DE3842420A1 - Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellungInfo
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- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/005—Growth of whiskers or needles
Description
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkörper, bestehend aus
Hartstoffphasen, wie Wolframcarbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der
Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystems, aus Verstär
kungsmaterialien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt und/oder
Eisen und/oder Nickel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines Hartmetallverbundwerkstoffes auf pulvermetallurgi
schem Weg.
Die nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Einkristalle be
sitzen hervorragende mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine große
Zug- und Schubfestigkeit.
In der DE-PS 2 59 249 wird ein aus Hartstoffen und Bindemitteln beste
hendes Sinterhartmetall beschrieben, das Hartstoffe in Form von nadel
förmigen Einkristallen in einer Menge von wenigstens 0,1%, vorzugs
weise 0,5 bis 1,5% des gesamten Hartstoffanteils enthält. Zur Her
stellung dieses Sinterhartmetalls wird dem Hartstoffanteil vor dem
Vermahlen WC in Form von nadelförmigen Einkristallen zugesetzt, wobei
nach Zusatz eines Bindemetalls der Eisengruppe der Hartmetallansatz
gepreßt und unter Bildung einer flüssigen Phase gesintert wird. Nach
teiligerweise löst sich jedoch der einkristalline WC-Anteil weitgehend
in der Bindephase (vgl. DE-Z "Metall", Juli 1974, Heft 7). Im übrigen
reichen die vorgeschlagenen Hartstoff-Einkristalle nicht aus, um eine
merkliche Verbesserung der Verschleißeigenschaften zu erhalten, insbe
sondere auch deshalb nicht, weil maximal nur so viel Hartstoff-Einkri
stalle zugegeben werden sollen, bis der Hartstoffeinkornanteil (Körner
mit mittlerem Durchmesser unter 2 µm) ersetzt ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hartmetallverbundkör
per anzugeben, der gegenüber den bisher bekannten Hartmetallverbund
körpern eine höhere Zähigkeitsbelastbarkeit, eine größere Härte, auch
bei starker thermischer Belastung des Hartmetallverbundkörpers und
eine geringere Bruchanfälligkeit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Hartmetallverbundkörpers anzugeben.
Die Aufgabe wird durch einen Hartmetallverbundkörper der im Anspruch 1
genannten Zusammensetzung gelöst.
Die Verwendung von Whiskern ist zwar nach dem Stand der Technik bei
anderen Stoffen bereits vorgeschlagen worden:
So z.B. in der US-PS 34 41 392 eine faserverstärkte Metallegierung,
die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt worden ist und die bei
spielsweise Fasern aus α-Aluminiumoxid und Siliciumcarbid enthält.
Die US-PS 45 43 345 beschreibt eine Keramik (Al2O3-Matrix) mit einge
lagerten SiC-Einkristallen.
Aus der DE-33 03 295 A 1 ist bekannt, daß die Festigkeits- und Bruchzä
higkeitseigenschaften einer siliciumcarbidfaserverstärkten Keramik
besser als die der Keramikmatrix sind. Entsprechende Angaben werden
auch in der DE-Z ZwF 83 (1988) 7, Seiten 354 bis 359 gemacht.
Die EP-00 67 584 B 1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
Verbundwerkstoffes aus einem metallischen, keramischen Glas- oder
Kunststoff-Grundmaterial und darin im wesentlichen homogen und gleich
mäßig verteilten desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern zur Verstär
kung des Grundmaterials, bei dem man Siliciumcarbidwhisker in einem
polaren Lösungsmittel zur Bildung einer Aufschlämmung rührt und an
schließend die Aufschlämmung zur Bildung einer Aufschlämmung aus
desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern vermahIt, die Aufschlämmung
hieraus mit einem Grundmaterial zur Bildung einer homogenen Mischung
vermischt, anschließend trocknet und zu einem Rohling formt.
