DE4413295C1

DE4413295C1 - Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern aus im wesentlichen Wolframkarbid und einem Anteil Kobalt, sowie ein nach diesem Verfahren hergestellter Hartmetallkörper

Info

Publication number: DE4413295C1
Application number: DE4413295A
Authority: DE
Inventors: Fritz Schaefer; Bernd Ries; Frank Lachmann; Bernd Horn; Ernst Heiderich; Dieter Kremer
Original assignee: Boart Longyear GmbH and Co KG Hartmetallwerkzeugfabrik; Boart HWF GmbH and Co KG Hartmetallwerkzeugfabrik
Current assignee: Boart Longyear GmbH and Co KG
Priority date: 1994-04-16
Filing date: 1994-04-16
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2014-04-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern aus im wesentlichen Wolframkarbid und einem Anteil Kobalt, sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Hartmetallkörper.

Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern für Werkzeuge aus Karbiden und Hilfsmetallen sind seit langem in vielerlei Ausführungen bekannt. Insbesondere ist es bekannt, daß Hartmetallkörper aus im wesentlichen Wolframkarbid und Kobalt bestehen, wie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 481 212 hervorgeht. Solche Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetall-Legierungen sind bereits seit den 30er Jahren bekannt, und es wurde auch schon sehr früh festgestellt, daß die physikalischen Eigenschaften derartiger Legierungen sehr stark vom Kobaltgehalt und der eingesetzten Korngröße abhängig sind.

Bei der Betrachtung von Wolframcarbid-Kobalt-Legierungen fällt auf, daß die Rockwellhärten mit steigenden Kobaltgehalten abfallen. Gleiches gilt bei hochkobalthaltigen Legierungen für das spezifische Gewicht und die Härte. Die Bruchfestigkeit nimmt dagegen mit steigendem Kobaltgehalt, insbesondere im Bereich bis 6% Kobalt, stark zu und geht oberhalb von ca. 20% in einen relativ konstanten Wert über.

Somit ist es zwar möglich, durch die Einstellung eines "optimalen" Kobalt-Gehaltes die Härte der bekannten Hartmetalle zu optimieren, doch sind Zugeständnisse bezüglich der Bruchfestigkeit die Folge. Dennoch ist es ständiges Bestreben, die Verschleißeigenschaften und das Bruchfestigkeitsverhalten von Hartmetallkörpern zum Erreichen optimaler Gesamteigenschaften noch weiterzuentwickeln.

Darüber hinaus ist aus der DE 33 47 501 C2 ein Bohrwerkzeug mit Hartmetalleinsatzkörper und ein Herstellverfahren für solche Hartmetalleinsatzkörper bekannt. Diese bekannten Hartmetalleinsatzkörper bestehen aus einer Schichtung zweier Hartmetalle unterschiedlicher Konsistenz, die abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind und hinsichtlich der Schichtungsfolge von der Drehachse aus gesehen derart asymmetrisch angeordnet sind, daß bei Rotation des Werkzeuges um die Drehachse die Schnittbahn eines harten Hartmetalleinsatzkörper-Abschnittes einer Schneidenhälfte die Schnittbahn eines demgegenüber zähen Hartmetalleinsatzkörper-Abschnittes zu einer anderen Schneidenhälfte abdeckt. Dabei erfolgt die Herstellung dieser bekannten Hartmetalleinsatzkörper durch eine Schichtung einer Mehrzahl sich abwechselnder Mischungen. Für die Funktion dieser bekannten Hartmetalleinsatzkörper ist wesentlich, daß ein eindeutig begrenzter Übergang zwischen den Material schichten des Einsatzkörpers vorgesehen ist, weil dadurch beim Bohren eine Kantenwirkung zwischen "hart" und "weich" bzw. "zäh" entsteht, die bei Abnutzung der Schneide noch zunimmt. Daraus folgt, daß die Standzeit solcher Hartmetalleinsatzkörper von der Abnutzung der weicheren Schichten abhängt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Hartmetallkörpern mit einem verbesserten Verschleiß- und Bruchfestigkeitsverhalten zur Erhöhung der Standzeit von Werkzeugen, die mit solchen Hartmetallkörpern bestückt sind und die Schaffung eines solchen Hartmetallkörpers.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch die folgenden Schritte gelöst:

- Herstellen zweier Hartmetallmischungen, wobei die eine Hartmetallmischung von sehr feiner Körnung ist und einen geringen Kobaltanteil aufweist und die andere Hartmetallmischung von mittlerer Körnung ist und einen höheren Kobaltanteil aufweist,
- Befüllen einer Matrize mit einer der beiden Hartmetallmischungen,
- Absenken der Matrize,
- Befüllen der Matrize mit der anderen Hartmetallmischung,
- Pressen der Hartmetallmischungen zu einem Preßling in der vorgegebenen Form und
- Sinterung des Preßlings zum fertigen Hartmetallkörper.

