DE3884310T2 - Verbundlegierung. - Google Patents

Verbundlegierung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Cermetlegierung, die überlegen ist in Zähigkeit, Absplitterungsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit. In der Vergangenheit wurden solche Komponenten, wie Mo&sub2;C, WC, TaC und NbC zu Cermetlegierungen zur Verbesserung der Benetzung zwischen der Metallbindungsphase und den TiC-Teilchen oder den TiCN-Teilchen, die Hauptkomponenten von Cermetlegierungen sind, zugegeben. Diese Zusatzkomponenten umgeben die TiC- oder TiCN- Teilchen durch Auflösung in der Bindungsphase und Präzipitation an den TiC- oder TiCN-Teilchen während des Sinterns, wobei ein Randteil gebildet wird. Ein Cermet mit einer Bindungsmetallphase, im allgemeinen einem zusammengesetzten Carbo-Nitrid, besitzt eine Rand- und Kernstruktur, aber der Innenteil, d.h. der Kernteil ist reich an Ti und Stickstoff und dann ist der Randteil reich an Komponenten zur Verbesserung der Benetzung, wie WC, TaC, Mo&sub2;C und NbC und arm an Ti und Stickstoff.
  • Durch die Bildung des Randteils wird die Benetzung zwischen den TiC- oder TiCN-Teilchen und der Metallbindungsphase verbessert, was eine Verbesserung der Zähigkeit mit sich bringt. Durch die Bildung des Randteils wachsen Teilchen aus zusammengesetztem Carbo-Nitrid, und sie kommen in Kontakt miteinander. Dieser Teil, in dem sich die zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen miteinander berühren, wird eine Quelle für die Erzeugung von Mikrorissen, oder eine Spaltung als Weg für das Fortbewegen von Rissen bei der Anwendung von Außenkräften kann stattfinden, wodurch sich die Absplitterungsbeständigkeit verschlechtert. Wenn die Menge der Komponenten, die den Randteil bilden, erniedrigt wird, verschlechtert sich die Zähigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit, und die gesamten Eigenschaften verschlechtern sich. Derzeit kann die Zugabe der Komponenten, die den Randteil bilden, in mehr als einer bestimmten Menge nicht vermieden werden.
  • In der DE-A-3 100 926 wird eine dreiphasige Legierung beschrieben, die eine Kristallphase aus Wolframcarbid oder Wolfram-Molybdän-Carbid, eine Phase aus Niob/Tantal-Carbo- Nitrid und eine Phase aus einem Metall der Eisengruppe umfaßt. Die drei Phasen sind innigst vermischt.
  • In der DE-A-3 418 403 wird eine Rand- und Kernstruktur mit einem Titan-Carbid-Kern und einem Rand aus einem oder mehreren von Tantal, Niob, Zircon, Wolfram und Titancarbiden und/oder Titannitrid, mit einer getrennten Titan-Nitrid- Phase und einer Bindungsphase beschrieben.
  • Wie oben erläutert, besitzt die Bildung eines Randteils sowohl Vorteile als auch Nachteile.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Cermetlegierung (die auch als Metall-Keramik-Legierung bezeichnet werden kann) mit verbesserter Absplitterungsbeständigkeit, ohne daß die Zähigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit verschlechtert werden, durch Zugabe von solchen Komponenten, wie beispielsweise WC, TaC, NbC und Mo&sub2;C, die Komponenten sind, welche die Zähigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit verbessern, und von randbildenden Komponenten in der benötigten Menge, daß die Zähigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit verbessert werden und gleichzeitig die Menge an Randteilen verringert wird, so daß der Teil, in dem sich die zusammengesetzten Carbo- Nitrid-Teilchen berühren, stark verringert wird, zur Verfügung zu stellen.