Schließlich sind aus der EP-02 13 615 A 2 Verbundwerkstoffe bekannt,
bei denen in einer Metallmatrix Siliciumcarbid- und Siliciumnitrid
whisker enthalten sind.
Die Einbringung von nadel- oder plättchenförmigen Einkristallen bei
Hartmetallen in größeren Mengen wurde jedoch nie durchgeführt, weil
bisher eine Lösung der Einkristalle in der flüssigen Bindemittelphase
befürchtet worden ist. In der Tat ist die Löslichkeit des WC in einem
Bindemittel wie Cobalt groß, was bewirkt, daß die Verwendung von WC-
Einkristallen - wie in der DE-PS 2 59 242 vorgeschlagen - keine Verbes
serung der Verschleißeigenschaften bringt..
Ein besonderer Vorteil einer inerten Whiskerbeschichtung liegt jedoch
darin, daß eine gezielte Festigkeit der Bindung mit der Matrix einge
stellt werden kann. Insgesamt führt die Einlagerung von beschichteten
Whiskern zu einer Härteerhöhung mit einer gleichzeitigen
Zähigkeitssteigerung, und zwar auch bei Hochtemperaturbelastungen, wie
sie z.B. bei Schneidwerkstoffen stattfinden. Vorteilhafterweise wird
dies auch bei solchen Hartmetallen erreicht, die einen geringen
Bindemittelgehalt aufweisen (weniger als 8 Volumen-%).
Darüber hinaus kommt der inerten Beschichtung eine gewissen Schutz
funktion für die umhüllten Einkristalle zu, d.h. die EinkristalIe kön
nen nicht im Bindemittel gelöst werden, insbesondere lassen sich erst
malig WC-Einkristalle in einem bezogen auf die Hartmetallzusammenset
zung wirkungsvollen Anteil verwenden.
Weiterentwicklungen des Hartmetalls sind in den Unteransprüchen 2
bis 9 beschrieben.
Der auf das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren bezogene
Aufgabenteil wird durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale
gelöst, wobei insbesondere bei Gehalten bis zu 20 Volumen-% dem
normalen Sinter-, dem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß oder dem Sintern
mit einem nachfolgenden heißisostatischen Pressen in einer getrennten
Anlage und bei höheren VerstärkungsmateriaIgehalten dem Heißpressen
der Vorzug gegeben wird.
Die Herstellung der Whisker-Hartmetallverbundwerkstoffe lehnt sich
grundsätzlich an bekannte pulvermetallurgische Verfahrensschritte an.
So werden im Unterschied zum Stand der Technik die Verstärkungsmate
rialien (Whisker, Plättchen) zunächst aufbereitet, desagglomeriert und
klassifiziert sowie mittels eines CVD- oder PVD-Verfahrens beschich
tet, bevor sie den weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden.
Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen vier Verdich
tungsverfahren: Dem üblichen Sintern, einem kombinierten Sinter/HIP-
Prozeß, bei dem unmittelbar auf den Sintervorgang in der Hitze ein
heißisostatisches Pressen bei 20 bis 100 bar, maximal 200 bar,
durchgeführt wird, dem Sintern mit nachfolgenden heißisostatischen
Pressen bei Drücken um beispielsweise ca. 1000 bar in einer getrennten
Anlage und schließlich dem erwähnten Heißpressen.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mi
schung aus 4 Volumen-% Co, Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen
21 VoIumen-% WC-whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form,
die mittels des im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannten CVD-
Prozesses mit TiC beschichtet worden sind, zugegeben worden. Die ge
samte Mischung wurde anschließend getrocknet, granuliert und kaltiso
statisch zu einem Grünling vorgepreßt, bevor über das Heißpressen der
Whisker-Verbundwerkstoff fertiggestellt wurde.
