DE2826544C2 - Überharter Mischwerkstoff auf der Basis von kubischem Bornitrid - Google Patents

Überharter Mischwerkstoff auf der Basis von kubischem Bornitrid

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Description

Kubisches Bornitrid 50 bis 70
Karbid und Diborid eines
Metalls der IV. oder V. Gruppe
des Periodischen Systems,
vorliegend in dem eutek-
tischen Verhältnis 50 bis 30.
3. Überharter Mischwerkstoff nach den Ansprü- '·" eher. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Karbid und Diborid von Titan oder Vanadium bei deren eutektischem Verhältnis enthält.
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet Oberharter Werkstoffe und betrifft insbesondere einen überharten Mischwerkstoff. Die Erfindung findet im Werkzeugmaschinenbau und anderen Gebieten der Technik, wo man mit dem spanabhebenden Bearbeiten harter Sondergußeisen, gehärteter Stähle und schwer bearbeitbarer Legierungen zu tun hat. Verwendung.
Es ist ein Mischwerkstoff bekannt, der kubisches Bornitrid und ein Erdalkalimetallborid enthält (siehe UdSSR-Urheberschein Nr. 427 583). Bei einem hoch homogenen Gefüge und einer hohen Verschleißfestigkeit weist dieser Mischwerkstoff eine nur geringe Wärmeleitfähigkeit auf, die dazu führt, daß beim Bearbeiten von Stählen und Guteisen mit aus diesem Mischwerkstoff hergestellten Schneidwerkzeugen die Schneidfläche des Werkzeuges sich örtlich erhitzt. Der ir Frage kommende Mischwerkstoff ist außerdem elektrisch nicht leitend, und aus diesem Grunde ist man darauf angewiesen, in der Hochdruckkammer einen Erhitzer aus Kohlegraphit unterzubringen, der viel Platz einnimmt und den Nutzinhalt der genannten Kammer in beachtlichem Maße vermindert und darüber hinaus kein gleichförmiges Temperaturfeld in der Probe bei deren Herstellen gewährleistet.
Es ist ferner ein Mischwerkstoff bekannt, der kubisches Bornitrid und ein Karbid und Borid der Metalle der IV. bis VIII. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente enthaltendes Bindemittel enthält.
Nachteilig ist es bei diesem Mischwerkstoff jedoch, daß er eine nicht unbedeutende Sprödigkeit aufweist, die sowohl bei der Herstellung als auch bei der Anwendung dieses Mischwerkstoffes beispielsweise als Schneidwerkzeug, insbesondere aber bei einer aussetzenden Bearbeitung von Stählen und Gußeisen auftritt. Andererseits ist bei diesem Mischwerkstoff zu bemängeln, daß die als Bindemittel zur Verwendung gelangenden Verbindungen und deren Gemische bei hohen Temperaturen gesintert werden. So ist das Verfahren zum Herstellen des genannten Mischwerkstoffes nur unter einem hohen Druck durchführbar. Dieser Umstand beschränkt die technologischen Möglichkeiten der Herstellung einer Probe größerer Abmessungen sowie verschlechtert technisch-wirtschaftliche Kennwerte des Verfahrens.
Was die US-PS 38 52 078 und DE-OS 27 56 512 betrifft, so wird die Verwendung eines Bindemittels als Eutektikum durch die Tatsache bestimmt, daß dadurch im Gegensatz zu den Einzelverbindungen extrem hohe mechanische Eigenschaften erzielt werden (Biegefestigkeit des eutektischen Bindemittels 950 bis 1000 MPa gegenüber 300 bis 400 MPa sämtlicher Einzelverbindungen, einschließlich jener, die in der DE-OS 27 56 512 angegeber, sind). Die Verringerung der Härte des eutektischen Bindemittels gegenüber den Einzelverbindungen weist indirekt auf eine strukturelle Plastizität hin. In diesem Falle erhöht sich dre für die Zerstörung des Bindemittels erforderliche Arbeit und sinkt seine Sprödigkeit, was bei den Einzelverbindungen bzw. Gemischen mit bevorzugtem Gehalt an einer Komponente ausgeschlossen ist. Die Zusammensetzung ist insgesamt auch durch einen höheren Widerstand gegenüber spröder Zerstörung gekennzeichnet. Gemäß der DE-OS 27 56 512 ist bei der Herstellung einer Zusammensetzung auf der Basis von kubischem Bornitrid die Verwendung einzelner Verbindungen als Bindemittel nicht ausgeschlossen. Die mechanischen Eigenschaften des Compound-Werkstoffes nehmen dabei gegenüber den Compound-Werkstoffen auf der Basis von kubischem Bornitrid und der erfindungsgemäßen eutektischen Bindemittel Melv·v C-Me'v-v B2 erheblich ab.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, durch Auswahl eines entsprechenden Bindemittels einen solchen überharten Mischwerkstoff zu schaffen, der gleichzeitig eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, eine Wärmebeständigkeit und eine herabgesetzte Sprödigkeit besitzt.
