DE2810746A1

DE2810746A1 - Verfahren zur herstellung von verbundhartmetallen

Info

Publication number: DE2810746A1
Application number: DE19782810746
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Dr Ostermann; Hartwig Ing Grad Pietsch; Alfred Ing Grad Sprang
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1978-03-13
Filing date: 1978-03-13
Publication date: 1979-09-20
Also published as: GB2017153B; FR2419786A1; SE7901875L; GB2017153A

Description

2610746 -X-

?RI3D. KRUPP GESELLSCHAFT MT BESCIHllNKTER HAi¹TUiTG-

in Essen

Verfahren zur Herstellung von Yerbunchartiaetallen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, zur Herstellung von Hartmetallverbundkörpern, die aus einem ■lern und einem Mantel verschiedener Struktur und Zusanaensetzung bestehen. Derartige Verbundhartmetallkörper finden z.B. auf dem Gebiet der Gesteinsbearbeitung und als Ziehstein Verwendung.

In der DT-PS 615 262 wird ein Ziehstein aus einer Hartmetall-Legierung beschrieben, zu dessen Herstellung zwei "iv'ege angegeben sind. Die Herstellung des Ziehsteins kann unter Verwendung einer einseitig offenen Graphitform erfolgen, ir. deren Boden eine entsprechende Menge einer zäheren Legierung leicht von Hand eingepreßt wird. Darauf wird eine entsprechende Menge einer harten und spröden Legierung geschüttet, leicht angedrückt und anschließend der Inhalt der Form unter gleichzeitiger Anwendung von Druck gesintert. Zur Herstellung des Ziehstdnes kann auch zuerst der Kernkörper durch Pressen, Sintern oder Gießen hergestellt und dann in einem PuI-

2C ver der zäheren Legierung eingebettet werden, das in einer einseitig offenen Graphitform enthalten ist. Anschließend wird diese Kombination aus Kernstück und Pulver gepreßt und gesintert. Dieses Herstellungsverfahren besitzt jedoch Nachteile, auf die u.a. in der

909838/0218

■Γ\Γ-3?3 899 481 hingewiesen wird. Zwischen den Zonen aus ■verschieden/weichen Hartmetallen entstehen infolge verschiedener Ausdehnungskoeffizienten Spannungen, die "Risse in den Zonengrenzen verursachen und erhöhte Korro-"sian" "bewirken. Zur Beseitigung des Rißrisikos ist vorgeschlagen worden, daß die härteren Teile in "bezug auf die Längsrichtung der Schneide wesentlich kurzer sind als die Länge der Schneide und, soweit möglich, von weich rein I-iaterial eingeschlossen werden. Wie derartige Bohrerschneiden hergestellt werden sollen, geht aus der Druckschrift jedoch nicht hervor.

In der DT-AS 1 053 447 werden Hartmetalleinsatzkörper für Gesteinsbohrer mit einer Zone aus härterem und einer Zone aus weniger hartem, a"ber zäherem Hartmetall "beschrieben, die durch eine in Richtung von der Schneide bis zu der

unteren 3egrenzungsfläche zunehmende zähere Zone des Hartmetalls gekennzeichnet sind. Die Einsatzschneide wird durch Sintern hergestellt, wo "bei die Grenzen zv/ischen den /"---- Zonen" scharf sein können oder eine mehr oder weniger fortlaufende "Verschmelzung zeigen. Als Alternativmöglichkeit zur Herstellung wird angegeben, die verschiedenen Zonen Jede für sich herzustellen und sie dann in geeigneter "Weise, ν/ie "beispielsweise durch Löten, miteinander zu verbinden, es werden jedoch keine Anweisungen zur Herstellung der Verbundhartmetalle gegeben. Im übrigen zeigen die durch ■-" .- Sintern oder mit Hilfsmitteln, wie Graphit formen und Heißpressen, hergestellten Hartmetalle verschiedener Zusammen-

^: ■--■"""" Setzung an den Zonengrenzen Risse, die aufgrund von Spannungen entstehen.

-50. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren

zur Herstellung von Hartmetallverbundkörpern verschiedener Zusammensetzung anzugeben, welches die Nachteile der "bis-■■" - herigen Verfahren nicht besitzt.

