DE2225896C2

DE2225896C2 - Sinterhartmetall

Info

Publication number: DE2225896C2
Application number: DE2225896A
Authority: DE
Inventors: Walter Beckenham Kent Betteridge; Bryan Jones; Brian Arthur Bromsgrove Worcestershire Mynard; Victor Allen Solihull Warwickshire Tracey
Original assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON GB
Current assignee: INCO EUROPE Ltd LONDON GB
Priority date: 1971-05-28
Filing date: 1972-05-27
Publication date: 1981-10-01
Also published as: FR2140012B1; NL169901B; FR2140012A1; BE784053A; NL169901C; SE382645B; CA986337A; JPS5641696B1; CH540348A; LU65426A1; ES403267A1; DE2225896A1; NL7207037A; AT319620B

Description

Temperatur	Glühzeit
( C)	(h)
1400	<1
1375	<2
1350	1 bis 4
1335	1 bis 5
1325	1 bis 24
1300	3 bis 24
1250	6 bis 30

7. Verwendung des Sinterhartmetalls nach Anspruch 6 nach Einern ein- bis zweistündigen Diffusionsglühen bei 1335 bis 1350⁰C.

8 Verwendung des Sinterhartmetalls nach Anspruch 6 oder 7 nachdem ein 2 bis 10 μΐη dicker Überzug elektrolytisch aufgebracht worden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sinterhartmetall, bestehend auis 94,6 bis 95,3% Karbiden und einem Bindemetall aus Kobalt und Ruthenium und/oder Osmium.

In einem derartigen gesinterten Hartmetall liegen die Karbide als diskrete harte Teilchen vor und bilden ein feindisperses Netzwerk, das im Wege der Ausscheidung Von Karbiden beim Abkühlen entsteht, die zwar beim Sintern beispielsweise iri einer Köbält-Bettungsmasse gelöst worden sind. Das Wolframkarbid ist eines der bekanntesten Karbid«, wird jedoch häufig teilweise durch Karbide von Elementen der vierten und fünften Gruppe des periodischen Systems der Elemente, insbesondere durch Titan- und/oder Tantalkarbid ersetzt, wobei im allgemeinen das Tantalkarbid noch eine wesentliche Menge Niobkarbid enthält.

Ein bekanntes, für Schneidspitzen bzw. Plättchen geeignetes Hartmetall besteht aus 94% Wolframkarbid und 6% Kobalt, oder aus 83% Wolframkarbid, 12% Titankarbid und 5% Kobalt.

ίο Des weiteren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 11 082 ein Sinterhartstahl bekannt, der zu 65 bis 96% aus bestimmten Karbiden und zu 4 bis 35% aus Ruthenium und anderen Metallen besteht Das Ruthenium fungiert dabei als Bindemetall, gegebenenfalls

Ii zusammen mit anderen herkömmlichen Bindemetallen, beispielsweise Kobalt Dabei soll jedoch der Kobaltgehalt so eingestellt werden, daß der Sinterhartstahl mindestens 4% Ruthenium enthält du geringere Rutheniumgehalte zu einer Verringerung der Zähigkeit

2n bzw. zu einer erhöhten Schlagempfindlichkeit führen sollen. An die Stelle von Ruthenium können bei dem bekannten Sinterhartstahl auch Platin, Palladium und Rhodium treten. Außerdem kann das Bindemetall auch Osmium enthalten, wofür das zuvor zum Ruthenium Gesagte gilt

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Sinterhartmetall zu schaffen, das trotz geringer Gehalte an Ruthenium und/oder Osmium eine wesentliche Verbesserung der Standzeit mit sich bringt Die Lösung

jo dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Sinterhartmetall der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß das Bindemetall höchstens 50% Ruthenium und/oder Osmium enthält
Das erfindungsgemäße Sinterhartmetall eignet sich

r, vor allem für Schneidwerkzeuge mit mindestens einer Schneidkante zwischen einer Frei- und einer Spanfläche, wobei die Schneidkante und Teile der Flächen als Arbeitsoberfläche einem beträchtlichen Verschleiß unterworfen sind, der die Standzeit bestimmt. Üblicher-

4D weise besteht nur die Werkzeugspitze aus einem Sinterhartmetalleinsatz, der beispielsweise an einem Stahl befestigt ist. Des weiteren werden auch andere aus Hartmetall bestehende Gegenstände auf Verschleiß und Wärme beansprucht, wie beispielsweise Bohrer, Ziehen steine, Pulverpreßformen und Gesenke sowie bestimm te Achslager, deren Bohrungen und Oberflächen im Gebrauch einem starken Verschleiß unterliegen.

