DE3843219A1 - Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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 A1 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 B1 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 vermahlt, 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 A2 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 Einkristalle 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 Verstärkungsmaterialgehalten 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 Volumen-% 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, Cr) oder Mischun­ gen hiervon und/oder beschichtetes einkristallines Verstärkungsmaterial aus SiC, Si₃N₄, Si₂N₂O, Al₂O₃, ZrO₂, AlN und/oder BN eingebaut 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 ZrO_{2i, Al2}O₃ 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, Va-Gruppe oder VIa-Gruppe oder Mischungen hiervon und/oder SiC, Si₃N₄, Si₂N₂O, Al₂O₃, ZrO ₂, AlN und/oder BN beschich­ tet, mit der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder ver­ mischt, dann getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisosta­ tisch gepreßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, durch Sintern mit einem HIP-Pro­ zeß 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 Gehalten oberhalb von 20 Volumen-% das Axial-Heißpressen durchgeführt wird bzw. werden.