Diese Aufgabe wird wie aus den vorstehenden Ansprüchen ersichtlich gelöst.
In den Systemen MelvvC-Melvv B2 werden die erwünschten mechanischen Eigenschaften ausgerechnet bei dem eutektischen Verhältnis der Bestandteile erzielt. Dies läßt sich durch die Besonderheiten des Gefüges eines solchen Bindemittels erklären, und zwar durch seine besondere Dispersität, die unter gleichen Bedingungen der Sinterung einphasiger Bindemittel Me'vv C oder Melv·v B2 oder deren Gemische mit dem kubischen Bornitrid praktisch nicht erreichbar ist. Einem solchen Geiüge des Bindemittels verdankt der erfindungsgemäße Mischwerkstoff eine wesentlich bessere Gesamtheit der physikalischen Eigenschaften, und zwar eine höhere Wärmebeständigkeit, Kerbschlagfestigkeit und Verschleißfestigkeit und eine verminderte Sprödigkeit.
Das Vorliegen des kubischen Bornitrids in einer Menge von unter 28 Gew.-% und des Bindemittels von über 72 Gew.-% erweist sich als ungünstig, da die Verschleißfestigkeit des Mischwerkstoffes zurückgeht, während bei einem Gehalt an kubischem Bornitrid von über 80 Gew.-°/o und an Bindemittel von unter 20
Gew.-% mit Festigkeitseinbußen (eine erhöhte Sprödigkeit eine verminderte Biege- und Druckfestigkeit^ sowie mit einer verminderten Wärme- und elektrischen Leitfähigkeit der Probe gerechnet werden muß.
Vorzugsweise enthält der erfindungsgemäße überharte Mischwerkstoff die Bestandteile in folgenden Gewichtsprozenten:
Kubisches Bornitrid 50 bis 70
Karbid und Diborid eines Metalls
der IV. oder V. Gruppe des
Periodischen Systems, vorliegend
in dem eutektischen Verhältnis 50 bis 30.
Bei dem angegebenen Verhältnis der Bestandteile besitzt der erfindungsgemäße Mischwerkstoff sowohl hohe Fesiigkeits-, also hohe Schneideigenschaften als auch eine gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit
Es ist weiterhin bevorzugt, daß der überharte Mischwerkstoff Karbid und Diborid von Titan oder Vanadium in dem eutektischen Verhältnis enthält.
Mit einem so ^tsammengesetzten Bindemittel können der Druck up.c die Temperatur des Sintervcrgangs wesentlich vermindert werden, wobei hohe mechanische, also Schneideigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit des Mischwerkstoffes beibehalten werden.
Der erfindungsgemäße Mischwerkstoff läßt sich folgendermaßen herstellen.
28 bis 80 Gew.-o/o kubisches Bornitrid und 72 bis 20 Gew.-% Bindemittel werden gemischt, bis eine homogene Masse vorliegt. Die hergestellte Mischung wird zu Briketts gepreßt unrl bei einem Druck von 3500 bis 5500MPa und einer Temperatur von 1673 bis 2173 K gesintert.
Die angegebene Temperatur wird durch das Durchleiten des elektrischen Stromes entweder durch einen Erhitzer aus Kohlegraphit oder unmittelbar durch die Mischung erreicht.