  • Als Ergebnis der Untersuchungen der genannten Erfinder, um die obigen Aufgaben zu lösen, wurde gefunden, daß die gewünschten Eigenschaften erhalten werden können, wenn TiN oder TiCN und ein Metallpulver für die Bindungsphase zu einem zusammengesetzten Carbo-Nitrid aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems einschließlich von W und Ti als wesentliche Komponenten in dem Ausgangsmaterial, und Sintern des Gemisches zur Bildung der beanspruchten Cermetlegierung, Zugesetzt wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Cermetlegierung, die 50 bis 95 Gew.-%-Teilchen aus einer harten Phase, wobei der Rest eine Bindungsphase aus einem oder mehreren Elementen der Eisenfamilie und unvermeidbare Verunreinigungen ist, umfaßt, wobei die harte Phase Teilchen aus einem zusammengesetzten Carbo-Nitrid, umfassend mindestens Wolfram und Titan und gegebenenfalls eines oder mehrere Elemente, ausgewählt aus den Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems, umfaßt, wobei die Teilchen aus zusammengesetztem Carbo-Nitrid eine Rand- oder Außenzone und Kernstruktur besitzen, wobei der Kernteil zusammengesetztes Carbo-Nitrid, das an Titan und Stickstoff arm ist, und der Randteil zusammengesetztes Carbo-Nitrid, das an Titan und Stickstoff reich ist, umfaßt.
  • Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt die harte Phase 50 Vol.-% oder weniger TiN- oder TiCN-Teilchen mit N≥C ohne Rand- und Kernstruktur und Teilchen aus dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid mit der Rand- und Kernstruktur.
  • Da die Zusammensetzung aus dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid von W und Ti und gegebenenfalls einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus den Elementen der Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems als Ausgangsmaterial, relativ eng an der Zusammensetzung des oben erwähnten Randteils liegt, ist die Benetzung mit der Metallbindungsphase gut, und die Verbesserung der Zähigkeit ist möglich. Da die Carbo-Nitrid-Komponenten von W und den Elementen, die Komponenten für die Bildung des Randteils sind, in dem Ausgangsmaterial vorhanden sind, wird relativ wenig Randteil gebildet. Wenn jedoch das zusammengesetzte Carbo-Nitrid-Ausgangsmaterial allein verwendet wird, findet kontinuierlich ein Ostwald-Wachstum statt, d.h. die Komponenten, die in der Bindungsmetallphase während des Sinterns gelöst sind, werden in dem vorhandenen zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Ausgangsmaterial ausgefällt, und es gibt relativ viele Teile, in denen sich die zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen berühren, bedingt durch das Kornwachstum des zusammengesetzten Carbo-Nitrids. Die gewünschte Absplitterungsbeständigkeit kann erhalten werden. Die Erfinder haben jedoch weitere Untersuchungen durchgeführt, um weitere Verbesserungen zu erhalten, und gefunden, daß eine weitere Verbesserung durch zusätzliche Zugabe von TiCN oder TiN, wobei N ≥ C ist, erhalten werden kann. D.h., TiCN und TiN sind bei hohen Temperaturen thermodynamisch instabil und insbesondere extrem instabil in Anwesenheit einer Kohlenstoffquelle. Daher treten kontinuierlich die Stufen auf, daß TiCN oder TiN zersetzt werden und sich bevorzugt in der Bindungsmetallphase und danach in den vorhandenen zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen als feste Lösung lösen. Auf diese Weise werden Ti und N bevorzugt in der Bindungsmetallphase als feste Lösung gelöst, und als Folge wird die Auflösung von Mo&sub2;C, TaC, NbC und ähnlichen, die in dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Ausgangsmaterial vorhanden sind und die Komponenten für die Bildung des Randteils in der Bindungsmetallphase als feste Lösung sind unterdrückt, und dies bewirkt eine Verringerung in der Menge an gebildetem Randteil und eine Verringerung an den Anteilen, in denen sich die zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen per se berühren. Die neue Tatsache, die bei diesen Untersuchungen gefunden wurde, ist die, daß, wenn Ti und N, die in der Bindungsmetallphase gelöst sind, sich in dem vorhandenen zusammengesetzten Carbo-Nitrid auflösen, W, das in dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid vorhanden ist und keine Affinität für N besitzt, aus dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid herausgestoßen wird und sich in der Bindungsmetallphase löst, wodurch die Bindungsmetallphase Wärmebeständigkeit erhält.
  • Durch die oben beschriebenen Wirkungen und durch die Abnahme der Teile, in denen sich die Teilchen per se berühren, wurden in dem bekannten Cermet bemerkenswerte Verbesserungen in der Absplitterungsbeständigkeit und der Wärmebeständigkeit möglich, ohne daß eine Verschlechterung in der Zähigkeit auftritt. Die Struktur der erfindungsgemäßen Cermetlegierung ist so, daß die zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen eine Rand- und Kernstruktur aufweisen und daß die Verteilung der den zentralen Teil bildenen Zusammensetzung die ist, daß der Kernteil reich an W und arm an Ti und Stickstoff ist und daß der Randteil reich an Ti und Stickstoff ist.
