DE3830112A1 - Verfahren zur herstellung gesinterter, metallgebundener carbide fuer schnellarbeitsstaehle - Google Patents
Verfahren zur herstellung gesinterter, metallgebundener carbide fuer schnellarbeitsstaehleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Carbidwerkstoffe als Ausgangs
material für hochverschleißbeständige Werkzeuge, bei
spielsweise Schnellarbeitsstähle, und Maschinenteile.
Bekannt ist die Herstellung von Schnellstahlpulver durch
Wasserverdüsen fertiglegierter Schmelzen. Wasserverdüste
Schnellstahlpulver weisen typischerweise Partikelgrößen
von 40 µ bis 200 µ auf, welche nur in einem sehr engen
Temperaturintervall (∼4°C) ohne starkes Kornwachstum
gesintert werden können. Vollständige Dichte kann nur
durch anschließendes Heißisostatpressen erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gesinterten
Schnellstahlwerkstoff zu schaffen, welcher gute mechanische
Eigenschaften aufweist, wobei die Sinterung in einem großen
Temperaturintervall durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe von einem Werkstoff mit den in
Anspruch 1 genannten Merkmalen, Ausführungen der Erfindung,
ein Legierungspulver und Herstellungsverfahren sind Gegen
stände von Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Werkstoff hat den Vorteil sehr guter
mechanischer Eigenschaften aufgrund der kleinen Carbidkörner
mit engem Größenspektrum sowie aufgrund seiner hohen Dichte.
Das erfindungsgemäße Pulver hat folgende Vorteile:
- - Bei der Sinterung kann ein breites Temperaturintervall (< 30°C) benutzt werden, was aufwendige Temperatur überwachung und Regelung überflüssig macht und die Fertigungssicherheit erhöht (geringer Fertigungsaus schuß).
- - Vollständige Dichte (< 99,9%) ist ohne starkes Korn wachstum möglich.
- - Bei der Herstellung können einige Schritte, beispiels weise das Herstellen der individuellen Metalle, das Aufschmelzen und Legieren, und das aufwendige Verdüsen der Metallschmelze eingespart werden.
- - Die Karburierung kann bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden.
Die günstigen Eigenschaften des Pulvers beruhen vor allem
darauf, daß bereits im Legierungspulver, also vor der
Sinterung kleine Carbidteilchen (< 3 µ) vorhanden sind,
welche von der Binderphase umhüllt und benetzt werden. Die
Struktur der Pulver ist nicht kompakt, sondern schwammig-
oder korallenartig, woraus sich hohe Sinteraktivität er
gibt.
Die Herstellung des Werkstoffs erfolgt in drei Schritten:
- 1. Herstellung von Mischoxidpartikeln
- 2. Reduktion/Karburierung zu Legierungspulvern
- 3. Sinterung
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 12 000°C). Bei diesem Schritt bilden
sich mikrokristalline Mischoxidpulver.
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.
Der dritte Schritt (Pressen und Sintern) erfolgt mit an
sich bekannten Verfahren, wobei jedoch wesentlich größere
Temperaturintervalle beim Sintern zulässig sind als bei den
bisher bekannten Pulvern.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Mischoxide aus dem RSV,
Fig. 2 und 3 Schnellstahlpulver,
Fig. 4 gesintertes Werkstoffteil (Gefüge).
Die im ersten Schritt hergestellten Mischoxidpulver werden
im zweiten Schritt einer Reduktion/Karburierung unterworfen.
Die Mischoxidpulver selbst zeichnen sich durch homogene Ver
teilung der Komponenten aus. Die Agglomeratgröße (3 bis 40 µ)
ist sowohl beeinflußbar über die Konzentration der eingesetz
ten Lösung, die Zerstäubungs- oder Verdüsungstechnik als auch
über die Reaktortemperatur. Die Agglomerate setzen sich aus
Primärkristalliten mit einer Größenverteilung zwischen 0,3
und 3 µ zusammen.
Die Homogenität und die feine Verteilung der einzelnen
Komponenten bleibt bei der Karburierung erhalten. Aufgrund
der schwamm- oder korallenartigen, also sehr oberflächen
reichen 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 Karburierung von Einzelmetal
len, 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 steigender
Temperatur im RSV zu. Diese Kristallitgröße beeinflußt maß
geblich die Carbidkorngröße nach der Karburierung.
Die Karburierung selbst erfolgt bei so niedrigen Temperatu
ren, daß dabei kein Kornwachstum stattfindet.
Als Reduktions- und Karburierungsmittel werden karburierende
Gase, Gasgemische oder Kohlenstoff eingesetzt. Geeignet sind
CH4/H2-Mischungen mit einer Kohlenstoffaktivität < 1.
Kohlenstoff wirkt sowohl als direktes Reduktions-/Karburie
rungsmittel als auch indirekt über die Bildung von CO mit
dem Mischoxid. Die Reaktion wird zeitkontrolliert durchge
führt, das heißt der Kohlenstoffgehalt wird über die Karbu
rierungszeit eingestellt. Der Zusammenhang zwischen Karbu
rierungszeit und Kohlenstoffgehalt muß für die jeweilige
Karburierungsart empirisch ermittelt werden.
