DE3721259A1

DE3721259A1 - Method for producing homogeneous metal carbide suspensions in metal melts

Info

Publication number: DE3721259A1
Application number: DE19873721259
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr Graf
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1987-06-27
Filing date: 1987-06-27
Publication date: 1988-04-28

Abstract

The invention relates to a method for producing homogeneous metal carbide suspensions in metal melts, especially as a preliminary stage for producing high-speed steel powders and hard-alloy powders having an increased proportion of wearing material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung homogener Metallcarbid-Suspensionen in Metallschmelzen, insbesondere als Vorstufe zur Erzeugung von Schnellarbeitsstahl- und Hartlegie rungspulver mit erhöhtem Verschleißträgeranteil.The invention relates to a method for Production of homogeneous metal carbide suspensions in Metal melting, especially as a precursor to Production of high-speed steel and hard alloy Powder with increased wear carrier.

Auf konventionellem, schmelzmetallurgischem Wege lassen sich diese Legierungen nicht herstellen, da die Löslichkeit der Carbide in der Schmelze rasch überschritten wird und sich beim Aufbau der Schmelze aus den Elementen inhomogene Carbid suspensionen bilden. Schwierigkeiten bei der Her stellung solcher Legierungen aus carbidüber sättigten Schmelzen ergeben sich aus der Be netzbarkeit der Carbide sowie aus der unterschied lichen Dichte der meisten Carbide gegenüber der HSS-Schmelze, wodurch sich inhomogene Verteilungen ergeben. Eine Ausnahme bildet NbC, das mit 7,9 g/cm³ nahezu die Dichte der Schmelze von ca. 7,5 g/cm³ besitzt.These alloys cannot be produced in a conventional, melt-metallurgical way, since the solubility of the carbides in the melt is quickly exceeded and inhomogeneous carbide suspensions are formed from the elements when the melt is built up. Difficulties in the manufacture of such alloys from carbide-saturated melts result from the wettability of the carbides and from the different density of most carbides compared to the HSS melt, which results in inhomogeneous distributions. An exception is NbC, which at 7.9 g / cm ^{3 has} almost the density of the melt of approx. 7.5 g / cm ³ .

Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, z. B. NbC-Pulver in eine HSS-Schmelze einzubringen, wobei die Weiterver arbeitung wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit im Stranggießverfahren erfolgen soll. Es wurden Versuche gemacht, in die reine Matrixschmelze vor dem Abguß NbC-Pulver einzublasen. In einer Injektionsanlage wird NbC-Pulver mit Stickstoff als Trägergas fluidisiert und über eine Lanze mit Druck in die Schmelze eingebracht. For this reason, it has been proposed, e.g. B. NbC powder to be introduced into an HSS melt, the further ver work due to the high cooling rate in the Continuous casting process should take place. There were attempts made, in the pure matrix melt before casting Blow in NbC powder. In an injection system becomes NbC powder with nitrogen as the carrier gas fluidized and via a lance with pressure into the Introduced melt.

Daß die eingangs erwähnten Leistungssteigerungen möglich sind, konnte nachgewiesen werden durch Ver suche mit mechanisch legierten Schnellarbeits stählen (HSS), denen bei der pulvermetallurgischen Herstellung feinkörniges Carbidpulver zugemischt wurde.That the performance increases mentioned at the beginning possible, could be demonstrated by Ver search with mechanically alloyed high-speed work steels (HSS), which are used in powder metallurgical Production fine-grained carbide powder mixed has been.

Die Produktion derartiger Pulver durch mechanisches Legieren ist allerdings unwirtschaftlich. Für die großtechnische Herstellung werden, wie z. B. in der DE-OS 34 28 022 vorgesehen die Zusatzstoffe bzw. Legierungselemente der Grundschmelze zugesetzt und das hochligierte HSS-Pulver durch Zerstäuben herge stellt. Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in be kannter Weise durch Strangpressen oder heißiso statisches Presse (HIP). Hierzu ist allerdings er forderlich, daß es gelingt, die Überschußcarbide als Teilchen in der gewünschten Größe (0,5 bis 20 µm) direkt in der Schmelze homogen zu suspendieren.The production of such powders by mechanical However, alloying is uneconomical. For the large-scale production, such. B. in the DE-OS 34 28 022 provided the additives or Alloy elements added to the meltdown and the highly ligated HSS powder by atomization poses. Further processing then takes place in be known by extrusion or hot iso static press (HIP). This is what he does required that the excess carbides succeed as particles in the desired size (0.5 to 20 µm) suspend homogeneously directly in the melt.