Als Bindemittel enthält der erfindungsgemäße überharte Mischwerkstoff Karbid und Diborid eines Metalls der IV. oder V. Gruppe des Periodischen Systems in dem eutektischen Verhältnis. Das Bindemittel wird in das Pulver des kubischen Bornitrids entweder nach Zerkleinerung der eutektischen Mischung oder als MelvvC und MelvvB2, die in dem eutektischen Verhältnis genommen werden, eingeführt. Dabei soll das Korngrößenverhältnis des kubischen Bornitrids und des Bindemittels in einem Bereich von 0,1 bis 1 bis 1 bis 10 liegen. Eine optimale Befestigung des hochharten Kornes des kubischen Bornitrids im Bindemittel wird, abgesehen von der Adhäsionshaftung, auch durch hohe mechanische Kennwerte des Bindemittels, und zwar durch seine Festigkeit, eine niedrige Sprödigkeit, die dem Ausbröckeln der Körner des kubischen Bornitrids entgegenwirken, ermöglicht. Einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Bindemittels verdankt der erfindungsgemäße- Mischwerkstoff seine hohe Wärmebeständigkeit und gute Schneideigenschaften, weil örtliche thermische Spannungen in der Schneidzone weitgehend aufgehoben sind.
Eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Bindemittels ist insofern vorteilhaft, als der Sintervorgang ohne Einsatz eines Erhitzers mit dem Durchleiten des elektrischen Stromes unmittelbar durch die Probe erfolgen kann. Daraus ergeben sich eine Vergrößerung des Probenvolumens sowie bessere Schneideigenschaften der Sinterlegierung.
Es stellte sich heraus, daß in der gesinterten Mischung Melv-vC—Melv-VB2 oder der entsprechenden feinverteilten zweiphasigen Mischung der eutektischen Zusammensetzung das Bindemittel eine wesentlich geringere Härte aufweist, beispielsweise die Härte des Bindemittels für das System TiC-TiB2 auf 13 000 bis 15 000 MPa zurückgeht, während sie für TiC und TiB2 30 000 MPa beträgt. Mit der Abnahme der Härte des Bindemittels wird der erfindungsgemäße Mischwerkstoff im allgemeinen plastischer, d.h. weniger spröd. Gleichzeitig erreicht die Biegefestigkeit des Bindemittels mit σβ=950 bis 1000 MPa ihren Grenzwert, der zwei- bis dreimal so hoch wie die entsprechende Größe bei Einzelverbindungen liegt
Solch eine hohe mechanische Festigkeit wird durch ein feinkörniges Gefüge des Bindemittels, bei dem eine GleJimöglichkeit entlang der Korngrenzen unter Aufhebung der kritischen Spannungen in ihren Konzentrationszonen vorliegt sowie durch eine stark verhinderte Rißverbreitung im Volumen des Mischwerksioffes ermöglicht
Der erfindungsgemäß hergestellte überharte Mischwerkstoff vereinigt den bekannten Sinterhartmetaüen gegenüber eine hohe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine geringere Sprödigkeit in sich.
Durch die Eigenschaften des Bindemittels des erfindungsgemäßen Mischwerkstoffes werden die P-T-Konstanten des Siutervorganges herabgesetzt und die technisch-wirtschaftlichen Kennwerte damit verbessert.
Seispiel 1
80 Gew.-% kubisches Bornitrid und 20 Gew.-°/o zu 40,2 Gew.-% aus TiC und zu 59,8 Gew.-% aus TiB2
;' zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5000 MPa und einer Temperatur von 1973 K unter Verwendung eines Erhitzers aus Kohlegraphit ausgesetzt. Die Zusammensetzung der hergestellten Probe
4" entspricht der der Ausgangsmisrhung. D'e Mikrohärte der Probe liegt bei 52 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei ca. 5,5 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit, ermittelt bei einem 5 min langen aussetzenden Drehen eines gehärteten Stahls, bei 0,11 min.
Beispiel 2
50 Gew.-% kubisches Bornitrid und 50 Gew.-% zu 40,2 Gew.-% aus TiC und zu 59,8 Gew.-% aus TiB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu
'" Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5000 MPa und einer Temperatur von 1973 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt Die Zusammensetzung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei
"'"' 38 000Mpa, die Wärmeleitfähigkeit bei ca. 13 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,08 mm.
Beispiel 3
75 Gew.-% kubisches Bornitrid und 25 Gew.-°/o zu 45
h" Gew.-% aus ZrC und zu 55 Gew.-% aus ZrB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2073 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammenset-
h) zung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 49 000MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei ca.
13 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,10 mm.
Beispiel 4
54 Gew.-% kubisches Bornitrid und 46 Gew.-% zu 45 Gew.-% aus ZrC und zu 55 Gew.-% aus ZrB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2073 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammensetzung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 39 000 K, die Wärmeleitfähigkeit bei 26 W/rtLgrad, die Verschleißfestigkeit bei 0,08 mm.
