DE3830111A1

DE3830111A1 - Legierungspulver

Info

Publication number: DE3830111A1
Application number: DE19883830111
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Chem Dr Marquart; Rainer Dipl Phys Schmidberger; Wolfgang Siebke
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1988-09-05
Publication date: 1990-03-15
Also published as: DE3830111C2

Description

Die Erfindung betrifft metallgebundene Carbide zum Einsatz in Hartmetallwerkstoffen. Solche Werkstoffe sind Ausgangs materialien für hochverschleißbeständige Werkzeuge und Maschinenteile.

Bekannt ist die Herstellung von Hartmetallen aus Wolfram carbidpulvern und Kobaltpulvern durch Mischen, gefolgt von intensiven Mahlvorgängen. Die intensive Mahlung, beispiels weise in Attritoren, führt zur Ausbildung von mechanischen Defekten (Versetzungen) in den Pulverteilchen, die ihrer seits für die Sinteraktivität und das unerwünschte Korn wachstum beim Sintern (auch Riesenkornwachstum) verantwort lich sind. Das so erhaltene Mischpulver wird ausschließlich mit den in der Pulvermetallurgie üblichen Methoden zu Form teilen umgesetzt. Der einfachste Weg ist dabei die Granula tion der Pulver durch Zusatz organischer Stoffe, das Pressen zu porösen Formteilen, gefolgt von einer Sinterung in flüs siger Phase in Vakuum oder in Schutzgasöfen. Beim Sinter vorgang erfolgt die eigentliche Legierungsbildung zwischen Binder und Carbid, indem sich die jeweiligen Gleichgewichts phasen durch Löse- und Diffusionsvorgänge bilden. Die Härte des Sinterteils ergibt sich aus den Eigenschaften der Phasen und ihrer Anordnung, vor allen Dingen der Wolframcarbid- Partikelgröße. Mit abnehmender Partikelgröße ist eine Er höhung der Härte verbunden. Die Größe des Wolframcarbidkorns hängt wiederum vom Ausgangsmaterial ab (W, W-Oxid). Sie läßt sich auch durch Mahlen nur bedingt reduzieren und nimmt während des Sinterns normalerweise durch Umlösevorgänge zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallgebun denes Carbidpulver als Legierungspulver mit einstellbarer Carbidpartikelgröße (0,3 µ bis 3 µ) dergestalt herzustellen, daß die im Pulver vorhandene Mikrostruktur (Carbid-Partikel größe) nach der Sinterung erhalten bleibt.

Gelöst wird diese Aufgabe von einem Pulver mit den in An spruch 1 genannten Merkmalen. Ausführungen der Erfindung, Herstellungsverfahren und Sinterteile sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Legierungspulver hat folgende Vorteile:

- Da das Pulver aus dem Herstellungsprozeß als voll ständig legiertes Pulver anfällt, dessen Phasenzusam mensetzung und Versetzungsstruktur und -dichte weit gehend durch das thermodynamische Gleichgewicht bei der Karburierungstemperatur bestimmt ist, tritt beim Sintern kein Kornwachstum oder Riesenkornwachstum auf. Durch die schwammartige, korallenförmige Pulvermorpho logie ist eine ausreichende Sinteraktivität der Pulver gegeben, so daß bei den üblichen Sintertemperaturen eine ausreichende Verdichtung erfolgt. Die im Pulver agglomerat existierende Hartstoffteilchengröße (0,3 µ bis 3 µ) bleibt bei der Sinterung erhalten.
- Bei der Herstellung können einige zeitintensive Schritte, beispielsweise langwierige Mahlvorgänge, eingespart werden.
- Die Karburierung kann bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden.

Die Herstellung des Legierungspulvers erfolgt in zwei Schritten:

1. Herstellung von Mischoxidpartikeln
2. Reduktion/Karburierung zu Legierungspulvern.

Der erste Schritt erfolgt bevorzugt mit einem Reaktions sprühverfahren (RSV), bei dem eine Metallsalzlösung der gewünschten Stöchiometrie in einem heißen Reaktor verdüst wird (T = 800°C bis 1200°C).

Bei diesem Schritt bilden sich mikrokristalline Mischoxid pulver. Diese Mischoxidpulver zeichnen sich durch homogene Verteilung der Komponenten aus. Die Agglomeratgröße ist sowohl beeinflußbar über die Konzentration der eingesetzten Lösung, die Zerstäubungs- oder Verdüsungstechnik, als auch über die Reaktortemperatur. Die Agglomerate (∼ 3 bis 40 µ) setzen sich aus Primärkristalliten mit einer Korngrößen verteilung zwischen 0,3 µ und 3 µ zusammen.

Der zweite Schritt, die Reduktion/Karburierung der Misch oxide wird mit karburierenden Gasen oder Gasmischungen oder Kohlenstoff durchgeführt. Dazu eignen sich besonders gut Drehrohröfen oder Wirbelschichtreaktoren, die ein Zusammen backen verhindern. Dieser Schritt kann aber auch in einer Schüttung durchgeführt werden.

Die Verarbeitung der Pulver erfolgt nach den für Hart metalle üblichen Verfahren.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Mischoxide aus dem RSV,

Fig. 3 und 4 Hartmetall-Legierungspulver.