Die wichtigste Voraussetzung für die Suspendierbar keit der Carbidteilchen ist ihre Benetzung durch die Schmelze. Einige technisch wichtige Monocarbide, wie WC, NbC und VC erfüllen diese Be dingungen unter der Voraussetzung sauberer Ober flächen. Das technisch wie wirtschaftlich interes sante TiC verhält sich in dieser Hinsicht weniger günstig. Es neigt im schmelzflüssigen Grundmaterial zum Agglomerieren mit dem Ergebnis inhomogener Carbodverteilung.The main requirement for the suspendable speed of the carbide particles is due to their wetting the melt. Some technically important ones Monocarbides such as WC, NbC and VC meet these requirements conditions under the condition of a clean upper surfaces. That is technically and economically interesting sante TiC behaves less in this regard Cheap. It tends in the molten base material to agglomerate with the result of inhomogeneous Carbod distribution.

Eine weitere wichtige Rolle spielt die Sedimenta tion infolge der Schwerkraft. Die meisten Grund carbide, wie TiC, WC, TaC haben stark von der Schmelze abweichende Dichten. In nicht bewegten Schmelzen können sie daher aufschwimmen (TiC) oder absinken (WC, TaC usw.), so daß sich wiederum Inhomogenitäten ergeben.The sedimenta also plays an important role tion due to gravity. Most reason carbides, such as TiC, WC, TaC have a lot of that Melt different densities. In not moving They can therefore float (TiC) or melt sink (WC, TaC, etc.), so that in turn Result in inhomogeneities.

In der DE-OS 34 28 022 wird zwar vorgeschlagen, daß man die Zusatzstoffe der Schmelze zuführen solle, es wird auch gesagt welche Zusatzstoffe dafür vorstellbar sind, und es wird darüber hinaus die Einbringung mit Hilfe eines Trägergases vorge schlagen. Die Frage, wie man für bestimmte Carbide trotz der obengenannten Schwierigkeiten zu homo genen Suspensionen kommt, wird in dieser Schrift jedoch gar nicht erst gestellt. In DE-OS 34 28 022 it is proposed that the additives should be added to the melt, it is also said what additives for it are conceivable, and it will also be the Introduced with the help of a carrier gas beat. The question of how to look for certain carbides despite the above difficulties to homo gene suspensions comes, is in this document but not at all.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe es gelingt, die Überschußcarbide als Teilchen mit einer Größe von 0,5 bis 20 µm direkt in der Schmelze homogen zu suspendieren und anschließend mit Hilfe von Inert gas zu Pulver zu zerstäuben.The object of the present invention is a To specify procedures by means of which the excess carbides as particles of one size from 0.5 to 20 µm directly in the melt suspend and then using inert atomize gas to powder.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusatzstoffe in Form von Mischcarbiden, insbesondere auf TiC-Basis in die Schmelze eingebracht werden, deren Dichte etwa der der Schmelze entspricht und die eine gute Benetzbarkeit aufweisen. TiC bildet z. B. mit WC über einen weiten Konzentrationsbereich ein Mischcarbid mit lückenloser Mischbarkeit, so daß zur Schmelze dichtegleiche Mischcarbide herstellbar sind. Diese Mischcarbide zeichnen sich durch gute Benetzbarkeit und hohe Warmhärte aus.According to the invention, the object is achieved by that the additives in the form of mixed carbides, especially on the basis of TiC in the melt are introduced, the density of which is about that of Melt corresponds and which is a good one Have wettability. TiC forms e.g. B. with toilet over a wide range of concentrations Mixed carbide with complete miscibility, so that mixed carbides with the same density for melting are producible. These mixed carbides stand out due to good wettability and high warm hardness.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mischcarbide aus Titancarbid und Wolframcarbid mit ca. 50% Titan- und 50% Wolframanteilen bestehen. Je nach Anwendungsfall der Fertigprodukte, z. B. Werkzeuge für die das Hartmetallpulver die Ausgangsbasis ist, ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Mischcarbide aus Titancarbid und einem oder mehreren Carbiden der Übergangsmetalle bestehen.It is particularly advantageous if the mixed carbides made of titanium carbide and tungsten carbide with approx. 50% Titanium and 50% tungsten components exist. Depending on the application of the finished products, e.g. B. Tools for the carbide powder The starting point is according to the invention provided that the mixed carbides made of titanium carbide and one or more carbides Transition metals exist.

Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver fahrens ist vorgesehen, daß Mischcarbidpulver in eine Blechkapsel bzw. Tauchbüchse gefüllt und dieses unter Vakuum oder Schutzgas in die Vakuum induktionsschmelzanlage eingerührt, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht und elektromagnetisch eingeführt wird. Das Mischcarbidpulver kann dabei lose oder auch in Blockform gepreßt verarbeitet werden. Bei hinreichend sauberen Carbidoberflächen werden die Teilchen benetzt, so daß die Schmelze infolge des Kapillardrucks in das Pulverhaufwerk eindringt und dieses nach einiger Zeit vollständig tränkt. Das anfänglich vorliegende Carbidgerüst löst sich dabei unter dem Einfluß der eindringenden Schmelze auf. Die einzelnen Carbidteilchen werden nach und nach aus dem Verbund herausgespült und gleichmäßig durch das elektromagnetische Rühren suspendiert.According to an embodiment of the Ver driving is provided that mixed carbide powder in filled a tin capsule or diving can and this under vacuum or protective gas into the vacuum induction melting system stirred into the prepared melt dipped and is introduced electromagnetically. The Mixed carbide powder can be loose or in Block form pressed are processed. With sufficient The particles become clean carbide surfaces wetted so that the melt due to the Capillary pressure penetrates into the powder pile and this completely soaks after some time. The carbide structure initially present dissolves thereby under the influence of the penetrating melt on. The individual carbide particles are gradually after rinsed out of the composite and evenly suspended by electromagnetic stirring.

Infolge von Oberflächenverunreinigungen kann sich die Benetzbarkeit verschlechtern. Zur Beseitigung dieser Schichten ist nach einer besonderen Ausge staltung der Erfindung vorgesehen, daß das Mischcarbidpulver mit 10 bis 40% Bindemetallpulver, insbesondere Fe-, Co-, Ni- und Schnellarbeitsstahlpulver (HSS), gemischt und im Vakuum gesintert wird, die fertigen Sinterlinge danach dem Sinterofen entnommen, unter Vakuum in die Vakuumschmelzanlage eingeschleust, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht und elektromagnetisch eingerührt werden. Das Mischcarbidpulver kann auch in diesem Falle lose oder in Blockform gepreßt verarbeitet werden. As a result of surface contamination deteriorate the wettability. For elimination of these layers is according to a special dimension staltung of the invention provided that the Mixed carbide powder with 10 to 40% Binder metal powder, in particular Fe, Co, Ni and High speed steel powder (HSS), mixed and in Vacuum sintering, the finished sintered pieces then removed from the sintering furnace under vacuum in the vacuum melting system, into which prepared melt dipped and be stirred in electromagnetically. The Mixed carbide powder can also be loose in this case or pressed in block form.

Alternativ ist nach einer weiteren Ausprägung der Erfindung vorgesehen, daß Tränkkörper mit ca. 60 bis 90% Carbidgehalt durch Infiltrieren von Carbidpulver in Form einer Pulverschüttung oder Carbidpulverpreßlingen mit einem Bindemetall, insbesondere Fe, Co, Ni und Schnellarbeitsstahl (HSS), im Vakuumofen hergestellt werden, die anschließend unter Vakuum oder Schutzgas in die Vakuumschmelzanlage eingeschleust, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht, abgeschmolzen und elektromagnetisch eingerührt werden. Dabei löst sich das anfängliche Carbidskelett des Sinter- oder Tränkkörpers auf. Die einzelnen Carbid teilchen werden aus dem Carbidverbund durch die turbulente Schmelze herausgespült und gleichzeitig suspendiert.Alternatively, after another version, the Invention provided that impregnating body with about 60 up to 90% carbide content by infiltrating Carbide powder in the form of a powder bed or Carbide powder compacts with a binding metal, especially Fe, Co, Ni and high-speed steel (HSS), which are manufactured in a vacuum oven then under vacuum or protective gas into the Vacuum melting system introduced into the prepared melt immersed, melted and be stirred in electromagnetically. The initial carbide skeleton of the Sintered or impregnated body. The individual carbide particles are from the carbide composite by the turbulent melt washed out and at the same time suspended.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Schnellarbeitsstahlpulver mit erhöhten Verschleiß trägeranteil näher beschrieben:Below is an embodiment of the inventive method for the production of High speed steel powder with increased wear Carrier percentage described in more detail:

Im ersten Verfahrensschritt werden die Zusatz carbide vorbereitet, d. h. sie werden durch Tränken oder Sintern vom Bindemetall benetzt. Dies kann in der Art geschehen, daß 8 kg Misch carbid-Pulver (Ti, W) C mit ca. 50% Titan- und 50% Wolfram-Anteil (es handelt sich um Atom-%) mit einer Partikelgröße von 1,5 µm (Mittelwert d₅₀) mit ca. 2 kg Schnellarbeitsstahl-Pulver (HSS) S 6-5-2 (6% W; 5% Mo; 2% V; 4% Cr; 0,9% C; Rest Fe) mit einer Partikelgröße von ca. 50 µm (Mittelwert d₅₀) gemischt und kalt in Rondenform gepreßt werden. Die Preßlinge werden im Vakuumsinterofen unter Hochvakuum (10^-2 mbar) auf 1300°C erwärmt, wobei sie gleichzeitig während dieses Auf heizens vakuumentgast werden. Anschließend werden sie in einer Argon-Atmosphäre von ca. 40 mbar auf ca. 1500°C erhitzt. Die Ronden werden bei dieser Temperatur ca. 30 min gesintert. Sie werden im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend entnommen. Die tatsächliche Dichte der fertigen Ronden liegt bei über 95% der theoretischen Dichte.In the first process step, the carbide additives are prepared, ie they are wetted by the binding metal by soaking or sintering. This can be done in such a way that 8 kg of mixed carbide powder (Ti, W) C with about 50% titanium and 50% tungsten content (it is atomic%) with a particle size of 1.5 microns (Average value d ₅₀ ) with approx. 2 kg high-speed steel powder (HSS) S 6-5-2 (6% W; 5% Mo; 2% V; 4% Cr; 0.9% C; rest Fe) with a Particle size of approx. 50 µm (average value d ₅₀ ) are mixed and cold pressed into a round shape. The compacts are heated in a vacuum sintering oven under high vacuum (10 ^-2 mbar) to 1300 ° C, while they are vacuum degassed during this heating up. They are then heated to approximately 1500 ° C in an argon atmosphere of approximately 40 mbar. The blanks are sintered at this temperature for about 30 minutes. They are cooled in the oven to room temperature and then removed. The actual density of the finished blanks is over 95% of the theoretical density.

Das gleiche Ergebnis wird erreicht, wenn man das oben spezifizierte Mischcarbidpulver (8 kg) als solches kalt in Rondenform preßt, diese Preßlinge im Vakuumsinterofen auf eine keramische Unterlage (Al₂O₃) stellt und mit 2 kg stückigem Schnellarbeitsstahl (HSS) der obengenannten Art überdeckt. Der Ofen wird dann auf ca. 1500°C aufgeheizt, wobei das Carbidpulver entgast wird. Nach Überschreiten der Liquidustemperatur des Schnellarbeitsstahl-Pulvers von ca. 1420°C wird der Mischcarbid-Preßling durch das schmelzende Schnellarbeitsstahlpulver getränkt. Nach einer Haltezeit von ca. 30 min werden die Tränkkörper im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt und entnommen. Auch in diesem Fall wird eine tatsächliche Dichte der fertigen Tränkkörper erreicht, die bei über 95% der theoretischen liegt.The same result is achieved if the mixed carbide powder specified above (8 kg) is cold pressed as such in round form, these compacts are placed in a vacuum sintering oven on a ceramic base (Al ₂ O ₃ ) and with 2 kg high-speed steel (HSS) of the type mentioned above covered. The furnace is then heated to approx. 1500 ° C, the carbide powder being degassed. After the liquidus temperature of the high-speed steel powder has exceeded about 1420 ° C., the mixed carbide compact is soaked in the melting high-speed steel powder. After a holding time of approx. 30 min, the impregnated bodies are cooled to room temperature in the oven and removed. In this case, too, an actual density of the finished impregnating body is achieved, which is over 95% of the theoretical.