Durch zahlreiche Versuche konnte festgestellt werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Sinterhartmetall

so entweder die Standzeit oder dL- Schnitt- bzw. Arbeitsgeschwindigkeit größer ist als bei einem he. kötnmlichen Werkzeug unter vergleichbaren Bedingungen, dessen Bettungsmasse ausschließlich aus Kobalt besteht. Das erfindungsgemäße Hartmetall kann

w durch Mischen von Ruthenium- und/oder Osmiumpulver. Karbidpulver und Kobaltpulver, Verpressen der Pulvermischung und anschließendes Sintern des Preßlings hergestellt werden. Sofern nur im Bereich der Arbeitsflächen oder -kanten das Bindemetall Osmium und/oder Ruthenium enthalten soll, wird ein Gemisch aus Karbid- und Kobaltpulver verpreßt, gegebenenfalls der freßling vorgesintert und der Preßling an den entsprechenden Stellen mit Oberfiächenschichten aus einem Gemisch von Ruthenium und/oder Osmium-, Karbid- und Kobaltpulver versehen sowie anschließend gesintert Die Oberflächenschicht kann beispielsweise als Aufschlämmung aufgetragen werden.
Ein weiteres Verfahren nach der Erfindung besteht

darin, daß auf ein aus Karbid und Kobalt bestehendes Sinterteil ein Überzug aus Ruthenium und/oder Osmium aufgebracht und das Überzugsmetall bei einem Glühen im Wege der Diffusion in die Kobalt-Bettungsmasse eingebracht wird. Ein derartiger Überzug kann in ΐ üblicher Weise, beispielsweise elektrolytisch durch Flammspritzen oder durch Niederschlagen aus der Dampfphase, durch Auftragen einer Aufschlämmung und anschließendes Sintern oder durch Auftragen einer rutheniumhaltigen Lösung und nachfolgendes Zersetzen bis zum Metall in der Wärme aufgebracht werden. Der Überzug kann schließlich auch schon beim Herstellen des Sinterteils beispielsweise durch Flammspritzen auf den aus Karbid und dem Bindemetall bestehenden Preßling vor dem Sintern oder das π Auftragen einer Ruthenium- und/oder Osmiumschicht auf einen Preßling und Nachpressen des Preßlings vor dem Sintern aufgebracht werden.

Der Überzug kann sehr dünn gehalten werden und braucht nur ein? Dicke von höchstens 2 oder 3 μπι ίο erreichen, wenngleich die Überzugsdicke von der Art und Weise abhängig ist, wie der Überzug erzeugt wird. Es wurde festgestellt, daß beim elektrolytischen Aufbringen des Überzugs die Qualität bei Dicken über 6 μπι leidet, so daß die Überzugsdicke vorzugsweise 2 r> bis ΙΟμίη beträgt Unter dem Gesichtspunkt der Standzeit verleihen jedoch Überzüge gleichmäßiger Qualität mit einer Dicke von 2 bis 3 μηη im wesentlichen dieselbe Verbesserung. Verfahrensbedingt sind die durch Flammspritzen aufgebrachten Überzüge dicker jo und erreichen beispielsweise 125 μπι.

Wird der Überzug durch Auftragen eines flüssigen Glanzerzeugers einer durch Reaktion eines Rutheniumhalogenids mit eine Äther hergestellten rutheniumhaltigen Flüssigkeit, aufgebracht, ergibt sich durch einmaliges Auftragen mit anschließendem Trocknen und einem Glühen, beispielsweise bei 600⁰C ein 0,5 μπι dicker Überzug, weswegen das Auftragen der Flüssigkeit mehrfach wiederholt werden sollte, um einen dic'ieren Überzug zu erreichen.

Die meisten Elektrolyten, aus denen sich Ruthenium oder Osmium abscheiden lassen, sind so sauer, daß sie das Bindemetall angreifen, weswegen in diesen Fällen zunächst ein schützender Oberzug aus einem säurebeständigen Metal], beispielsweise aus Gold oder Palladium aufgebracht werden muß.