Hinsichtlich des Hartmetallkörpers selbst besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß der Hartmetallkörper zwei Schichten aufweist und daß die Schicht feinerer Korngröße (Schneidschicht) einen höheren Kobaltgehalt aufweist als die Schicht mittlerer Korngröße (Stützschicht).

Die zuvor genannten Lösungen der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 scheinen auf den ersten Blick widersprüchlich, da beim Preßling die Hartmetallmischung feiner Körnung einen geringeren Kobaltanteil aufweist als die Hartmetallmischung mittlerer Körnung und beim fertig gesinterten Hartmetallkörper der Kobaltgehalt im Bereich feiner Korngröße (Schneidschicht) höher liegt als im Bereich mittlerer Korngröße (Stützschicht). Dies ist dadurch begründet, daß beim Sintervorgang eine Diffusion des Kobalts aus der Schicht mittlerer Körnung in die Schicht der feinen Körnung stattfindet. Dennoch gibt es eine klare Abgrenzung zwischen den Schichten unterschiedlicher Körnung, wie aus den Fig. 1 und 2 deutlich hervorgeht, die weiter unten noch näher beschrieben werden.

Die Erfindung beruht also auf der überraschenden Erkenntnis, daß gewisse Hartmetallkombinationen in Verbindung mit einem speziellen Herstellungsverfahren die günstigen Eigenschaften der herzustellenden Hartmetallkörper ergeben.

Erfindungsgemäß ist es also möglich, Hartmetallkörper beliebiger Geometrie in "Zweischicht-Struktur" herzustellen. Dabei weist die äußere Schneidschicht feinerer Korngröße eine deutlich höhere Härte auf als die grobere Stützschicht. Bedingt durch die Diffusion des Kobalts (Cobalt Drift), ist der Kobaltanteil in dieser äußeren Schneidschicht - genau wie die Härte - höher als in der groberen Stützschicht. Durch die bei der Sinterung induzierten Spannungen erfährt das Mehrschichthartmetall eine Eigenstützung, die zu einer erhöhten Bruchzähigkeit des gesamten Hartmetallkörpers führt. Diverse Bruchversuche haben hier deutlich höhere Werte ermitteln können als im Vergleich zu konventionellen Hartmetallkörpern.

Um dies zu erreichen, weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Hartmetallmischung mittlerer Körnung einen Kobaltanteil zwischen 8 und 20%, bevorzugt zwischen 11 und 17% und insbesondere von etwa 15% Co auf. Dagegen haben die Hartmetallmischungen sehr feiner Körnung einen Kobaltanteil zwischen 2 und 8% und bevorzugt von etwa 4% Co.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung liegen die Korngrößen der Hartmetallmischung mittlerer Körnung zwischen 2,5 µm und 15 µm, bevorzugt bei etwa 10 µm. Die Korngröße der Hartmetallmischungen sehr feiner Körnung liegen zwischen 0,6 und 1,0 µm, insbesondere bei etwa 0,8 µm.

Da bei dem Einsatz unterschiedlicher Hartmetallsorten beim Sintervorgang verschiedene Schrumpffaktoren auftreten, werden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Preßlinge in eine solche Form gebracht, daß die Oberflächen des Preßlings sphärisch gewölbt sind und daß diese gewölbten Oberflächen durch das Sintern in weitgehend ebene Oberflächen umgewandelt worden sind. Dies ist am Beispiel eines Preßlings für eine flach ausgebildete Schneidplatte in Fig. 4 dargestellt und weiter unten beschrieben.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Herstellung flacher Hartmetallkörper begrenzt, es lassen sich vielmehr Hartmetallkörper beliebiger Geometrie herstellen. Von der Geometrie ist es schließlich abhängig, ob beim Herstellungsverfahren zuerst die Hartmetallmischung sehr feiner oder mittlerer Körnung eingefüllt wird.

Anschließend wird die Erfindung anhand einer die Erfindung näher erläuternden Zeichnung genauer beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Übersichtsaufnahme eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hartmetallkörpers in 6facher Vergrößerung,

Fig. 2 eine "Nahaufnahme" der Trennschicht in 1000facher Vergrößerung,

Fig. 3 ein Diagramm über die Verteilung von Kobaltgehalt und Härte über die Tiefe einer erfindungsgemäßen Hartmetall-Schneidplatte gemäß Fig. 1,

Fig. 4 Ober- und Unterstempel zur Herstellung eines Preßlinges für den Hartmetallkörper gemäß den Fig. 1 und 2 und

Fig. 5 einen erfindungsgemäß hergestellten Hartmetallkörper in Stiftform.