Die im ersten Schritt hergestellten Mischoxidpulver werden im zweiten Schritt einer Reduktion/Karburierung unterworfen, wobei die Homogenität und die feine Verteilung der einzelnen Komponenten erhalten bleiben. Aufgrund der schwamm- oder korallenartigen, also sehr oberflächenreichen und deswegen reaktiven Struktur des RSV-Mischoxids kann die Reduktion/ Karburierung bei Temperaturen zwischen 850°C und 1000°C durchgeführt werden. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren für die Herstellung von Metallcarbiden, bei denen weit höhere Temperaturen die Regel sind (< 1200°C), bleibt die mikrokristalline Struktur des RSV-Pulvers dabei erhalten.

Die Carbidgröße in den Pulveragglomeraten wird sowohl durch den Herstellungsprozeß der Mischoxidpulver, als auch durch Kornwachstum während des Karburierens bestimmt.

Die Kristallitgröße der Mischoxidpulver nimmt mit steigen der Temperatur im RSV zu. Diese Kristallitgröße beeinflußt maßgeblich die Carbidkorngröße nach der Karburierung. Die Karburierung selbst erfolgt bei so niedrigen Temperaturen, daß dabei kein Kornwachstum stattfindet.

Als Reduktions- und Karburierungsmittel werden karburie rende Gase oder Gasgemische oder Kohlenstoff eingesetzt. Geeignet sind CH₄/H₂ oder CO/CO₂-Mischungen mit einer Kohlenstoffaktivität 1. Kohlenstoff wirkt sowohl als direktes Reduktions-/Karburierungsmittel, als auch in direkt über die Bildung von CO mit dem Mischoxid. Die Reaktion kann über die Gaszusammensetzung (Kohlenstoff aktivität) so gesteuert werden, daß sich der richtige Kohlenstoffgehalt im Legierungspulver automatisch einstellt. Dies ist ein großer verfahrenstechnischer Vorteil, da eine präzise Kontrolle der Karburierungszeit entfallen kann.

Beispiel Herstellung Hartmetall-Legierungspulver WC-10% Co. 1) Oxidpulverherstellung

Eine Lösung mit einer Metallkonzentration von 300 g/l wird aus stöchiometrisch äquivalenten Mengen Ammoniummetawolf ramat und Kobaltnitrat hergestellt und mit 10 l/h in einen heißen Reaktor verdüst (T = 800°C). Die verdüsten Tröpf chen verdampfen und zersetzen sich in der heißen Zone des Reaktors extrem rasch unter Bildung feinkristalliner, homogener Mischoxidpartikel. Das Pulver wird aus dem Gas strom abgetrennt und einer Reduktion/Karburierung unter zogen. Die Morphologie der Hartmetall-Mischoxidpulver und damit die Größe der später entstehenden Wolframcarbid- Partikel ist von der Reaktionstemperatur abhängig. (Fig. 1 zeigt das bei einer Reaktionstemperatur T = 800°C und Fig. 2 das bei einer Reaktionstemperatur T = 1000°C entstandene Oxidpulver).

2) Reduktion/Karburierung

Die Reduktion/Karburierung erfolgt in einer Wirbelschicht anlage bei 900°C. Als Reaktionsgas dient eine Mischung aus vorzugsweise 97% CO und 3% CO ₂. Diese Gaszusammensetzung gewährleistet, daß sich automatisch (aktivitätskontrolliert) ein Kohlenstoffgehalt von 5,5% einstellt.

(Fig. 3 zeigt das Pulver aus Fig. 1 und Fig. 4 das Pulver aus Fig. 2 nach der Reduktion/Karburierung).

Claims

1. Hartmetall-Legierungspulver, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase aus einer Kobalt-Basis-Legierung besteht und die darin eingelagerten Hartstoffteilchen aus Wolframcarbid bestehen, wobei das Pulver in Form eines sinteraktiven, schwamm- bis korallenartig, innig vernetzten, 3 µ bis 40 µ durchmessenden Agglomerats vorliegt mit Carbid-Partikelgrößen von 0,3 µ bis 3 µ.

2. Hartmetall-Legierungspulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase aus einer Kobalt- Basis-Legierung und der Hartstoff aus Wolframcarbid mit Binderanteilen zwischen 6% und 25% besteht.

3. Sinterteile, hergestellt aus Hartmetall-Legierungs pulver, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframcarbid-Korngröße über das Herstellungs verfahren der Pulver zwischen 0,3 µ und 3 µ einstellbar ist und diese in der Rohpulverstruktur vorgegebene Wolfram-Korngröße bei der Sinterung unverändert bleibt.

4. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetall-Legierungs pulvers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Mischoxidpartikel (homogene Mikrokristallite) mit der dem Pulver zugrundeliegenden Metallzusammen setzung hergestellt werden und
b) die Mischoxidpulver einer Reduktion/Karburierung unterzogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischoxidpartikel durch Verdüsen einer metallsalz haltigen Lösung in einem heißen Reaktor hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion/Karburierung des Mischoxids mit karburie renden Gasen oder Gasgemischen oder Kohlenstoff durch geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die Reduktion/Karburierung in einer Wirbel schicht, einem Drehrohrofen oder einer Schüttung durch geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Karburierungstemperatur von 850°C bis 1000°C.

9. Teile, wie Werkzeuge oder Maschinenteile, hergestellt aus einem der Hartmetall-Legierungspulver der Ansprüche 1 oder 2.