  • Wie oben erwähnt, lösen sich TiCN- oder TiN-Teilchen kontinuierlich in der Bindungsmetallphase während des Sinterns, und es ist weiter wünschenwert, das Sintern im Nicht-Gleichgewichts-Zustand vor der vollständigen Auflösung dieser TiCN- oder TiN-Teilchen zu beenden, wobei TiCN- oder TiN-Teilchen mit N ≥ C im Verlauf der Auflösung der Bindungsmetallphase einzeln in der Legierungszusammensetzung erhalten bleiben. D.h., der Kontakt der zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen per se, der durch das Wachstum der Teilchen verursacht wird, kann durch die Anwesenheit von TiCN- oder TiN-Teilchen alleine, die sich in den Komponenten von den Carbo-Nitrid-Teilchen unterscheiden, zwischen den zusammengesetzten Carbo-Nitrid- Teilchen, die kontinuierlich während des Sinterns wachsen, unterdrückt werden, und eine weitere Verbesserung in der Absplitterungsbeständigkeit kann erhalten werden. In diesem Fall, außer wenn N ≥ C ist, diffundiert und löst sich in dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid weniger N, und die Menge an ausgestoßenem W ist gering. Dadurch sind TiCN- oder TiN-Teilchen nicht wirksam, um die Bindungsphase durch deren Auflösung in dieser Phase zu stärken. Wenn die Teilchen reich an C sind, ist TiCN relativ stabil, und der Randteil wird um diese Teilchen als Kernteil gebildet, und das Wachstum der Teilchen findet statt, was eine Erhöhung des Teils mit sich bringt, in dem die zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen sich per se berühren, wodurch eine Verschlechterung der Zähigkeit auftritt.
  • Bei der vorliegenden Erfindung werden TiN und/oder TiCN zugegeben, aber TiNO oder TiCNO können ebenfalls zugegeben werden. TiNO oder TiCNO können direkt zugegeben werden, oder sie können natürlich teilweise in TiN und TiCN als Ausgangsmaterialien enthalten sein.
  • Die Gründe für die numerischen Beschränkungen werden im folgenden erläutert.
  • Wenn das zusammengesetzte Carbo-Nitrid als harte Phase in einer Menge von mehr als 95% vorhanden ist, verschlechtert sich die Zähigkeit der Legierung stark, und wenn es in einer Menge von weniger als 50% vorhanden ist, können die gewünschte Wärmebeständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit nicht erhalten werden. Es sind somit 50 bis 95 Gew.-% erforderlich. Wenn der Gehalt an TiCN- oder TiN-Teilchen alleine über 50 Vol.-% liegt, zeigen die TiCN- oder TiN- Teilchen eine schlechtere Benetzung mit der Bindungsmetallphase, und die Zähigkeit der Legierung verschlechtert sich.
  • Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
  • Beispiel 1
  • Ein Ausgangs-zusammengesetztes-Carbo-Nitrid wurde auf folgende Weise hergestellt. WC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 µm, TiC0,6-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,2 µm, TaC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,1 µm, NbC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,2 µm, Mo&sub2;C-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,0 µm, VC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,5 µm, ZrC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,2 µm und HfC-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,3 µm, die alle im Handel erhältlich sind, wurden ausgewählt und abgewogen, so daß die gewünschte Zusammensetzung des zusammengesetzten Carbo-Nitrids, wie sie in Beispiel 1 aufgeführt ist, erhalten wurde. Die Bestandteile wurden naß vermischt. Dann wurde das entstehende Gemisch bei 1800ºC bei einem N&sub2;-Partialdruck von nicht mehr als 20 Torr während 1 Stunde behandelt, wobei eine feste Lösung erhalten wurde. Diese wurde dann mit Wasser in einem Attritor unter Bildung einer festen Ausgangslösung vermahlen. Es wurden die in Tabelle 1 (1) aufgeführten zusammengesetzten Carbo- Nitrid-Ausgangsmaterialien (A) - (H) für die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen erhalten. Unter Verwendung dieser zusammengesetzten Carbo-Nitride wurden Cermetlegierungen (A) - (H) auf Grundlage der in Tabelle 1 (1) angegebenen Mischungsverhältnisse hergestellt. Die Eigenschaften der Legierungen wurden bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 (2) angegeben. Für Vergleichslegierungen wurden im Handel erhältliche TiCN-Pulver, (TiTa)CN-Pulver und (TiW)CN-Pulver so wie sie waren verwendet, und die einfache Zugabe von TiCN wurde nicht durchgeführt. Wie aus Tabelle 1 (2) hervorgeht, war es in den erfindungsgemäßen Legierungen möglich, das Kontaktverhältnis des zusammengesetzten Carbo-Nitrids (Kontaktfläche des zusammengesetzten Carbo-Nitrids per se/gesamte Oberfläche des zusammengesetzten Carbo-Nitrids) zu verringern, durch die Verringerung der Menge an Randteil und der Kugelbildung der zusammengesetzten Carbo-Nitrid-Teilchen. Dadurch wurde eine Erhöhung in der Rißbeständigkeit erreicht.