BAD ORiGiNAL

— .5 —

S09838/0218

Diese Aufgabe wird dadurch, gelöst, daß der bereits gesinterte Kernkörper in den vorgepreßten Mantelkörper eingesetzt und danach der Mantelkörper durch Sintern auf den Kernkörper aufgeschrumpft wird. Vorteilhafterweise schrumpft man den Mantel beim Sintern mehr auf den Kern auf als das Übermaß der I'iantelöffnung zu dem Kerndurchsesser ausmacht. Die Querschnitte, die Mantelöffnung und Kern vor der Sinterung haben, werden so bemessen, daß ein glattes Einschieben des Kerns in den Mantel möglich ist. Der Querschnitt der Z-Iantelöffnung soll jedoch den Kerndurchmesser um weniger als 35 1" überschreiten, vorzugsweise ist er 10 bis 20 fo größer. Weiterhin ist es von Torteil, wenn die geometrischen Abmessungen von Mantel und Kern so gewählt werden, daß die Länge des Mantels vor der Sinterung um soviel

'5 größer als die Länge des Kerns ist, daß nach der Sinterung die Länge des geschrumpften Mantels noch größer ist als die unveränderte Kernlänge. Dadurch wird eine vollständige Umschließung der Kernmantelfläche durch den Mantelkörper gewährleistet, die in Verbindung mit der Schrumpfung der Mantelkcrperöffnung die Kernrandumschließung ergibt. Derartige Hartiaetallverbundkörper können bei 1250 bis 1450 C, vorzugsweise bei 1300 C, heißisostatisch nachverdichtet werden.

Der besondere Vorteil des geschilderten Verfahrens liegt darin, daß durch Einhaltung der in den Patentansprüchen genannten Schrumpfmaße des Preßteils zum gesinterten Teil überraschenderweise eine innige Verbindung zwischen beiden entsteht, ohne daß schädliche Einflüsse, wie Rißbildung und durchgreifende Diffusionsgänge, auftreten. Da bei der Herstellung von Hartmetallen die Sintertenrperaturen stark von den 3indemittelgehalt und der Größe des eingesetzten Carbides abhängen, erfordern feinkörnige Legierungen mit geringem Co-C-ehalt sehr viel höhere Sintertemperaturen als solche mit grobem Carbidkorn und hohem Go-G-ehält. Dieses Vi'issen macht man sich vorteilhaft zunutze, indem man fein-

- 4 909838/0218

körnige !Legierungen mit geringem Oo-G-ehalt'als Kernmaterial und Legierungen mit grobem Carbidkorn und "hohes Co-Gehalt als Mantelmaterial einsetzt. Durch. Λ die vorliegende Erfindung kann somit jedes Hartmetall 5 des Verbundkörpers bei optimaler Temperatur gesintert -,- ■■/"'"■- ^ierdenV Der Verbund des Plartmetalles kommt erst bei den. V Temperaturen zustande, bei denen der Mantelkörper auf- : -;. --geschrumpft ist; folglich, bei niedrigeren Temperaturen ■ "."·■"■"-".- als sie für die Sinterung des 'Kernmaterials notwendig 10 ^; : sind ν ,;■--.. - ■■-"..-

. ¥ä>ilt man die geometrischen Ausmäße von Körper und Hart— ""■.^-".■.""'■^v"--;."in&t.all-"-nacli--den Patentansprüchen, so erreicht man eine -,.■ Umfassung des Kernrandes, wobei, z.B. bei der Anferti- : ■-;.."-".. gung ν on. rohrartigen Yerbundkörpern die Bohrung des 15: -'Böhrkernkörpers vorteilhafterweise beidseitig geöffnet V/;;-bleibt, ·:'"-... \

^- Es ist jedoch auch möglich, von einem einseitig offe- : _:nen Preßkörper auszugehen, wobei in der verbleibenden "-;. Öfiriurig der gesinterte Kern eingelegt wird und die Man-2C -¹ telfladhen eine über das Mantellängen-Schrumpfungsmaß V; - binausgehrende länge besitzt. Als Ergebnis wird eine ;_:; gezielte Umschließung des Kernrandes erreicht,, die al-/■;.- : lein durch die Differenz Kernmaß - Mantelkörper-Schrumpfungsmaß bestimmt wird und exakt einstellbar ist.

25 ' Will man die Eestigkeitswerte des Hartmetallkörpers noch : steigern, so bietet sich eine isostatische Heißnachver-⁷;"-.."■. diclitung an,/die in einem Temperaturbereich von 1250 bis 1450 Q, vorzugsweise bei Temperaturen um 1300⁰G erfolgt, damit-Diffusionsabläufe in der Go-Phase so klein wie mög-30 ;^: lieh; gehalten werden.

.Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind ■--■; in den Zeichnungen dargestellt, und zwar zeigt jeweils . f ; im Querschnitt

90983870ΖΊ!

Fig. 1a einen rohrförmig stranggepreßten und anschließend gesinterten Kernkörper,

Fig. 1t> einen Mantelpreßling und

■Fig. 1c das aus Hartmetallkern und Hantelpreßling nach dem Sintern vorliegende Hartmetallverbundteil,.

