DE3815648A1 - Hochdichter keramischer sinterkoerper auf metallborid-basis - Google Patents

Hochdichter keramischer sinterkoerper auf metallborid-basis

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Description

Die Erfindung betrifft einen keramischen Sinterkörper auf Metallborid-Basis mit hoher Dichte, welcher sich als Material für ein Schneidwerkzeug für Holzarbeiten oder verschleißfeste Stoffe eignet.
Als Material für Schneidwerkzeuge wurde hauptsächlich Wolfram­ karbid verwendet, jedoch zeichnet sich hier eine Knappheit der Rohstoffe ab. An Stelle von Wolframkarbid werden daher in zu­ nehmendem Maße Sinterkörper auf Metallborid-Basis wie bei­ spielsweise Titandiborid verwendet.
Sinterkörper aus Metallborid haben eine hohe Wärmefestigkeit, eine hohe Oxydationsbeständigkeit, sind bei hoher Temperatur sehr fest und hart und lassen sich aus natürlichen Resourzen erhalten, sind jedoch schwierig zu sintern und haben geringe Biegefestigkeit als Schneidwerkzeug.
Die Erfinder haben bereits Bindemittel zum Zweck der Verbesserung der Sinterfähigkeit und der Biegefestigkeit von Sinter­ körpern auf Metallborid-Basis vorgeschlagen (Japanische Ver­ öffentlichung der geprüften Patentanmeldung SHO56-41 690, Japanische Veröffentlichung der geprüften Patentanmeldung SHO56-45 984, Japanische Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung SHO54-72 779, Japanische Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung SHO56-23 246 und Japanische Ver­ öffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung SHO56-32 379), wobei durch jedes der Bindemittel Wirkungen bis zu einem Grad erzielt wurden. Daher haben die Erfinder die Entwicklungen weitergetrieben, um die Wärmefestigkeit, die Härte und die Biegefestigkeit zu verbessern, wobei ein Material gefunden wurde, bei welchem wenigstens ein Metallmonoborid oder Metall­ diborid von Ti, Cr, V, Ta, Nb, Mo, Hf, Al und Zr der Grund­ bestandteil ist, wenigstens einer der aus Metallkarbid und Metallnitrid ausgewählten Metallbestandteile sich mit dem Grundbestandteil verbindet und dann gesintert wird (Japanische Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung SHO57-42 578).
Das Material zeigt eine zufriedenstellende Eigenschaft als verschleißfestes Werkzeug, besitzt jedoch als Schneidewerkzeug für Holzarbeiten nur eine ungenügende Zähigkeit. Daher wurde ein Karbo-Titan-Nitrid mit Keramikzusatz entwickelt (Japanische Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung SHO61- 97 169). Für einen weitgehenden Gebrauch als Schneidwerkzeug war es jedoch weiterhin erforderlich, die Stoßfestigkeit zu verbessern.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen stoßfesten keramischen Sinterkörper auf Basis von Metallborid zu schaffen, welcher als Schneidwerkzeug oder verschleiß­ festes Werkzeug in weitem Umfang verwendbar ist.
Nach eifrigem Studium aller Möglichkeiten, einer Metallborid- Keramik die gewünschte Stoßfestigkeit zu verleihen, wurde festgestellt, daß es erforderlich ist, die Zähigkeit zu ver­ stärken und grobe Körner oder Poren zu entfernen, welche bei der Verbesserung der Verschleißfestigkeit nachteilig sind. Daher wurde als Rohmaterial feinkörniges Metallborid-Pulver hergestellt und versucht, einen geeigneten Sinterkörper her­ zustellen. Feinkörniges Metallborid-Pulver oxydierte jedoch sehr leicht, die Poren vergrößerten sich und die Stoßfestigkeit ließ sich auf diese Weise nicht verbessern. Daher mußte ein Zusatzmittel mit desoxidierender Wirkung gefunden werden, wobei sich herausgestellt hat, daß ein Karbid und ein Karbo-Nitrid die gleiche desoxidierende Wirkung besitzt wie ein Dikarbid und ein Dikarbonitrid. Bestätigt hat sich auch, daß die Stoßfestig­ keit durch Desoxidation verbessert wurde.
Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer keramischer Sinter­ körper auf Metallborid-Basis mit hoher Dichte dadurch, daß er im wesentlichen aus folgenden drei Komponenten besteht:
  • (A) einer der Verbindungen TiB₂, ZrB₂, HfB₂, TaB₂, NbB₂, MnB₂, MoB₂, YB₂, AlB₂, MgB₂, CrB, VB, TaB, NbB, MoB, HfB, YB, ZrB, HfB, TiB, MnB, W₂B₅ und Mo₂B₅,
  • (B) einem Metallbinder, bestehend aus wenigstens einem der Boride Kobaltborid, Nickelborid und Eisenborid, und
  • (C) 0,1 bis 10 Gew.-% auf eine Gesamtmenge von wenigstens einem Ti, Zr, W und C enthaltenden Dikarbid, einem TiCn entfernenden und Ti, Zr, Hf und C, N enthaltenden Karbonitrid oder Dikarbonitrid.
Die Hauptkomponenten eines erfindungsgemäßen Sinterkörpers sind folgende:
Die Komponente (A) ist ein Metallborid, ausgewählt aus Metall­ diboriden wie TiB₂, ZrB₂, CrB₂, VB₂, TaB₂, NbB₂, MnB₂, MoB₂, HfB₂, YB₂, AlB₂, MgB und ZrB, aus Ketal Monoborid wie CrB, VB, ZrB, TaB, NbB, MoB, HfB, YB, AlB, MgB und aus Dimetall-Pent­ borid wie W₂B₅ und Mo₂B₅. Diese Metallboride werden einzeln oder in Kombination von mehr als zwei verwendet.
Als Komponente (B), d. h. als Bindemittel für einen erfindungs­ gemäßen Sinterkörper, verwendet man beispielsweise Kobaltborid wie CoB, Co₂B, Co₃B, Nickelborid wie NiB, Ni₂B, Ni₃B und Ni₄B₃ sowie ein Eisenborid wie FeB oder Fe₂B. Diese Metallkomponenten werden einzeln oder in Kombination von mehr als zwei verwendet.
Die Zusatzmenge an Metallkomponenten für ein Bindemittel wird in der Größenordnung 0,1 bis 10 Gew.-% auf Basis der gesamten Menge einer Rohmaterial-Zusammensetzung ausgewählt. Die ge­ wünschte Feinporigkeit und Dichte zeigt sich bei der Zusatz­ menge von weniger als 0,1 Gew.-% und die Oberflächenatmung des Keramikkörpers beim Sintern zeigt sich auch in der Zusatzmenge von mehr als 10 Gew.-%, so daß es keinen Grund gibt, mehr Metall­ komponente zuzusetzen.
Es ist jedoch erforderlich, ein oder mehr als zwei eines Di­ karbids, eines Karbo-Nitrides und eines Dikarbonitrides der aus den vergangenen Komponenten (A) und (B) bestehenden Grund­ komponente zuzusetzen.
Verwendet werden Dikarbide von Ti, Zr, Hf oder W und C, wobei das Atomverhältnis dieser beiden Metalle in der Größenordnung von 1 : 9 - 9 : 1 liegen.
Das Dikarbid enthält auch Ti, Zr, Hf oder C und N, wobei das Atomverhältnis dieser beiden Metalle 1 : 9 - 9 : 1 beträgt. Bei Verwendung eines Dikarbonitrides beträgt das Atomverhältnis C/N 1/9-9.
Bei Dikarbonitrid mit einem Atomverhältnis C/N von weniger als 1/9 ergibt sich die gleiche Wirkung wie bei Dinitrid. Bei Di­ karbonitrid mit einem Atomverhältnis C/N von mehr als 9 ergibt sich die gleiche Wirkung wie bei Dikarbid und die Zusatzwirkung wird bei Dikarbid auch die gleiche. Außerdem ist die Größen­ ordnung von 1/9-9 bei zwei Metallen des Metall-Atomverhält­ nisses M/M am meisten erwünscht.
Karbonitrid von Zr und Hf mit einem Atomverhältnis C/N von 1/9-9 ist am vorteilhaftesten.
Die angegebenen Grenzen von 1/9-9 ergeben die gleiche Wirkung bei Karbid und Nitrid.
Das Rohmaterial, bei welchem die vorgenannten jeweiligen Kom­ ponenten auf eine durchschnittliche Korngröße von nicht mehr als 4 µm (vorzugsweise nicht mehr als 2 µm) klassifiziert wurden, eignet sich zur Verwendung für einen keramischen Körper gemäß der Erfindung. Die Mischung aus dem Rohmaterialpulver wird durch ein Verfahren ohne Druck, ein allgemeines Sinter­ verfahren oder ein Heiß-Sinterverfahren unter isostatischem Druck hergestellt.