Eine Lösung mit einer Metallkonzentration von 150 g/l wird
aus stöchiometrisch äquivalenten Mengen Chromnitrat, Kobalt
nitrat, Eisennitrat, Vanadylsulfat, Ammoniummetawolframat
und Ammoniumheptamolybdat unter Zugabe von Wasser herge
stellt. Die so hergestellte Lösung wird mit 10 l/h in einen
heißen Reaktor verdüst (Reaktionstemperatur 800°C). Das
Aerosol verdampft extrem rasch, es erfolgt Zersetzung der
Salze, wobei sehr feinkristalline, homogene Mischoxid
partikel entstehen (Fig. 1). Gase und Partikel werden in
einem Separator getrennt, das Pulver wird einer Reduktion/
Karburierung unterzogen.
Die Reduktion/Karburierung erfolgt beispielsweise in einer
Wirbelschichtanlage, in der ein Verbacken der Pulver während
der Umsetzung ausgeschlossen werden kann. Die Reaktion wird
bei 950°C durchgeführt, als Reaktionsgas dient eine
Mischung aus 99% H2 und 1% CH4.
Die genaue Einstellung des Kohlenstoffgehalts erfolgt zeit
kontrolliert und beträgt für 5-kg-Chargen größenordnungs
mäßig 40 Stunden. Die Fig. 2 und 3 zeigen karburiertes
Pulver.
Die so hergestellten Pulver lassen sich ohne Zugabe weiterer
Preßhilfsmittel zu Grünlingen mit etwa 6,3 g/cm3 verdichten.
Die Sinterung erfolgt im Vakuum, bei Temperaturen zwischen
1235°C und 1265°C. In diesem Intervall stellt sich voll
ständige Dichte ohne Kornwachstum ein (sonst nur möglich
durch Sintern bis 97% der theoretischen Dichte mit an
schließendem Heißisostatpressen). Fig. 4 zeigt in 2500facher
Vergrößerung das Gefüge eines gesinterten Teils.
Claims (10)
1. Gesinterte, metallgebundene Carbide, verwendet als
Werkstoff für Schnellarbeitsstähle mit
- - einer ersten Phase aus Hartstoffpartikeln wie Wolfram carbid und/oder Molybdäncarbid und/oder Chromcarbid und/oder Vanadiumcarbid und/oder Niobcarbid und/oder Tantalcarbid und/oder Mischcarbiden der genannten Metalle mit einer Korngröße zwischen 2 µ und 7 µ und
- - einer zweiten Phase, bestehend aus einer Eisenbasis legierung, welche die Partikel der ersten Phase um hüllt (Binderphase) und
- - einer Dichte oberhalb von 99,9% der theoretischen Dichte.
2. Gesinterte, metallgebundene Carbide nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase als Haupt
bestandteil Eisen und als Minderkomponente Kobalt ent
hält, daß der Hartstoff aus Wolframcarbid und/oder
Chromcarbid und/oder Molybdäncarbid und/oder Vanadium
carbid und/oder den daraus gebildeten Mischcarbiden
besteht und daß der Binderanteil zwischen 60% und 95%
liegt.
3. Legierungspulver zur Herstellung eines Werkstoffs nach
Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Pulver in Form eines innig vernetzten, schwamm- bis
korallenartigen Agglomerats vorliegt, mit einer Parti
kelgrößenverteilung zwischen 3 µ und 40 µ.
4. Legierungspulver nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß das zulässige Sinterintervall mindestens 30°C
beträgt, wobei sich vollständige Dichte (HIP-Qualität)
mit einer Carbid-Korngröße von maximal 7 µ einstellt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach wenig
stens einem der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- a) Mischoxidpartikel (homogene Mikrokristallite) mit der dem Pulver zugrundeliegenden Metallzusammen setzung hergestellt werden
- b) die Mischoxidpulver einer Reduktion/Karburierung unterworfen werden, wobei ein Legierungspulver entsteht und
- c) daraus die Werkstoffe oder die fertigen Bauteile gesintert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mischoxidpartikel durch Verdüsen einer metallsalz
haltigen Lösung in einem heißen Reaktor hergestellt
werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Reduktion/Karburierung des Mischoxids mit karbu
rierenden Gasen oder Gasmischungen oder Kohlenstoff
durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Reduktion/Karburierung in einer Wirbel
schicht, einem Drehrohrofen oder einer Schüttung durch
geführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, 7 oder 8, gekennzeichnet
durch eine Karburierungstemperatur von 850°C bis
1000°C.
10. Teile, wie Werkzeuge oder Maschinenteile, hergestellt
aus einem der Werkstoffe der Ansprüche 1 oder 2.
Priority Applications (2)
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EP89116290A EP0366900A1 (de) | 1988-09-05 | 1989-09-04 | Gesinterte, metallgebundene Carbide |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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DE3830112C2 DE3830112C2 (de) | 1990-06-07 |
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Also Published As
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