Fig. 2a einen gesinterten Kernstift,

Fig. 2b einen einseitig geöffneten Mantelpreßling und

Fig. 2c das aus Kern und Kantelpreßling durch Sintern hergestellte Hartmetallverbundteil·«

In Jig. 1 ist ein rohrförmiger stranggepreßter und anschließend gesinterter Kernkörper der Zusammensetzung 94/~i vvG, S$ Co, Ausgangskorngröße im Mittel"1,2 /um, im folgenden Legierung 1, mit den Maßen d.. und 1.. dargestellt. Dieser Kernkörper wird in einen stranggepreßten und anschließend entwachsten Mantel der Zusammensetzung 90;o V/Ό, IO7S Go, Ausgangskorngröße im Mittel 4/um, im folgenden legierung 2, mit den Maßen dp und Ip (Fig.1b) so eingelegt, daß sich nach Fertigsinterung des Verbundkörpers, wie in Fig. 1c dargestellt, der Kernkörper in der Kitte des Außenmantels befindet, der die Länge 1, besitzt. Das Haß d^ (2.76 mm) der Mantelöffnung war um 20$ größer als das Maß d.. (2.3 mm) des Kernes. Das durch den Sinterprozeß erzielte Schrumpfmaß des Mantels beträgt 35?°. Die durch den Sintervorgang des Verbundkörpers erzielte Um-Schließung U des Kernrandes rührt daher, daß sich der Kerndurchmesser d, während des Sintervorganges für den Verbundkörper nicht ändert, während das Schrumpfmaß des Mantels das Übermaß d.er Mantelöffnung übersteigt. Bezeichnet Ip die Länge des Mantelpreßlings vor dem Sintern, I^ die Länge des fertiggestellten Verbundkörpers und I^ die

909838/0-23

Länge des gesinterten Kerns, so gilt folgende Beziehung: 1_ > 1, > 1^» Durch die Schrumpfung des Mantels während der Sinterung des Verbundkörper "bleibt demnach die länge des Mantelkörpers größer als die Kernlänge. Bei dem in Fig. 1 gewählten konkreten Ausführungsbeispiel betrug das Maß 1^108 mm, 1^=80 mm und 1.. =72 mm. Als Überstand des Mantels ergeben sich also 4 mm. Dieses Maß des Überstandes ist im Prinzip frei wählbar, je^ch sollte 1 mm nicht unterschritten werden, um gute und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.

Die Verbindung zwischen Kern- und Mantelkörper erwies sich als fehlerfrei, die Eigenschaften der eingesetzten Legierungen bleiben, wie nachstehende Tabelle beweist, weitgehend erhalten:

einzeln gesintert im Verbundkörper

Legierung 1 1550 1502

Legierung 2 1295 1315

Der Verbundkörper weist darüber hinaus sehr gute Zähigkeitseigenschaften auf, die im Mittel sogar über der - Grundbiegefestigkeit der Ausgangslegierungen liegen? So- betragen die Soll-Biegefestigkeiten der Legierungen 1 und 2 150 daii/mm und 220 daN/mm , während als Biege-

festigkeit des Verbundkörpers 234 daN/mm erzielt werden.

.Man erhält somit einen Verbundkörper, der im abriebbean— spruchten Gebiet, z.B. bei Bohrungen, sehr verschleißfest ist, aber im übrigen die Festigkeitseigenschaften eines zähen Hartmetalles aufweist. Als Einsatzgebiet bietet sieh u.a. die garnherstellende Industrie an, wo dieses '!eil als Lauf zapf en verwendet werden kann. ·

- 7 909838/02U

Anhand von Fig. 2 soll das erfindungsgemäße Verfahren für einen Verbundkörper beschrieben werden, der aus einem einseitig geöffneten, gepreßten Mantelkörper und einem gesinterten Kernkörper hergestellt wird. . Der gesinterte Kernstift war mit einem einseitigen, abgerundeten Kegel versehen und hatte den Durchmesser d.'= 3.2 mm und die Länge 1> = 17 mm. Die Legierung bestand aus 94 f° WG und 6 $> Go mit einer WC-Ausgangskorngröße von 1.2 /UXB.. Der Kernstift wurde bei einer Temperatur von 1540 G gesintert.