Im zweiten Verfahrensschritt werden 90 kg Schnellarbeitsstahlpulver (HSS) des Typs S 6-5-8-5 (6,5% W; 5% Mo; 8% V; 5% Co; 4% Cr; 2,3% C; Rest Fe) im Vakuumofen erschmolzen. Die Temperatur des Ofens und damit der Schmelze wird bei ca. 1600°C konstant gehalten. Mit Hilfe der Feinchargier einrichtung der Schmelzanlage werden die im ersten Verfahrensschritt hergestellten Tränkkörper in den Schmelzkessel eingeschleust, abgesenkt und in die Schmelze eingetaucht. Der Tränkkörper schmilzt ab und die Carbidteilchen werden durch die Rührwir kung der Induktionsspule gleichmäßig in der Schmelze verteilt. Sedimentation oder ein Auf schwimmen der eingebrachten Carbidteilchen tritt nicht auf, da die Dichte des Titan-Wolfram-Misch carbids (Ti_0,5 Wo_0,5) C mit ca. 7,75 g/cm³ praktisch gleich der Dichte der HSS-Schmelze ist. Nach dem Rühren der Schmelze über einen Zeitraum von ca. 15 min Dauer wird die Schmelze im letzten Verfahrensschritt in den vorgeheizten Gießtrichter abgegossen. Der Gießtrichter hat eine Bodenöffnung, durch die die Suspension als feiner Gießstrahl mit einem Durchmesser von ca. 5 mm in den Verdüsungsturm gelangt und dort mit Hilfe von Stickstoff in bekannter Weise zu feinem Pulver verdüst wird.In the second process step, 90 kg of high-speed steel powder (HSS) of the type S 6-5-8-5 (6.5% W; 5% Mo; 8% V; 5% Co; 4% Cr; 2.3% C; rest Fe) melted in a vacuum furnace. The temperature of the furnace and thus the melt is kept constant at approx. 1600 ° C. With the help of the fine batching device of the melting plant, the impregnated bodies produced in the first process step are introduced into the melting tank, lowered and immersed in the melt. The impregnating body melts and the carbide particles are evenly distributed in the melt by the stirring effect of the induction coil. Sedimentation or floating of the introduced carbide particles does not occur, since the density of the titanium-tungsten mixed carbide (Ti _0.5 Wo _0.5 ) C with approx. 7.75 g / cm ^{3 is} practically equal to the density of the HSS Is melt. After the melt has been stirred for a period of about 15 minutes, the melt is poured into the preheated pouring funnel in the last process step. The pouring funnel has a bottom opening through which the suspension reaches the atomizing tower as a fine pouring jet with a diameter of approximately 5 mm and is atomized there with the aid of nitrogen in a known manner to form fine powder.

Das fertige Pulver enthält die zugesetzten Mischcarbidteilchen gleichmäßig in die metallische Matrix eingebunden, d. h. die Carbide liegen im Innern der einzelnen Pulverteilchen gleichmäßig verteilt vor.The finished powder contains the added powder Mixed carbide particles evenly into the metallic Matrix included, d. H. the carbides are in the Evenly inside the individual powder particles distributed before.

Claims

1. Process for the production of homogeneous metal carbide suspensions in metal melts, primarily based on Ni, Co and Fe in particular as a preliminary stage for the production of high-speed steel and hard alloy powder with increased wear and tear, characterized in that the additives in the form Mixed carbides are introduced into the melt, the density of which corresponds approximately to that of the melt, and which have good wettability.

2. The method according to claim 1, characterized characterized in that the mixed carbides Titanium carbide and tungsten carbide with approx. 50% titanium and 50% tungsten.

3. The method according to claim 1, characterized characterized in that the mixed carbides Titanium carbide and one or more carbides Transition metals exist.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that mixed carbide powder into a diving can, and this under vacuum into the vacuum induction melt plant introduced into the prepared melt immersed and stirred in electromagnetically becomes.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Mixed carbide powder with 10 to 40% Binder metal powder, especially Fe, Co, Ni and high-speed steel powder (HSS), mixed and sintered in a vacuum, the finished Sinterlings then removed from the sintering furnace, into the vacuum induction melt under vacuum into the prepared one Melt immersed and electromagnetically immersed be stirred.

6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that impregnating bodies with approx. 60% to 90% carbide content by infiltration of carbide powder in the form of a powder bed or carbide powder compacts with one Binding metal, especially Fe, Co, Ni and High-speed steel, manufactured in a vacuum furnace which are then under vacuum or Shielding gas in the vacuum induction melting plant smuggled into the prepared melt immersed, melted and be stirred in electromagnetically.