In Fig. 1 ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Hartmetallkörper in Form einer Schneidplatte 1 mit einer dünneren Schneidschicht 2 und einer dickeren Stützschicht 3 dargestellt. Der Übergang zwischen Schneidschicht 2 und Stützschicht 3 ist dabei als Trennlinie 4 deutlich zu erkennen. Aus der Abbildung des Anschliffs gemäß Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, daß die Schneidschicht 2 im wesentlichen eine viel feinere Korngröße besitzt als die Stützschicht 3.

Bemerkenswert ist nunmehr, daß in der äußeren Schneidschicht 2 des Hartmetallkörpers trotz des höheren Kobaltgehaltes eine größere Härte gemessen werden kann als in der Stützschicht 3 geringeren Kobaltgehaltes. Diese Abhängigkeiten lassen sich deutlich der Fig. 3 entnehmen. Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die Verteilung von Kobaltgehalt und Härte über die Tiefe der Schneidplatte gemäß Fig. 1. Dabei ist die Trennlinie 4 schematisch als Gerade dargestellt. Es ist schnell ersichtlich, daß der Kobaltgehalt in der Schneidschicht 2, der beim Preßling lediglich 4% betragen hat, bis auf 18% Co angestiegen ist. Gleichzeitig ist ebenfalls in der gesamten Tiefe der Schneidschicht 2 eine größere Härte festzustellen. Die Migration des Kobalts aus der groberen Stützschicht 3 in die feinere außen liegende Schneidschicht während des Sintervorganges führt also zu wesentlich verbesserten Eigenschaften eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hartmetallkörpers. Die Standzeit eines solchen Hartmetallkörpers läßt sich erfindungsgemäß gravierend verlängern.

Fig. 4 zeigt nun in schematischer Darstellung zwei Preßstempel, Oberstempel 5 und Unterstempel 6, zwischen denen der Preßling 7 erkennbar ist. Dabei sind die Druckflächen von Oberstempel 5 und Unterstempel 6 als sphärisch gewölbte Oberflächen 8 und 9 ausgebildet. Zwischen den Preßflächen der beiden Stempel 5 und 6 ist nun der - ebenfalls mit gewölbten Oberflächen dargestellte - Preßling 7 zu sehen. Aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfungsfaktoren der verwendeten Hartmetallsorten ist die fertig gesinterte Schneidplatte 1 nicht nur deutlich kleiner als der Preßling 7, sondern ihre Oberflächen, insbesondere die Schneidschicht 2 weist eine ebene Fläche auf.

Schließlich ist in Fig. 5 nur schematisch angedeutet, daß auch Hartmetallkörper anderer Geometrien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können. Dazu zeigt Fig. 5 einen Stift 10, dessen Schneidspitze 11 den gleichen Aufbau hat wie die Schneidschicht 2 der Schneidplatte 1. Dementsprechend entspricht ein zylindrischer Stützkörper 12 der Stützschicht 3 der Schneidplatte 1.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Hartmetallkörpern aus im wesentlichen Wolframkarbid und einem Anteil Kobalt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallmischung mittlerer Körnung einen Kobaltanteil zwischen 8 und 20% Co aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallmischung mittlerer Körnung einen Kobaltanteil zwischen 11 und 17% Co aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallmischung mittlerer Körnung einen Kobaltanteil von etwa 15% Co aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallmischung sehr feiner Körnung einen Kobaltanteil zwischen 2 und 8% Co aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallmischung sehr feiner Körnung einen Kobaltanteil von etwa 4% Co aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Hartmetallmischung mittlerer Körnung zwischen 2,5 µm und 15 µm liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Hartmetallmischung mittlerer Körnung etwa 10 µm beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Hartmetallmischung sehr feiner Körnung zwischen 0,6 und 1,0 µm liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße der Hartmetallmischung sehr feiner Körnung etwa 0,8 µm beträgt.

11. Hartmetallkörper, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hartmetallkörper zwei Schichten aufweist und daß die Schicht größerer Härte (Schneidschicht) einen höheren Kobaltgehalt aufweist als die Schicht geringerer Härte (Stützschicht).

12. Hartmetallkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen des Preßlings sphärisch gewölbt sind und daß diese gewölbten Oberflächen durch das Sintern in weitgehend ebene Oberflächen umgewandelt worden sind.