Beispielsweise wird die Mischung aus dem Rohmaterialpulver in eine Form gepackt, mit einem Druck von 10 t/cm² kalt kompri­ miert, dann unter gesteuertem Druck geformt und weiterhin isostatisch bei einem Druck von 0,5-10 t/cm² verformt. Zur Verformung kann man entweder gesteuerten Druck oder isostati­ schem Druck anwenden und es ist auch möglich, das Schlickerguß- Verfahren anzuwenden. Alsdann wird der Preßling im Vakuum oder in neutraler oder reduzierender Atmosphäre wie beispielsweise in Argon, Wasserstoff und Kohlendioxid-Gasen bei 1300-2000°C (vorzugsweise 1400-1700°C) 30-300 min lang gesintert. Außerdem kann der Preßling unter einem nicht-isostatischem Druck gesintert werden unter einem Druck von nicht mehr als 2 t/cm² in Argongas bei 1200-1700°C, und zwar 5-300 min lang, falls dies erforderlich sein sollte. Bei diesem Verfahren entfällt der allgemeine Sinterprozeß, indem der Preßling in einen Metall­ behälter eingesetzt wird.
Man kann die Rohmaterial-Pulvermischung auch in Formen ein­ packen, welche aus Graphit bestehen, wobei die Mischung dann im Vakuum oder in neutraler oder reduzierender Atmosphäre unter Argon, Wasserstoff und Kohlendioxidgas mit einem Düsendruck von 50-300 kg/cm² bei 1300-2000°C (vorzugsweise 1400-1700°C) 10 bis 20 min erhitzt und gesintert wird.
Nach dem vorgenannten Verfahren läßt sich ein keramischer Sinterkörper auf Metallborid-Basis als Material für verschiedene Arten von Schneidwerkzeugen herstellen.
Der erfindungsgemäße keramische Sinterkörper auf Metallborid- Basis enthält eine genaue Menge der (C)-Komponente wie bei­ spielsweise die verschiedenen Arten von Dikarbiden oder Karbo­ nitriden mit desoxidierender Wirkung gegenüber dem den Haupt­ bestandteil bildenden (A)-Preßling wie beispielsweise TiB₂ und gegenüber der (B)-Komponente wie beispielsweise Kobaltborid als Bindemittel, so daß ein feinpulvriges Metallborid kaum oxidiert wird, wenn es als Rohmaterial verwendet wird, und der Sinterkörper eine feine Struktur, eine geringere Porenzahl und eine hohe Festigkeit besitzt und auch in ausgedehntem Maße als Schneidwerkzeug und verschleißfester Teil mit Stoßfestigkeit verwendbar ist.
Die Erfindung wird des weiteren an Hand des nachstehenden Beispiels erläutert.
Beispiel
Die das Rohmaterial bildenden Pulver wurden durch Klassifizierung der feingemahlenen TiB₂-, TaB₂-, CoB-, (Ti₈Hf₂)C-Pulver auf eine Körnung von nicht mehr als 4 µm durch einen Klassierer erhalten. Die Rohstoffe wurden in einem Verhältnis von 91 Gew.-% TiB₂, 6 Gew.-% TaB₂, 1 Gew.-% (Ti₈Hf₂)C gemischt. Die Pulvermischung wurde in Graphitformen verpackt und unter einem Druck von 200 kg/cm² im Vakuum bei 1500°C 60 min lang gesintert. Der Prozentansatz an Porosität betrug 0,06 Vol.-%, die Zähigkeit betrug 4 MPcm1/2 und die Härte betrug 2400 Hv bei dem fertigen Sinterkörper. Die Resultate dieses Beispiels zeigt Tabelle 1, Nr. 4.
Der gleiche Versuch wurde auch mit den anderen Komponenten durchgeführt. Diese Resultate sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Nummern 1*, 9*, 10* zeigen allerdings Vergleichsbei­ spiele.
Tabelle 1

Claims (1)

  1. Keramischer Sinterkörper auf Metallborid-Basis mit hoher Dichte dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus folgenden drei Komponenten besteht:
    • (A) einer der Verbindungen TiB₂, ZrB₂, HfB₂, VB₂, TaB₂, NbB₂, MnB₂, MoB₂, YB₂, AlB₂, MgB₂, CrB, VB, TaB, NbB, MoB, HfB, YB, ZrB, HfB, TiB, MnB, W₂B₅ und Mo₂B₅,
    • (B) einem Metallbinder, bestehend aus wenigstens einem der Boride Kobaltborid, Nickelborid und Eisenborid, und
    • (C) 0,1 bis 10 Gew.-% auf eine Gesamtmenge von wenigstens einem Ti, Zr, W und C enthaltenden Dikarbid, einem TiCn entfernenden und Ti, Zr, Hf und C, N enthaltenden Karbonitrid oder Dikarbonitrid.
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