  • Die Rjßbeständigkeit ist der Wert, der durch Teilung der Vickers-Belastung durch die Länge des Risses, der durch eine Vickers-Beule gebildet wird, erhalten wird und zeigt die Beladung an, die für die Bildung von Rissen von 1 mm erforderlich ist. Dies ist ein Parameter, der mit der Brechzähigkeit K&sub1;&sub0; in Zusammenhang steht. Die Hochtemperaturhärte wurde gemäß dem Drei-Punkt-Biegetest unter Anwendung einer Kraft von 70 kg/mm² bei 950ºC bestimmt. Je kleiner die Kreich-Verformungs-Geschwindigkeit ist, desto länger ist die Zeit, die für das Brechen erforderlich ist. Die erfindungsgemässen Legierungen besitzen eine überraschend hohe Festigkeit bei hoher Temperatur als Ergebnis des Ausstoßens von W in die Bindungsphase, bedingt durch das Auflösen von N in dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid- Ausgangsmaterial und das Ergebnis der Verfestigung der Bindungsphase, bedingt durch die Bildung einer festen Lösung. In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse des Schneidetests der erfindungsgemäßen Legierungen (A) - (H) und Vergleichslegierungen (1) - (4) angegeben.
  • Die Geschwindigkeit bei der Bildung von Absplitterungen ist der Prozentgehalt der Länge des Absplitterns durch die Gesamtlänge der abgeschnittenen Kante x 100, wenn JIS- SKD61 (HRC 44) bei nassen Bedingungen entsprechend einer End-Walzbehandlung von 10 mm Breite während 10 Minuten mit einer Schneidtiefe von 10 mm, Schnittbreite von 2 mm, einer Peripheren Geschwindigkeit von 28 m/min und einer Beschickung von einer Kante mit 0,05 mm erhalten wird. Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen eine überlegene Absplitterungsbeständigkeit, da ein niedriger Kontaktgrad des zusammengesetzten Carbo-Nitrids per se vorhanden ist. Die Standzeit wird durch die Zeit angegeben, die erforderlich ist, bis die Haltbarkeit beendigt ist, wenn die Beendigung der Haltbarkeit als 0,3 mm maximale Abnutzung der Flanke bei drehender Arbeit von SCM440 (HRC34) für die Legierung bei einer Schneidgeschwindigkeit von 100 m/min und 250 m/min mit einer Beschickung von 0,3 mm pro einer Umdrehung definiert ist. Bei einer Schneidgeschwindigkeit von 100 m/min wurde kein signifikanter Unterschied festgestellt, aber die erfindungsgemäßen Legierungen zeigen eine sehr lange Standzeit mit Schneiden bei 250 m/min. Im Falle der Vergleichslegierungen zeigten die geschnittenen Kanten plastische Verformungen und so war die Standzeit kurz. Andererseits zeigten die erfindungsgemäßen Legierungen eine hohe Hochtemperaturfestigkeit, und an der Schneidkante traten keine plastischen Deformierungen auf. Tabelle 1 (1) Zusammengesetztes Carbo-Nitrid Mischverhältnis erfindungsgemäße Legierungen Vergleichslegierungen Tabelle 1 (2) Härte (HRA) Rißbeständigkeit (km/mm) Faltebeständigkeit (km/mm²) Kreich-Brech-Zeit bei hohen Temperaturen Kontaktverhältnis erfindungsgemäse Legierungen Vergleichslegierungen Tabelle 2 Geschwindigkeit (%) bei der Bildung der Absplitterung Standzeit (min) Erfindungsgemäse Legierungen Vergleichslegierungen Bricht in 1 min ab
  • Beispiel 2
