DE3519710C2

DE3519710C2 -

Info

Publication number: DE3519710C2
Application number: DE3519710A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. 7515 Linkenheim De Heinzel; Hossein Dr. 7500 Karlsruhe De Keschtkar; Ingeborg 6729 Woerth De Schub
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-06-01
Filing date: 1985-06-01
Publication date: 1987-06-25
Also published as: EP0204067A1; DE3519710A1; DE3662153D1; US4661155A; JPS6230841A

Description

Die Erfindung betrifft Formkörper aus gesintertem Bor karbid und einer Bindemetallphase nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Borkarbid ist gegen Sandstrahlen besonders widerstandsfähig. Dadurch eröffnen sich für borkarbidhaltige Sinterkörper gewisse Anwendungsmöglichkeiten, wobei allerdings die gerin ge Bruchfestigkeit derselben zu berücksichtigen ist. Bei einem Vergleich der Verschleißwerte von Hartmetallen und Hartstoffen, bestimmt nach der Sandstrahlmethode, ist der Verschleißwert eines Sinterkörpers mit 95 Gew.-% Borkarbid (20 Gew.-% C) und 5 Gew.-% Fe gegenüber den Verschleißwerten von Sinterkörpern aus WC-Co oder TiC-Fe-Cr oder TiC-VC-Fe-Ni der niedrigste (R.K. Kieffer, P. Schwarzkopf "Hartstoffe und Hartmetalle", Springer-Verlag 1953, Seiten 524 und 525). An anderer Stelle dieser Druckschrift (Seite 327) wird erwähnt, daß Versuche, Borkarbid mit zähen Metallen abzubinden, ge scheitert seien.

Werden B₄C-Partikel mit Pulver der bekannten Bindemetalle Cobalt oder Nickel gesintert, so kommt es zu unerwünschten chemischen Reaktionen und zur Bildung von weiteren Phasen, beispielsweise von Boriden. Hierdurch können durch die un terschiedlichen Eigenschaften der bereits vorhandenen und der sich bildenden Phasen bereits beim Abkühlen Risse und Lücken im Formkörper entstehen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Formkörper aus B₄C vorzustellen, bei welchen die Festigkeit, insbesondere die Zähigkeit gegenüber Formkörpern aus reinem B₄C erhöht ist und die sich für Schneid- oder Schleifwerkzeuge oder für Anwendungen, bei denen mechanischen Verschleißbelastungen oder hohen Flächenpressungen begegnet werden muß, wie z. B. bei Düsen, besonders gut eignen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein einfaches Verfahren zur Herstellung solcher Formkörper bereitzustellen. Mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren sollen Schneiplättchen für spanabhebende Bearbeitung oder andere Formkörper für Werkzeuge zum Schleifen, Honen, Reiben etc. von Metallen, insbesondere Nichteisenmetallen, von Hartmetallen, von Keramiken und von Gläsern hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 3 offenbarten Merkmale und Maßnahmen gelöst.

In der DE-OS 21 01 186 wird zwar ein Werkstoff für Strang preßmatrizen, bestehend aus fein verteiltem Molybdän und/oder Wolfram sowie hochschmelzenden nichtmetallischen Komponenten vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die nicht metallischen Komponenten im wesentlichen frei von Sauerstoff sind und ihr Anteil 2 bis 60 Vol.-%, vorzugsweise 8 bis 40 Vol.-%, beträgt und in einer von vielen Ausführungsvari anten B₄C als nichtmetallische Komponente enthält, doch werden dort keine Formkörper mit wenigsten 65 Vol.-% B₄C angesprochen, bei deren Herstellung trotz des hohen Sinter temperatur-Bereiches noch keine schmelzflüssige Phase auf tritt.

Das Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäß An spruch 1 oder 2 ist in den Kennzeichen der Ansprüche 3 bis 5 beschrieben.

Die Herstellung der Werkstoffe nach der DE-OS 21 01 186 er folgt zwar durch Mischen der Ausgangspulver, Feinstmahlen, Pressen und Sintern bzw. Heißpressen, doch wird das Einhal ten bestimmter Verfahrensbedingungen dort nicht offenbart.

Mo und W gehören zu den Metallen mit geringen Bildungswärmen sowohl der Metallboride als auch der Karbide. Der niedrigste Schmelzpunkt eines Mo-Borids liegt mit 1950°C, entsprechend 0,75 · T _Schm, bereits im Sinterbereich von Mo. Um ein feinkörniges Sintermaterial zu erhalten, wird das B₄C mit Kohlenstoff dotiert. Im Falle eines Vorpressens kann der Preßling auf die Sintertemperatur erhitzt und danach in die Matrize eingeführt werden. Die Sintertemperatur liegt bei Kohlenstoffdotierung in der Nähe des oberen Be reichswertes. Das Heißpressen von Mo- und B₄C-Pulvern er folgt bei Temperaturen, bei denen beide Materialien ver dichtet werden, aber noch keine schmelzflüssige Phase auf tritt. Das Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die verhältnismäßig schnelle Ausführung des Heißpressens, bei welcher auch noch ein noch so geringer Anteil des Metall pulvers im Pulvergemisch als metallische Phase im Formkörper- Produkt erhalten bleibt und die B₄C-Partikel einbettet.