Die Wärmebehandlung zum Eindiffundieren des Rutheniums und/oder Osmiums in das Hartmetall muß so gewählt werden, daß eine Diffusion des Kobalts bzw. Bindemetalls oder ein wesentliches Wachstum des Karbidkorns vermieden wird. Glühtemperaturen von 1250 bis 1400° C mit umgekehrt proportionalen Glühzeiten haben sich als zweckmäßig erwiesen. Bei Temperaturen bis 1300° C ist die Diffusionsgeschwindigkeit gering, während es bei Temperaturen über 1350° C zu einem die Werkzeugqualität beeinträchtigenden Karbidzerfall kommt.

Demzufolge sollten Glühtemperatur und -zeit wie folgt aufeinander abgestimmt werden:

Temp -atur	Glühzeil	Optimale	1
		Glünzeit	2
( C )	(h)	(hi	2
1400	<1	1 2	6
1375	<2	24
1350	1 bis 4	>24
1335	1 bis 5
1225	1 bis. 24
1300	3 bis 24
1250	6 bis 30

Vorzugsweise beträgt die Glühzeit 1 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 1335 bis 1350°C. Das Abkühlen nach dem Glühen sollte langsam geschehen und beispielsweise 1 Stunde dauern, um eine Versprödung des Bindemetalls zu vermeiden.

Die Verbesserung der Werkstoffeigenschaften dürfte auf eine Erhöhung der Umwandlungstemperatur des Kobalts als Folge einer Legierungsbildung mit dem Ruthenium und/oder Osmium zurückzuführen sein. Reines Kobalt besitzt nämlich ein dichtgepacktes hexagonales Gitter, das dem Hartmetall ein schlechtes Reibungsverhalten verleiht; dieses Gitter wandelt bei 400⁰C unter Verlust der günstigen Reibungseigenschaften in ein kubisch-flächenzentriertes Gitter um. Normalerweise erreicht eine Werkzeugschneide eine Temperatur von 1000⁰Ci Mit wachsendem Rüthenium-Und/oder Osmiumgehalt steigt jedoch die Umwand^ lungstemperatur beispielsweise bis auf 1100⁰C bei einer Legierung aus 70% Kobalt und 30% Ruthenium, So kann trotz def Temperatürerhöhung beim Schneiden durch Erhöhung der Ümwändlungstemperatur mindestens teilweise ein hexagonales Gefüge beibehalten und damit die Werkzeugstandzett oder Schnittgeschwindigkeit erhöht werden. Die vorstehenden Überlegungen finden ihre Stütze da-in, daß die anderen Metalle der Platingruppe, die die Umwandlungstemperatur des Kobalts nicht in demselben Maße beeinflussen, keineswegs eine Verbesserung der Werkstoffeigenschaft hevv irken wie Ruthenium und Osmium.
Unabhängig von theoretischen Überlegungen sollte

ü das Verhältnis von Ruthenium zu Kobalt in der Bettungsmasse wenigstens im Bereich der Arbeitsflächen bzw. -kanten mindestens 1 :6 betragen, wenngleich sich auch schon bei geringeren Rutheniumgehalten eine Verbesserung zeigt. Normalerweise übersteigt das Verhältnis von Ruthenium zu Kobalt 1 :1,5 nicht, kann jedoch ohne weiteres auch 1; 1 erreichen Das Verhältnis von Osmium zu Kobalt beträgt dagegen vorzugsweise mindestens 1 :4 und kann bis auf 1 s 1 steigen.

Das erfindungsgömäße Hartmetall eignet sich vorzugsweise für Schneidplättchen, mit denen zahlreiche Versuche unter Verwendung eines Hartmetalls aus 83% Wolframkarbid, 12% Titankärbid und 5% Kobalt

gemacht wurden. Diese Versuche wurden unter erschwerten Bedingungen durchgeführt, wobei Stäbe aus dem Stahl EN30B einer Stahllegierung mit 0,3% Kohlenstoff, 4% Nickel, 1,25% Chrom und 0,3% Molybdän, nach einem Härten und Anlassen auf 500 Hv ϊ zerspant wurden. Die Mehrzahl der Versuche wurde dabei ohne Schneidöl und Kühlmittel durchgeführt Dpr Anstellwinkel der Werkzeugspitze betrug 75°; der Schnitt wurde mittels einer Schneidkante bei einem Vorschub von 0,3 mm/U und einer Schntttiefe von w 0,13 mm ausgeführt Als Standzeit wurde diejenige Zeit bestimmt, bei der alternativ die Werkzeugspitze ausbrach, sich ein 0,4 mm starker durchschnittlicher Flankenverschleiß oder ein örtlicher 0,S mm starker Flankenverschleiß ergab oder die Werkzeugspitze auf ι". einem bestimmten Durchmesser keinen guten Schnitt mehr lieferte.