Beispiel 5
75 Gew.-% kubisches Bornitrid und 25 Gew.-% zu 42 Gew.-% aus HfC und zu 58 Gew.-% aus HFB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2123 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammensetzung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 38 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit be- 24 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,10 mm.
Beispiel 6
42 Gew.-o/o kubisches Bornitrid und 58 Gew.-°/o zu 42 Gew.-°/o aus HfC und zu 58 Gew.-°/o aus HfB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2123 K., ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammensetzung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 38 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 24 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,10 mm.
Beispiel 7
80 Gew.-% kubisches Bornitrid und 20 Gew.-% zu 50 Gew.-% aus VC und zu 50 Gew.-% aus VB2 zusamrr angesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2123 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammensetzung der Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 51 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 4,5 W/nvgrad, die Verschleißfestigkeit bei 0,09 mm.
Beispiel 8
52 Gew.-% kubisches Bornitrid und 48 Gew.-% zu 50 Gew.-% aus VC und zu 50 Gew.-°/o aus VB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2073 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammensetzung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 31 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 11 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,06 mm.
Beispiel 9
61 Gew.-°/o kubisches Bornitrid und 39 Gew.-% zu 34 Gew.-% aus TaC und zu 66 Gew.-°/o aus TaB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt, zu Briketts gepreßt und der Einwirkung unter einem Druck von 5500 MPa und einer Temperatur von 2073 K ohne Einsatz eines Erhitzers ausgesetzt. Die Zusammensetzung der hergestellten Probe entspricht der der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 41000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei ca. 13 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,11 mm.
Beispiel 10
28 Gew.-% kubisches Bornitrid und 72 Gew.-°/o zu 34 Gew.-°/o aus TaC und zu 65 Gew.-% aus TaB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt Die Zusammensetzung der nach dem im Beispie! 9 beschriebenen Verfahren hergestellten Probe entspricht der Zusammensetzung acr Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 30 500MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 22 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,17 mm.
Beispiel 11
64 Gew.-°/o kubisches Bornitrid und 36 Gew.-% zu 45 Gew.-% aus NbC und zu 55 Gew.-% aus NbB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt. Die Zusammensetzung der nach dem im Beispiel 9 beschriebenen Verfahren hergestellten Probe entspricht der Zusammensetzung der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 52 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 4,5 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,10 mm.
Beispiel 12
32 Gew.-% kubisches Bornitrid und 68 Gew.-% zu 45 Gew.-% aus NhC und zu 55 Gew.-% aus NbB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt Die Zusammensetzung der nach dem im Beispiel 9 beschriebenen Verfahren hergestellten Probe entspricht der Zusammensetzung der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 44 000 MPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 7 W/m.grac, die Verschleißfestigkeit bei 0,07 mm.
Beispiel 13
70 Gew.-% kubisches Bornitrid und 30 Gew.-°/o zu 40,2 Gew.-°/o aus TiC und zu 59,8 Gew.-% aus TiB2 zusammengesetztes Bindemittel werden gemischt. Die Zusammensetzung der nach dem im Beispiel 9 beschriebenen Verfahren hergestellten Probe entspricht der Zusammensetzung der Ausgangsmischung. Die Mikrohärte der Probe liegt bei 4SOOOMPa, die Wärmeleitfähigkeit bei 7 W/m.grad, die Verschleißfestigkeit bei 0,07 mm.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Oberharter Mischwerkstoff, der kubisches Bornitrid und ein aus Karbiden und Bonden der ■ Metalle der IV. und V. Gruppe des Periodischen Systems bestehendes Bindemittel einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß er als Bindemittel das Karbid und Diborid eines Metalls aus der IV. oder V. Gruppe des Periodischen Systems bei deren '" eutektischem Verhältnis mit folgenden Gehalten (in Gew>%) an Bestandteilen enthält:
Kubisches Bornitrid 28 bis 80
Karbid und Diborid eines
Metalls der IV. oder V. Gruppe
des Periodischen Systems,
vorliegend in dem eutek-
tischen Verhältnis 72 bis 20.
2. Oberharter Mischwerkstoff nach Anspruch 1, -<> dadurch gekennzeichnet daß er die Bestandteile in
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