Es wurden Formkörper hergestellt: mit 5 Vol.-% Mo (ent spricht 20 Gew.-%) und 95 Vol.-% B₄C; mit 15 Vol.-% Mo und 85 Vol.-% B₄C; und mit 35 Vol.-% Mo (entspricht 80 Gew.-%) und 65 Vol.-% B₄C.

Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper zeigen im An schliff deutlich die Trennung der eingebetteten B₄C-Partikel (B₄C dunkel, Mo hell) von dem umgebenden Mo-Bereich. Diese Unterschiede werden auch bei den Aufnahmen im Rasterelektro nenmikroskop und einem Röntgenscan des gleichen Ausschnitts bestätigt. Mit der Röntgen-Feinstrukturanalyse läßt sich das metallische Mo in den Preßlingen nachweisen. Die eindeutige Trennung von B₄C-haltigen Bereichen und Mo-haltigen Zwi schenschichten mit Stärken bis herunter zu 3 µm wurde nach gewiesen.

Im folgenden wird ein Durchführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Mittels einer semiisostatischen Heißpresse mit einer Druck kraft von ca. 80 kN wurden Preßlinge gesintert. Es wurden Formkörper hergestellt und getestet, die Mo-Anteile enthiel ten zwischen 5 Vol.-% und 35 Vol.-%. Dazu wurden die homogen gemischten Pulver aus Molybdän (37-140 µm) und Borkarbid (0,1-1360 µm) in eine Graphit-Matrize eingefüllt. Mit von zwei Seiten beweglichen Stempeln wurden unter Druck von 10 bis 30 MPa und bei Temperaturen von 1850°C-2000°C vier eckige und runde Plättchen hergestellt.

Die Aufheizgeschwindigkeiten betrugen zwischen 100 und 200 K/min. Die Haltezeiten lagen zwischen 10 und 20 min. Die Abkühlgeschwindigkeiten lagen im Bereich von 100-200 K/min.

Das Preßverfahren ließ jedoch noch wesentlich höhere Abkühl geschwindigkeiten zu.

Die so entstandenen Formkörper wurden in einen Werkzeugauf nehmer eingespannt und in Stahlhalter einer Drehbank be festigt. Mit den Schneidplatten wurden verschiedene Stähle, auch Austenite, spanabhebend bearbeitet.

Im optischen Vergleich mit einer TiN beschichteten Hart stoffschneidwendeplatte war die Verschleißfestigkeit der Formkörper mit 10 bzw. 15 Vol.-% Mo viel besser.

Mit derselben Anordnung wurde Al₂O₃ bearbeitet, wobei sowohl großflächig abgetragen werden konnte, als auch Schnitte erzielt wurden. Außerdem ließen sich TaC- und TiN-Oberflä chen abtragen.

Claims

1. Formkörper mit hoher Härte und hoher Zähigkeit für die Bearbeitung von Metallen, Hartmetallen, Keramiken und Gläsern aus gesintertem Borkarbid und einer Bindemetall phase aus Molybdän und/oder Wolfram, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die aus Molybdän und/oder Wolfram bestehende Binde metallphase einem Volumen-Anteil des Formkörpers im Bereich von 5 bis 35 Vol.-% entspricht und
b) das B₄C, undotiert oder mit Kohlenstoff bis 2,0 Gew.-% des Formkörper-Gewichtes dotiert, in einem Volumen-An teil von wenigstens 65 Vol.-% bis 95 Vol.-% im Formkörper enthalten ist.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bindemetallphasen-Anteil im Bereich zwischen 10 und 15 Vol.-% des Formkörper-Volumens liegt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) B₄C-Partikel von Korngrößen im Bereich von 1 µm bis 1650 µm mit metallischem Pulver aus Mo und/oder W in einer Korngröße zwischen 35 µm und 100 µm homogen gemischt werden,
b) das Pulvergemisch in eine Graphit-Matrize eingefüllt wird,
c) das Pulvergemisch auf eine Temperatur im Bereich von 1800°C bis 2000°C erhitzt, bei einem Druck von 100 N/mm² bis 300 N/mm² und einer Preßdauer zwischen 5 und 20 Minuten oder durch Schlagverdichten unter Schutz gas-Atmosphäre endverdichtet wird,
d) danach mit einer Kühlrate zwischen 100 K/min und 200 K/min abgekühlt wird, wobei
e) die Dauer des Aufheizens und Abkühlens insgesamt die Dauer des Pressens nach Schritt c) nicht übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch aus Schritt a) 0,1 bis 2,0 Gew.-% aktivierter Kohlenstoff, bezogen auf das Produktgewicht, vor Schritt b) homogen zugemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der endverdichtete Preßling heiß aus der Matrize ausgestoßen und anschließend abgekühlt wird.