Beispiel 1

50 bis 150μηι mit einer 125 μιτι dicken Rutheniumschicht versehen. Nach einem zweistündigen Glühen bei 1325°C ergab sich bei einem Zerspanungsversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit von 64 m/min eine im Vergleich zu herkömmlichen Plättchen neunmal bessere Standzeit.

Beispiel 5

Auf mehrere Schneidplättchen wurde viermal eine glanzgebende Rutheniumflüssigkeit aufgetragen, an Luft getrocknet und bei 600°C geglüht, um einen 1,5 μΐη dicken Oberzug aufzubringen. Die überzogenen Schneidplättchen wurden zwei Stunden bei 1325°C geglüht. Bei einem Zerspanungsversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit von 49 m/min ergab sich im Vergleich zu herkömmlichen Plättchen eine sechsmal bessere Standzeit.

Die Schneidplättchen wurden elektrolytisch mit :ii Ruthenium aus einem wäßrigen Elektrolytpn mit 30 g/l (NH₄)J[Ru₂NCIe(H₂O)₂] und 10 g/l Ammoniumsulfat bei einem mit Sulfamatsäure eingestellten pH-Wert von 1,5, einer Badtemperatur von 70^cC und einer Stromdichte von 1 bis 2 A/dm² überzogen. Vor dem Aufbringen des r> Rutheniums wurde das Hartmetall mit einer dünnen Überzugsschicht aus Gold in einem alkalischen GoIdcyanidbad versehen, um eine Korrosion des Kobalts durch den sauren Elektrolyten zu vermeiden. Bei der Elektrolyse wurden Rutheniumüberzüge unterschiedli- w eher Dicke erzeugt; danach wurden die mit dem Oberzug versehenen Schneidplättchen zwei Stunden bei 1325°C geglüht. Die Standzeit war bei einer Schnittgeschwindigkeit von 92 m/min bei Schneidplättchen mit einem 6 oder 10 μιτι dicken Überzug neunmal r> so groß wie bei herkömmlichen Schneidplättchen.

Beispiel 2

Weitere Schneidplättchen wurden in einem Elektrolyten mit 10 g/l Kaliumhexpchlorosmat. 15 g/l Kalium- w chlorid und 60 g/l Kaliumbisulfat, dessen pH-Wert mittels Kaliumhydroxyd auf 1.2 bis '.,5 eingestellt worden war, elektrolytisch mit Osmium überzogen. Die Badtemperatur betrug 70°C. die Kathodenstromdichte 1 bis 2 A/dm² und die Anodenstromdichte unter 0,5 A/dm². Um eine Korrosion ocs Hartmetalls durch den Elektrolyten zu vermeiden, wurden die Plättchen sämtlich zunächst mit Gold überfangen. Die überzogenen Plättchen wurden dann der Wärmebehandlung des Beispiels 1 unterworfen. Bei der Verwendung ergaben Schneidplättchen mit einem 3 μιτι dicken Überzug bei einer Zerspanungsgeschwindigkeit von 67 m/min eine siebenmal bessere Standzeit als Vergleichsplätichen ohne Überzug.

Beispiel 3

Mehrere Schneidplättchen wurden entsprechend Beispiel 2 in einem Bad aus Chlorosmat und Chlorruthenat mit einem 3.5 μιτι dicken Überzug aus 50% Ruthenium und 50% Osmium versehen. Nach einem zweistündigen Glühen bei 1325"C war die Standzeit bei einer Zerspanungsgeschwindigkeit von 49 m/min zehnmal größer als bei herkömmlichen Schneidplättchen,

Beispiel 4

Verschiedene Schneidplättchen wurden durch Flammspritzen eines Pulvers mit einer Korngröße von