  • Legierungen mit der Zusammensetzung 25TiCN-20WC-20NbC- 15TaC-5Mo&sub2;C-7,5Co-7,5Ni, die 2,0% N und 7,7% C enthalten, wurden erfindungsgemäß (W, Ti, Nb, Ta, Mo)CN + TiCN + Co,Ni und als Vergleichslegierung (Ti,W)CN + NbC + TaC + Mo&sub2;C + CO,Ni hergestellt. Die Legierungen wurden auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Ergebnisse für die Analyse der Zusammensetzung der Rand- und Kernstruktur mittels eines analytischen Transmissions-Elektronen-Mikroskops sind in den Tabellen 4 und 5 aufgeführt Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen überlegene Eigenschaften wie in Beispiel 1, und außerdem besitzen sie eine geschichtete Struktur, die einen Mittelteil, der an Ti und N arm ist und an W reich ist, und einen Randteil, der an Ti und N reich ist, umfassen. Der Gehalt an N wurde qualitativ durch das Verhältnis Ti+N/Ti im Auger-Spektrum analysiert. Tabelle 3 Härte (HRA) Rißbeständigkeit Faltebeständigkeit Kreich-Brech-Zeit bei hoher Temperatur Geschwindigkeit bei der Bildung der Absplitterung Standzeit Kontakt-verhältnis Erfindungsgemäse Legierungen Vergleichslegierung Tabelle 4 Zusammensetzung Randteil Zentraler Teil Erfindungsgemäse Legierung Vergleichslegierung Tabelle 5 Verhältnis des Auger Spektrums (Ti+N/Ti) Randteil Zentraler Teil Erfindungsgemäse Legierung Vergleichslegierung
  • Beispiel 3
  • Erfindungsgemäße Legierungen (I) und (J) und Vergleichslegierungen (5) und (6) wurden hergestellt und auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 beschrieben geprüft. Die Vergleichsergebnisse sind in den Tabellen 6 und 7 angegeben. Wie in Beispiel 1 sind die erfindungsgemäßen Legierungen besser als die bekannten Legierungen hinsichtlich der Absplitterungsbeständigkeit und der Hochtemperaturfestigkeit. Tabelle 6 Zusammengesetztes Carbo-Nitrid Mischverhältnis Erfindungsgemäse Legierungen Vergleichslegierung Tabelle 7 Härte Rißbeständigkeit Faltebeständigkeit Kreich-Brech-Zeit bei hoher Temperatur Geschwindigkeit bei der Bildung der Absplitterung Standzeit Erfindungsgemäse Legierungen Vergleichslegierungen
  • Aus den obigen Erläuterungen geht hervor, daß erfindungsgemäße Verbesserungen in der Absplitterungsbeständigkeit und der Hochtemperaturbeständigkeit möglich sind, die mit den bekannten Cermetlegierungen nicht möglich waren. Die erfindungsgemäßen Cermetlegierungen können daher für Endwalzschneiden, Hochgeschwindigkeitsschneiden und das Schneiden für hochfeste Materialien verwendet werden.

Claims (3)

1. Cermetlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie 50 bis 95 Gew.-% Teilchen einer harten Phase und als Rest eine Bindungsphase aus einem oder mehreren Elementen der Eisenfamilie und unvermeidbare Verunreinigungen umfaßt, wobei die harte Phase Teilchen aus einem zusammengesetzten Carbo-Nitrid und mindestens sowohl Wolfram als auch Titan und gegebenenfalls ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus den Elementen der Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems, umfaßt, wobei die Teilchen aus dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid eine Rand- und Kernstruktur besitzen, die einen Kernteil aus einem an Titan und Stickstoff armen zusammengesetzten Carbo-Nitrid, umgeben von einem Randteil aus einem an Titan und Stickstoff reichen zusammengesetzten Carbo-Nitrid, umfassen.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Phase (a) 50 Vol.-% oder weniger TiN- oder TiCN-Teilchen mit N ≥ C mit keiner Rand- und Kernstruktur und (b) Teilchen aus dem zusammengesetzten Carbo-Nitrid mit einer Rand- und Kernstruktur umfaßt.
3. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß TiN oder TiCN und ein Element oder mehrere Elemente der Eisenfamilie mit einem Carbo-Nitrid von Wolfram und Titan und gegebenenfalls einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus den Gruppen 4a, 5a und 6a des periodischen Systems, vermischt werden und das Gemisch unter Bildung der Cermetlegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 gesintert wird.
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