Der in Pig. 2b dargestellte einseitig geöffnete, ge-' preßte Mantelkörper mit der Legierungszusammensetzung 92 fo ¥0, S fo Go und einer WC-Ausgangskorngröße von 3,5/um hatte eine dem Kernkörper entsprechende Form, wobei die Maße lediglich um das Preßaufmaß vergrößert wurden. Die Ausnahmetiefe 11 betrug 21,8 mm, die Öffnung der eingepreßten Ausnehmung dl = 3.6 mm Durchmesser. Das Verhältnis Ausnehmungsöffnung dl zum Kerndurchmesser dJ war somit 1.125. Das Preßlingsaufmaß wurde mit 20 fo eingestellt. Nach der Sinterung des Verbundkörper bei 1420 C konnte wiederum eine gute Umschließung des Kernrandes festgestellt werden. Die Länge IJL des Mantelkörpers nach der Sinterung betrug 13,2 mm, so daß sich ein Überstand von 1.2 mm ergab.

Beide Körper waren ohne Risse miteinander verbunden, wobei die Eigenschaften der Legierungen 1 und 2 wiederum nur unwesentlich verändert waren.

IiLt den so· hergestellten Stiften aus Verbundhartmetall wurden Schlagbohrkronen zum Bohren von Gestein bestückt und unter härtesten Abtriebsbeanspruchungen getestet. V/'ährend mit nach bekannten Verfahren gefertigten Hartmetall-Verbundstiften eine Gesamtlebensdauer der Bohrkronen von im Mittel 320 m erreicht wurde, konnten mit den erfindungsgemäß hergestellten Verbund-Hartmetall-

909838/0218

"■--: stiften. Standlängen der "Bohrkrone von im Mittel 430 m ■"■ -.'"-Λ ■-.- erzielt werden. Dieses zeigt wiederum, wie gut die : '-_''- -■-:.". Eigenschaften der eingesetzten Hartmetall-Legierungen ".""."'"--^;"r ■":■" erhalten "bleiben, wenn das Verbundhartmetall nach der 5 -beschriebenen Verfahrensweise hergestellt wird.

-".."; ^:~ ------- Darüber hinaus bietet sich'die Herstellung von Ringen .,.

. --"; ν an,: :die^; aus einem Kernring und einem Mantelring bestehen. -"-\-^:. Die nach dem erfindungsgemäßen "Verfahren hergestellten

^: -■"■'■■ "-.".Hinge zeigen eine zwischen dem Mantel und dem Kern ein-/JO ■".-"■:.·-. wandfreie Verbindung bei einer scharf zwischen den Le- -" ■" ■;: gierungen ausgebildeten G-renze.

_:; Ebenso ist es denkbar, die Erfindung auf einen G-rund- - Jcörper aus-zähem Hartmetall, der mit mehr.eren Bohrungen

zur -iiifnahms der harten Kernkörper yersehen ist, zu //5": übertragen« !lach Sinterung des Verbundkörpers werden 'j-- -die Kernkörper an den Rändern fest umschlossen und ein

_fehlerfreier Verbund zwischen den einzelnen Körpern erv' '■■'■'.■':■ zielt. ■"■""■■■ \

9098 38/0218

Leerseite

Claims

"-Tö/tfs

Patentansprüche :

1,:Verfahren zur Herstellung von Hartmetall-Verbundkörpern, bestehend aus einem Kern und einem Mantel,.-aus verschie- \denen Hartmetalle-Legierungen,. dadurch gekennzeichnet, : daß der bereits gesinterte Kernkörper in den vorge-

: ,preßten Mantelkörper eingesetzt und anschließend der ^:- -Kantelkörper durch Sintern auf den Kernkörper aufge-./,-schrumpft wird, -....."

.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -/ der Querschnitt der Mantelöffnung vor der Sinterung min-/ ^: destens. so groß bemessen wird, daß ein Einschieben des \ ;"-.·.^: Kernes möglich ist und daß er das Maß des Kerndurchmes- -Sers; um-nicht mehr als 35 ^ übersteigt.

3./ Verfahren nach Aiisprüehen 1 bis 2, dadurch gekennzeich- : net, daß der'Querschnitt der Mantelöffnung vor dem Sin- .--■;'-.'.t&rn 10 fo bis .20 7& größer ist als der Kerndurchmesser.

\4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß V ein Kern mit der Länge (I₁) in einen Mantel der größeren ■'" -Längs._'_:(;1 ρ); eingeschoben und anschließend gesintert wird

und daß na,ch der Sinterung die Länge des Mantels (1·,) ."-.' gröißer; 1st als die unveränderte Kernlänge (I₁).

:p>./Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -; -der^:Hartmetallkörper nach der Sinterung bei 1250 bis : ^1450 P, "vorzugsweise 1300 C, heißisostatisch nachver-/;:-dicktet, wird"". '

909856/0216