legierungen mit einem dieser Metalle äLs Hauptbestandteil in der genannten
Schicht.
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Wenn der tberzug, der die gohlenstoffdiffusi on verhindert, selbst
eine gute Bindung mit dem Hartmetall ergibt, braucht man natUrlich keine Schicht
aus metallischem Material auf dem Ubersug ansuordnen, um die Bindung zu verbessern.
Wenn somit Kobalt als ftbereug für Wolframfasern verwendet wird und das Hartmetall
aus Wolframkarbid mit Kobalt als Bindemittel besteht, braucht keine Schicht auf
dem Überug aufgebracht zu werden. Bei der Verwendung vm Eisen im tiberzug kann es
Jedoch von Vorteil sein, eine
Kobaltschicht über dem Eisenüberzug
aufzubringen, wenn das als Beispiel genannte Hartmetall mit den Fasern armiert werden
soll. Das über Kobalt gesagte gilt in entsprechenden Bällen für Nickel bei Armierung
von auf Titan basierten Hartmetallen mit Nickel und Kobalt als Bindemittel.
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Die Herstellung der Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung geschieht
dadurch, daß die Fasern aus refraktärem Metall in pulverförmigem Hartmetall eingebettet
und das zusammengesetzte Material durch Pressen geformt wird, z.B. durch allgemein
übliches Pressen in einem Werkzeug oder durch isostatisches Pressen, ehe der geformte
Gegenstand einer Sinterung unterworfen wird. Das Sintern geschieht zweckmäßigerweise
bei einer Temperatur von mindestens 1250 °C, damit die Materialien des Gegenstandes
effektiv aneinander gebunden werden, und höchstens 1450 °a, damit die Fasern aus
dem refraktären Metall nicht mit ihrem tberzug reagieren.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden hrsSüh:rungsbeispiele näher
erläutert: Beispiel 1 85 Volumenanteile Hartmetallpulver werden mit 15 Volumenanteilen
Wolframfasern mit einem Durchmesser von 10# und einer Länge von 1 mm gemischt. Die
Wolframfasern sind mit einem Überzug
aus Kobalt mit einer Dicke
von 2 3 versehen. Es ist die Aufgabe dieses Überzuges, Kohlenstoff daran zu hindern,
während des später auszuführenden Sinterns von dem Hartmetall zu den Wolframfasern
zu diffundieren. Der Überzug bewirkt auch eine gute Bindung mit dem Hartmetall.
Das Hartmetallpulver besteht aus Wolframkarbidkörnern mit einer Korngröße von 1-10
$1, die mit einem dünnen Uberzug aus Kobalt versehen sind, so daß der Wolfram karbidgehalt
des Pulvers 92 Gewichtsprozent und der Kobaltgehalt 8 Gewichtsprozent ausmacht.
Die Mischung von Pulver und Fasern wird zur Herstellung einer Gesteinsbohrerschneide
auf übliche Weise in einem Werkzeug mit einem Druck von 1-4 ton/cm? gepreßt.
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Die geformte Bohrerschneide wird danach zunächst ungefahr eine Stunde
lang ureter Vakuum oder Wasserstoffgas bei 1400 oC gesintert und dann 1 Std. bei
einem Druck von 1000 Atü in inertem Gas, z.B.- Argon, bei 1350 OC.
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Anstatt die Gesteinsbohrerschneide in einem Werkzeug üblicher Art
zu formen, kann sie durch isostatisches Pressen geformt werden. Die Mischung von
Hartmetallpulver und Wolftanfasern mit Kobaltüberzug wird dabei in einem Behälter
aus nachgiebigem Material, z.B. weichgemachtem Polyvinylchlorid oder Gummi, eingeschlossen.
Dann wird sie bei Zimmertemperatur und einem Druck von 1-4 ton/cm2 in einer Isostatkammer
mit Öl oder Wasser als Druckmittel gepreßt. Der geformte Gegenstand wird danach
erst unter Vakuum oder Wasserstoffgas und dann unter den oben angegebenen Bedingungen
unter Druck in inertem Gas gesintert.
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Beispiel 2 Eine Gesteinsbohrerscbneide wird auf-die in Beispiel 1
beschriebene Weise hergestellt, aber mit dem Unterschied, daß anstelle von Wolframfasern
mit tberzug aus Kobalt Molybdänfasern mit Eisenüberzug und einer auf diesem ueberzug
angebrachten Schicht aus Kobalt verwendet werden. Der Durchmesser der Nc1ybdanfasern
beträgt 10 µ und ihre Länge 1 mm. Die Dicke des Eisenüberzugs beträgt 1 11 und die
der Kobaltschicht 1 P.
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Auf die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Arten kann man z.B.
auch Stempel, Matrizen und zylindrische Kammerwande fur Hochdruckapparate herstellen.
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In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Fasern zu orientieren.
Z.B. bei Walzen aus Hartmetall kann man eine gesteigerte Biegefestigkeit und damit
ein kleineres Bruchrisiko beim Walzen erreichen, wenn die Walzen mit axial orientierten
Fasern aus refraktärem Metall armiert werden.