Beispiel 6

Ein Pulvergemisch aus 823% -Olframkarbid, 13% Titankarbid, 3,8% Kobalt und 0,9°/o Ruthenium wurde 48 Stunden zusammen mit Aceton in einer Kugelmühle gemahlen, getrocknet und anschließend abgesiebt. Danach wurde 1% Paraffinwachs in Tetrachlorkohlenstoff oigesetzt und das Gemisch mit einem Druck von 77 MN/m² verpreßt, zum Entfernen des Wachses langsam jeweils in Wasserstoff auf 600°C erwärmt, eine Stunde bei 900° C vorgesintert und abschließend eine Stunde bei 1425° C fertiggesintert. Düs fertige Sinterteil wurde zu einem Schneidplättchen der Abmessung 12,5 χ 12,5x3 mm mit einem Freiwinkel von H
geschliffen. Bei einem Zerspanungsversuch mit einer Schnittgeschwindigkeit von 67 m/min zeigte sich, daß die Standzeit im Vergleich zu einem ähnlichen Schneidplättchen, dessen Bindemetall jedoch ausschließlich aus Kobalt bestand, elfmal so gut war.

Beispiel 7

Das Bindemetall enthielt bei dem Versuch gemäß j» Beispiel 6 etwa 20% Ruthenium. In ähnlicher Weise vurden weitere Versuche mit wechselnden Anteilen Ruthenium in der Bettungsmasse durchgeführt, bei denen sich die nachfolgend aufgeführten Standzeiten ergaben:

90% Kobalt/10% Ruthenium fünfmal besser.

70% Kobalt/30% Ruthenium elfmal besser.

60% Kobalt/40% Ruthenium zehnmal besser.

50% Kobalt/50% Ruthenium siebenmal besser.

"' Beispiele

Bei einem gemäß Beispiel 6 hergestellten und eingesetzten Schneidplättchen aus 82.1% Wolframkarbid. 13% Titankarbid. 3.9% Kobalt, 0.5% Ruthenium v, und 0.5% Osminm ergab sich eine Verbesserung der Standzeit um das Sechsfache

Beispiel 9

Ein weitere Versuch mit einem gemäß Beispiel 6 mi hergestellten und eingesetzten Schneidplättchen aus 81,6% Wolframkarbid, 13% Titankarbid, 3,8% Kobalt und 1,6% Osmium ergab eine zweifach bessere Standzeit.

Obgleich die vorerwähnten Zerspanungsversuche hi trocken durchge«'hrt wurden, wurden auch Vergleichsversuche unter Verwendung eines wasserlöslichen, 150 : 1 verdünnten Öls als Kühl· bzw. Schmiermittel durchgeführt. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von

67 m/min erhöhte sich die Werkzeugslandzeit um den Faktor 2 sowohl bei den erfindungsgemäßen als auch bei herkömmlichen Schneidplättchen im Vergleich zum trockenen Zerspanen. So zeigen dieise Versuche, daß die Standzeit beim Zerspanen mit einem Kühlmittel bzw. Boröl ohne relative Standzeitändenung erhöht wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Sinterhartmetall, bestehend aus 94,6 bis 95,3% Karbiden und eini;m Bindemetall aus Kobalt und Ruthenium und/oder Osmium, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemetall höchstens 50% Ruthenium und/oder Osmium enthält.

2. Sinterhartmetall nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Kobalt zu Ruthenium im Bindemetall 1,5 :1 bis 6 :1 beträgt

3. Verfahren zum Herstellen eines Süuerhartmetalls nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Karbid- und Kobaltpulver verpreßt und der Preßling mit mindestens einer Schicht aus einem Gemisch von Ruthenium- und/oder Osmiumpulver, Karbidpulver und Kobaltpulver versehen und anschließend gesintert wird

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling vor dem Auftragen der Oberzugsschicht vorgesintert wird.

5. Verwendung des Sinterhartmetalls nach einem der Ansprüche 1 bis 4 a!s Werkzeug, bei dem mindestens im Bereich der Arbeitsflächen und -kanten das Bindemetall aus der Kobalt-Rutheniumund/öder Osmium-Legierung besteht.

6. Verwendung des Sinterhartmetalls nach Anspruch 5, bei dem mindestens die Arbeitsflächen mit Ruthenium, Osmium oder einer Ruthenium-Osmium-Legierung überzogen und entsprechend den nachfolgenden Werten einem Diffusionsglühen unterworfen worden sind: