DE2302318C3

DE2302318C3 - Trennwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2302318C3
Application number: DE19732302318
Authority: DE
Inventors: William K. Salem Oreg. Mcdonald (V.St.A.)
Original assignee: Teledyne Inc
Current assignee: Teledyne Inc
Priority date: 1972-03-20
Filing date: 1973-01-18
Publication date: 1975-01-02
Also published as: DE2302318A1; IT974007B; DE2302318B2; BE794723A; FR2176677B1; BR7300968D0; FR2176677A1; SE384232B; JPS4913047A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Trennwerkzeuge aus einer Nioblegierung mit nitrierter Oberfläche sowie auf ein Verfahren zum Nitrieren derartiger Trennwerkzeuge.

Es sind Körper aus einer Grundlegierung bekannt, die aus 1 bis 50% Hafnium und/oder Wolfram, Rest Niob, bestehen können und die in den Oberflächenschichten einer Aufkohlung unterzogen werden (deutsche Auslegeschrift 1 218 163). Hierdurch wird jedoch nicht nahegelegt, die gleiche Legierung zu nitrieren und sie zur Herstellung von Trennwerkzeugen zu benutzen, da an Trenn werkzeuge andere zusätzliche Forderungen gestellt werden als an die Körper, die aus dem vorstehend genannten Stand der Technik als bekannt hervorgehen. Hier wird nämlich nur die _4S Korrosions- und Erosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen angesprochen. Selbst wenn man beriick-■ichtigt, daß in der vorgenannten Druckschrift in Spalte 1, Zeile 34 bis 44, zum Stand der Technik ausgeführt wird, daß Legierungen auf Niobbasis, also auch die in dieser Entgegenhaltung genannte Legierung, nitriert werden können, ergibt sich keine andere Beurteilung, da diese Legierungen zur Herstellung von Spinndüsen verwendet werden und die Oberflächennitrierung vorgenommen wird, nachdem die Düse insgesamt durchgehärtet worden ist. Derartige durchgehärtete Teile werden aber nicht die für Trennwerkzeuge notwendige Zähigkeit des Kernes aufweisen, und es bleibt die Frage offen, ob eine einfache Oberflächennitrierung nicht gegebenenfalls zur Bildung einer leicht abplatzenden Härtungsschicht fuhrt.

Es sind auch bereits verschiedene Gruppen von verschleiß- und abriebfesten Materialien bekannt, die insbesondere zur Herstellung verschiedenartiger Trennwerkzeuge von Bedeutung sind (USA.-Patenl- 6s Schriften 3 549 427 und 3549 429). Obgleich eine große Anzahl von Materialien und möglichen Ersatzmaterialien in diesen Druckschriften angegeben und vorgeschlagen sind, beruhen diese Materialien im wesentlichen auf dem System Niob—Titan—Wolfram. In diesen Druckschriften werden Trennwerkzeuge angegeben, die aus diesem System hergestellt und dann nitriert werden, damit ein Nitridüberzug auf der Oberfläche ausgebildet wird.

Werkzeuge, die nach der Lehre dieser bekannten Vorschläge ausgebildet sind, stehen inzwischen auch praktisch zur Verfugung; sie haben eine Zu imensetzung aus etwa 50% Niob, 30% Titan ; a 20%

Wolfram. ,. , ___ .

In Zusammenhang mit vorliegender Erfindung wurde festgestellt, daß erheblich verbesserte Trennwerkzeuge mit nitrierter Oberfläche erhalten werden, wenn als Werkstoff eine Legierung der Basis Niob-Hafnium—Wolfram verwendet wird Mit vorliegender Erfindung wurde festgestellt, daß das damit erhaltene Werkzeug wesentlich zäher als bekannte Werkzeuge ist die auf dem System Niobium Titan Wolfram basieren Weiterhin wurde festgestellt, daß durch einfache und billige Schritte die Möglichkeit besteht, die Nitrierung nur auf die unmittelbare Schneidflache des Werkzeuges zu begrenzen, statt über die gesamte Oberfläche des Werkzeuges. Dies ist in vielen Anwendungsfällen deshalb von Bedeutung, weil bekanntermaßen der Nitridüberzug selbst außerordentlich brüchig ist und mit Nitrid überzogene Werkzeuge von ihrem Grundmaterial abhängen, um die Festigkeit und Flexibilität für das gesamte Werkzeug zu erzielen. Wenn der Nitridüberzug auf die Schneidfläche selbst begrenzt werden kann, wird die Gefahr des Reißens und Abschälens des Nitridüberzuges wesentlich vermindert. Ferner wurde im l· alle vorliegender Erfindung festgestellt, daß auf dem Werkzeug eine härtere, nitrierte Oberfläche ausgebildet werden kann.

Der Grund dafür, daß Werkzeuge gemäß vorliegender Erfindung zäher sind, liegt darin, daß ein auftretender Fehler in einem Werkzeug üblicherweise ein Korngrenzenfehler ist. Es ist bekannt, daß große Körner in einem Trennwerkzeug eine Sprödigkeit des Werkzeuges ergeben und die Gefahr des Auftretens von Korngrenzenfehlern wesentlich erhöhen. Bei den Systemen nach vorliegender Erfindung ergibt Hafnium eine bessere Konistabilität und damit ein zäheres Wenczeug.

Bei vorliegender Erfindung wurde festgestellt, daß die zu nitrierende Fläche auf die gewünschten Flächenbereiche dadurch begrenzt werden kann, daß die Teile der Oberfläche des Werkzeuges, bei denen keine Nitrierung erwünscht ist, mit einem der bekannten Suizide bestimmter Legierungen überzogen werden, wie sie verwendet werden, um Materialien bei hohen Temperaturen einen Oxydalionswiderstand zu verleihen. Viele derartige Suizide sind an sich bekannt: sie umschließen Verbindungen von Silizium mit Hafnium. Eisen, Chrom, Molybdän, Titan, Wolfram und Niob. Ein typisches derartiges Silizid, das erfolgreich im Falle vorliegender Erfindung verwendet worden ist, ist eine Paste aus Hafnium, Eisen, Chrom und Silizium mit 20% Hafnium, 5% Eisen, 10% Chrom und 65% Silizium. Diese Suizide an sich sind bekannt und verfügbar. Sie konnten jedoch bei den bekannten Werkzeugen, die auf dem System Niob— Titan—Wolfram basieren, nicht verwendet werden, weil das Silizid ein Eutektikum mit Titan bildet, das bei 1315° C schmilzt. Diese Temperatur liegt unterhalb der üblichen Nitriertemperaturen, die typischerweise 1430 bis 1870° C betragen.

Da die Grundlegierung eine höhere Schmelztemperatur als das System Niobium Titan Wolfram bekannter Art besitzt, wird es mögüch, die Werkzeuge bei höheren Temperaturen zu nitrieren, wodurch härtere Schneidkanten an den Werkzeugen erzielt werden.

Gemäß vorliegender Erfindung wird das Trenn werkzeug aus einer Legierung, die aus 50 bis 85% Niob, IO bis 30% Hafnium und 10 bis 20% Wolfram besteht, hergestellt und oberflächennitriert. Zusätzlich kann die Legierung bis zu insgesamt 7% Zirkonium, Titan, Kohlenstoff, Yttrium und Tantal, einzeln oder zu mehreren, enthalten. Wenn es erwünscht ist, die zu nitrierende Fläche nur auf die Schneidfläche des Trennwerkzeuges zu begrenzen, werden die Teile des Trennwerkzeuges, die nicht nitriert werden sollen, mit einem Suizid der oben beschriebenen Art überzogen. Die Schneidfläche des Werkzeuges wird dann nitriert, beispielsweise dadurch, daß das Werkzeug in einen Ofen gesetzt und die Temperatur im Ofen auf einen höheren Wert gebracht wird, während Stickstoflgas in den Ofen eingeführt wird.

Das Trennwerkzeug kann beispielsweise ein einfaches Messer, ein Sägeblatt für eine hin- und hergehende Säge oder eine rotierende Säge, tin Rasiermesser, ein Schneidzahn für eine Kettensäge od. dgl., ein Werkzeugschneideinsatz in eine Werkzeugmaschine, z. B. eine Drehbank oder Bohrmaschine oder ein Metallbearbeitungsstempel sein. Man hat festgestellt, daß mit vorliegender Erfindung ein Trennwerkzeug erhalten wird, das in hohem Maße korrosionsbeständig ist und das mit einer dünnen Kante in einfacher oder komplizierter Gestalt ausgebildet werden kann.

Die folgende Tabelle I ist eine detaillierte Analyse von acht Beispielen von Legierungen, die auf Niob
Hafnium-Wolfram basieren, welche in Verbindung mit vorliegender Erfindung verwendet worden sind.

Tabelle I

Beispiel Nr.	Niobium	Hafnium , l%l	Wolfram (%)
1 2 3	Ausgleich Ausgleich Ausgleich	10 29 29	10 13,5 14,4
4	Ausgleich	29,5	14
5	Ausgleich	. 29	14,4
6	Ausgleich	28	15,8
7 8	Ausgleich Ausgleich	30 30	11 18

Andere Elemente

Die folgende Tabelle II zeigt die Ergebnisse einer großen Anzahl von Versuchen, die mit diesen Werkstoffen nach Tabelle I durchgeführt wurden. Zusätzlich zeigt Tabellen die Form, in die die Grundlegierung gebracht wurde, die Art und Weise, in der die Oberfläche nitriert wurde, und die Vickershärte 0,05% Y

1,3% Zr, 4,9% Ti, 0,05% C, 0.6% Y, 0,5% Ta

1,2% Zr, 4,70% Ti, 0,044% C, 0,05% Y,

0,7% Ta

1,5% Zr, 0,26% Ti, 0,058% C, 0,06% Y,

0,5% Ta

1,3% Zr. 4,7% Ti, 0,053% C, 0,033% Y,

0,7% Ta

0,9% Zr, 0,03% Ti, 0,088% C, lOOTeile/Mill. Y

0,7% Ta

1% Zr, 3% Ti, 0,066% C, 0,03% Y, 0,5% Ta

1% Zr, 4% Ti, 0,05% C, 0,05% Y, 0,5% Ta

der sich daraus ergebenden nitrierten Oberfläche. Wenn in der Tabelle nicht anders angegeben, zeigen die Angaben des Nitriervorganges die Zeit in Minuten und die Temperatur in Grad Celsius, bei der die Probe in einem Ofen unter Stickstoßgas bei einem Druck von etwa einer Atmosphäre gehalten wurde.

Tabelle II

Zusammensetzung	Form	Nitrierung	Temperatur in C	Vicker härte
		Zeit in Minuten	1540
Beispiel I	0,635-cm-Bahn	15	1540	718
Beispiel I	0,635-cm-Bahn	14	1430	745
Beispiel 1	0,635-cm-Bahn	60	1540	747
Beispiel 1	0,635-cm-Bahn	30	1650	747
Beispiel 1	0,635-cm-Bahn	30	1540	1092
Beispiel 1	0,635-cm-Bahn	120	1650	835
Beispiel 1	Klinge	5	1540
Beispiel 1	Messerkante	15	1540
Beispiel I	Messerkante	15	1650
		+ 5	1430
Beispiel I	--	5	1650
		+ 5	1540
		+ 15

Zusunmensci/un·!

Beispiel 2 Beispiel 4 Beispiel 2 Beispiel 2 Beispiel 5

Beispiel 1

Beispiel 8 Beispiel f Beispiel 7 Beispiel 1 Beispiel 1 Beispiel I

Beispiel 1 Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel 4 Beispiel 1

Beispiel 4 Beispiel 1

Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel 1 Beispiel 1

Beispiel 1 Beispiel 5

Beispiel 1 Beispiel 4 Beispiel 4 Beispiel 3

Beispiel 2 Beispiel 6 Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel I Beispiel 3

Beispiel 4

2302 31	Form	•	Messerkante	Zeil	8	Nitrierung	10	a	1650	15	desgl.	15	desgl.	15	desgl.	5	1650	1540	1650	15	1540
Fortsetzung	Messerkante			in Minuten Tci		U	unter Stickstoff	15	+ 15	15	desgl.		1650	unter Stickstoff	unter Stickstoff	+ 5	1650
Holzsägeblatt			__ _j desgl.		desgl.	15		60	desgl.		1650	+ 5	desgl.
Metallsägeblatt		desgl.	npcruuir	15		+ 5	1650		desgl.
Hochbeanspruchtes,		desgl.		15	60	1430	desgl.
industrielles Sägeblatt		desgl.		+ 15	+ 5	1650	desgl.
Metallsäge		desgl.		15	5	1650	desgl.
				15	+ 15	1650
			5	+ 5	1650
			5		1650
Glasbohrer		1650	30		1650
Sägemesserkante		unter Vakuum	30		1650
Scheibe		+ 15	15		1430
Metallsägeblatt			+ 15		1650
Messer
Sägemesser				1760
				1650

			1540
			1430
_			1540
			1760
			1430
			1760
			1430
—			1540
			1650

—

		1430
_		unter Vakuum
		+ 15


Rasierklinge


Linoleumklinge
Sägeblatt
Messerklinge
Bohrerspitze





Klinge
Messerkante
Holzsäge
Metallsäge
Holzsäge
Bohrerspitze

Holzsäge

desgl.

Vickcrshjrtc

1457 870

14OS-15O0

872—1392

1176—1426

908-1044

1300—1356

812— 954

722- 932

1064-1200

1062—1228

1146—1170

1002-1092 1792—1808

1460-1508 780— 940 514— 566

1038—1106

1174—1192

747

Fortsetzung

Beispiel 1 Beispiel 4

Beispiel 2 Beispiel 7

Beispiel 3

Beispiel 7 Beispiel 8

Beispiel 1

Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel 4 Beispiel 4 Beispiel 1 Beispiel 7

Beispiel 7 Beispiel 7 Beispiel 7 Beispiel 2

Holzsäge

Quadratischer Werkzeugeinsatz

desgl. Runde Werkzeugspitze

Quadratischer Werkzeugeinsatz Scheibe Bohrerspitze

Messer Sägemesser Quadratische Werkzeugspitze

desgl.

	Temperatur in C	1760	desgl.	1650	1650	1760	desgl.	1760	Vickershärte
Nitrierung	1540	desgl.	unter Vakuum	unter Stickstoff	1870		1760
Zeit in Minuten	1650		+30	5	1980		1980	_
15	1650		+ 5		1980	1517
60	1650	+ 5		1650	885
60	unter Vakuum			1650	1558
10	+60	5		1925
		5		1925
		5		2035	2354
	5	5		1980	1323—1610
		5		1760	_
5
60
60
60	1916—2112
60
60
	■ 1484—1604
	964—1192
	1084—1166
1716—2196
1988—2516
—
—
1832—2196
1792—2044
—
—

Die in Tabellen beschriebenen Werkzeuge sind Werkzeuge bekannter Art, die auf dem System Hafnium—Titan —Wolfram basieren, weit überlegen. Die dünneren Trennwerkzeuge, z. B. Messerkanten, Sägeblätter, Rasiermesser u. dgl., sind flexibler, sie gehen weit weniger leicht zu Bruch, oder die nitrierten Oberflächen neigen weniger zu Rißbildungen, wenn die Werkzeuge in ihrem normalen Einsatz verwendet werden. Sie sind wesentlich zäher und abriebfester. Beispielsweise sind die Werkzeagemsälze, die weiter oben beschrieben worden sind, nut ähnlich geformten and ausgebildeten, kommerziell zur Verfügung stehenden Werkzeugen verglichen worden, die auf den vorbeschriebenen bekannten Systemen beruhen. Man hat festgestellt, daß die Werkzeuge nach vorliegende Erfindung bis zu lOmal abnutzungsfester als di< bekannten Werkzeuge sind, wenn sie den gleicher Prüfungen unterzogen werden. Die Schneidflächer der Werkzeuge sind ebenso hart oder härter als di< der Werkzeuge bekannter Art.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebener Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kön nen andere Nitrierverfahren verwendet werden, ζ. Β Nitrieren über unterschiedliche Zeiten und bei unterschiedlichen Temperaturen und auch bei unterschiedlichen Drücken im Stickstoffgas oder unter anderer Stickstoff enthaltenden Gasen, zum Nitrieren da

SS Oberfläche der Schneidwerkzeuge verwendet werden

409681/280

Claims

Patentansprüche:

1. Trennwerkzeug aus einer Legierung, die aus 50 bis 85% Niob, 10 bis 30% Hafnium und 10 bis 20% Wolfram besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche wenigstens an der Schneidfläche des Werkzeuges nitriert ist

2. Trennwerkzeug aus einer Legierung gemäß Anspruch 1, die bis zu insgesamt 7% Zirkonium, Titan, Kohlenstoff, Yttrium und Tantal, einzeln · oder zu mehreren, enthält, gekennzeichnet durch eine mindestens an den Schneidflächen nitrierte Oberfläche.

3. Verfahren zur Herstellung eines Trennwerkzeuges nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Grundlegierung in die gewünschte Form des Trennwerkzeuges gebracht wird und die Nitrierung in einer Stickstoffatmosphäre bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Oberfläche des Schneidwerkzeuges, auf denen keine Nitrierung erwünscht ist, mit einer an sich bekannten, die Nitrierung verzögernden Paste aus Silizium, Hafnium, Eisen und Chrom vor dem Nitriervorgang überzogen werden.