Insgesamt besitzt der erfindungsgemäße Hartmetallverbundwerkstoff eine
größere Härte und höhere Festigkeitswerte als nach dem Stand der Tech
nik bekannte Verbundwerkstoffe. Die Zähigkeitsbelastbarkeit ist bei
vermindertem Bruchrisiko höher, ohne daß höhere Bindegehalte einge
stellt werden mußten.
Claims (11)
1. Hartmetallverbundkörper, dessen Hartstoffphase aus Wolframcarbid
und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa- oder Va-
Gruppe des Periodensystems und dessen Bindemetallphase aus Co
balt und/oder Eisen und/oder Nickel besteht, mit eingelagertem
Verstärkungsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß ein
kristallines, mit einer gegenüber der Bindemetallphase inerten
Beschichtung versehenes nadel- und/oder plättchenförmiges Ver
stärkungsmaterial aus Boriden und/oder Carbiden und/oder Nitri
den und/oder Carbonitriden der Elemente der Gruppe IVa
(Ti, Zr, Hf), Va (V, Nb, Ta) oder VIa (W, Mo) oder Mischungen
hiervon und/oder beschichtetes einkristallines Verstärkungsmate
rial aus SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2, AlN und/oder BN einge
baut ist.
2. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine inerte Beschichtung aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbo
nitriden der IVa-Gruppe (Ti, Zr, Hf) und/oder aus ZrO2, Al2O3
und/oder BN.
3. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dicke der Beschichtung mindestens 0,02 µm und
maximal 2/10 des Nadeldurchmessers bzw. der Plättchendicke,
vorzugsweise 1/10 hiervon bzw. mindestens 0,05 µm, beträgt.
4. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die inerte Beschichtung der nadel
und/oder plättchenförmigen Einkristalle mittels des CVD
(chemical vapour deposition)Verfahrens oder des PVD-(physical
vapour deposition)Verfahrens auf die Einkristalle aufgebracht
ist.
5. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß der Anteil des Verstärkungsmaterials
jeweils 2 bis 40 Volumen-%, vorzugsweise 10 bis 20 Volumen-%,
beträgt.
6. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die nadelförmigen Einkristalle
(Whisker) eine Länge von 3 µm bis 100 µm aufweisen.
7. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 6, da
durch gekennzeichnet, daß die nadelförmigen Einkristalle einen
Durchmesser von 0,1 bis 10 µm haben.
8. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Einkristalle
(Plättchen) eine Dicke von 0,5 µm bis 10 µm und einen Durchmes
ser von 3 µm bis 100 µm aufweisen.
9. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß SiC-nadel- oder plättchenförmige Ein
kristalle vorliegen und zu mehr als 90% die β-SiC-Struktur
aufweisen.
10. Verfahren zur Herstellung des Hartmetallverbundwerkstoffes nach
Ansprüchen 1 bis 9 auf pulvermetallurgischem Weg, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial in desagglomerierter
und klassifizierter Form mittels des CVD- oder PVD-Verfahrens
mit Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der IVa-Gruppe
(Ti, Zr, Hf) und/oder ZrO2, Al2O3 und/oder BN beschichtet, mit
der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt,
dann getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch ge
preßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen kom
binierten Sinter/HIP-Prozeß, durch Sintern mit einem HIP-Prozeß
nach zwischenzeitiger Abkühlung oder durch Axial-Heißpressen
hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ver
stärkungsmaterial-Gehalten bis zu 20 Volumen-% das normale Sin
tern, das Sintern mit einem nach Abkühlung erfolgenden heißiso
statischen Pressen oder der kombinierte Sinter-HIP-Prozeß und
bei GehaIten oberhalb von 20 Volumen-% das Axial-Heißpressen
durchgeführt wird bzw. werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883842420 DE3842420A1 (de) | 1988-12-16 | 1988-12-16 | Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3842420A1 true DE3842420A1 (de) | 1990-06-21 |
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ID=6369351
Family Applications (1)
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DE19883842420 Withdrawn DE3842420A1 (de) | 1988-12-16 | 1988-12-16 | Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung |
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