DE60009364T2

DE60009364T2 - Sinterkarbid mit aushartbarer Binderphase

Info

Publication number: DE60009364T2
Application number: DE60009364T
Authority: DE
Inventors: Bo Jansson; Jan Qvick
Original assignee: Seco Tools AB
Current assignee: Seco Tools AB
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: SE519235C2; US6258147B1; DE60009364D1; JP2000219931A; ATE263258T1; EP1024207A1; SE9900320D0; EP1024207B1; SE9900320L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Material auf der Basis einer härtbaren Binderphase in Hartmetall auf der Grundlage von Submikron-WC.
Es ist erwünscht, Schneidwerkzeugmaterialien mit einer höheren Verschleißbeständigkeit im Vergleich mit Schnellarbeitsstahl und zäher als Hartmetall zu entwickeln. Ein Beispiel eines solchen Materials ist die US-3,658,604, die Material beschreibt, welches 15 bis 75 Gew.-% WC in einer Matrix von Co und Fe mit einem Verhältnis von Co zu Fe von 0,65 bis 2,0 enthält. Ein anderes Beispiels ist die US-4,145,213, die 30 bis 70 Vol.-% Submikron-harte Bestandteile in einer Matrix vom Typ Schnellarbeitsstahl beschreibt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein hartes Material auf der Basis von Submikron-WC in einer härtbaren Binderphase zu bekommen.
Es ist ein weiteres Ziel, ein Material mit einer abgeglichenen Binderphasenzusammensetzung und Härtungstemperatur zu bekommen. Eine wirksame Ausfällung von sekundären Karbiden erfordert einen guten Abgleich zwischen Karbidbildnern und gelöstem Kohlenstoff in der gehärteten Binderphase.
1 zeigt eine SEM-Mikrofotografie eines Material nach der Erfindung in einer 10.000-fachen Vergrößerung.
Das Material nach der vorliegenden Erfindung besteht aus 50 bis 90 Gew.-% WC, vorzugsweise 60 bis 75 Gew.-% WC, in einer härtbaren (martensitischen) Matrix. Das WC hat eine mittlere Korngröße von < 0,8 μm, vorzugsweise < 0,4 μm, wobei im wesentlichen alle Körper < 1 μm sind. Die härtbare Binderphase enthält Fe, Co und Ni mit einem Co-Gehalt von 10 bis 60 Gew.-% und einem Ni-Gehalt von < 10 Gew.-%, vorzugsweise > 0,5 Gew.-%. Außerdem muß die Binderphase zusätzlich zu gelöstem W Cr und möglicherweise Mo und/oder V enthalten. Die Menge an gelöstem W, Cr und Mo in der Binderphase muß abgeglichen mit gelöstem C bei der Härtungslösungstemperatur sein, so daß 2xC < xW + xCr + xMo + xV < 2,5 xC,worin x die Molanteile der Elemente in der Binderphase bedeutet. Der Kohlenstoffgehalt der Binderphase muß 0,2 bis 0,8 Gew.-% C, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 Gew.-% C sein. Diese Erfordernisse führen zu der folgenden Relation für den gesamten Cr-Gehalt des Materials: 0,03 < Gew.-% Cr/(100 – Gew.-% WC) < 0,05.
Die gehärtete Binderphase besteht aus einer martensitischen Matrix mit einer feinen Dispersion, einigen Prozenten, vorzugsweise mehr als 5%, kohärenter Karbide, vorzugsweise vom M₂C-Typ, mit einer Größe in der Größenordnung von 10 nm. Die martensitische Struktur ist raumzentriert tetragonal (bct) und kann bei zu 20 Vol.-% flächenzentrierte kubische Metallphase (fcc) enthalten.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform enthält das Material eine Binderphase mit 10 bis 15 Gew.-% Co. Der C-Gehalt sollte so eingestellt werden, daß die kleineren Mengen von M₆C-Karbid gebildet werden, 2 bis 5 Vol.-%, weniger als 10 μm in der Größe.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform enthält das Material eine Binderphase mit 45 bis 55 Gew.-% Co. Diese Ausführungsform vermeidet die Bildung von M₆C-Karbiden und anderen unerwünschten Phasen, wie Graphit, M₂₃C₆, M₇C₃, M₃C₂ usw. Der gebildete Martensit in dieser Ausführungsform liegt in einer Ordnung vor, was eine weitere Steigerung der Härte ergibt.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform enthält das Material eine Binderphase mit 5 bis 10 Gew.-% Ni. Dieses führt zu einer Ausfällung von Ni-reichen metallischen fcc-Teilchen von Nanogröße gleichzeitig mit der Karbidausfällung. Die Gegenwart der fcc-Teilchen, vorzugsweise 10 bis 25 Vol.-%, steigert signifikant die Zähigkeit, vermindert aber etwas die Härte.
Das Material nach der vorliegenden Erfindung wird mit pulvermetallurgischen Methoden, Vermahlen, Pressen und Sintern hergestellt. Geeignete Mengen von Pulvern, die harte Bestandteile und Binderphase bilden, werden naß vermahlen, getrocknet, zu Körpern erwünschter Form und Abmessung gepreßt und gesintert.
Das Sintern erfolgt in dem Temperaturbereich 1230 bis 1350°C, vorzugsweise im Vakuum. Die erste bevorzugte Ausführungsform erfordert ein isothermes Halten bei etwa 1180°C während zwei Stunden, um M₆C-Karbide mit einer erwünschten Größe zu bilden, gefolgt von einem Sintern bei einer Temperatur, wo die Binderphase teilweise geschmolzen ist, 1230 bis 1250°C, um die Bildung zu großer M₆C-Teilchen zu vermeiden. Die zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsformen können bei Temperaturen gesintert werden, bei denen die Binderphase vollständig geschmolzen ist, 1280 bis 1350°C.
Nach dem Sintern wird das Material heiß behandelt. Das Material ist eine im Bereich von 1000 bis 1150°C behandelte Lösung, wo die Binderphase eine flächenzentrierte kubische Struktur während etwa 15 Minuten in einer Schutzatmosphäre hat, um Karbidbildner und etwas weiteres W in der Binderphase zu lösen. Das Kühlen von der Lösungstemperatur aus muß bei einer raschen Temperaturabnahme von etwa 10 bis 100°C je Sekunde forciert werden, um eine martensitische Umwandlung zu erhalten, zum Beispiel durch Ölabschrecken oder ähnliches. Schließlich wird das Material einmal oder mehrmals im Bereich 500 bis 650°C während etwa 1 Stunde hitzebehandelt und danach forciert gekühlt. Der Zweck der Endhitzebehandlung ist der, eine Dispersion von Karbiden mit Nanogröße vom M₂C- oder MC-Typ zu erhalten und die Menge an zurückgehaltener flächenzentrierter kubischer Phase zu steuern.
Einsätze nach der Erfindung können mit dünnen verschleißbeständigen Schichten nach bekannter Technik, vorzugsweise PVD-Technik, beschichtet werden.
Beispiel 1
Aus einem Pulvergemisch mit 31,4 Gew.-% Fe (BASF Iron CS), 4,8 Gew.-% Co (OMG Cobalt extrafein), 1,8 Gew.-% Cr₃C₂ (HC Starck), 61,6 Gew.-% WC (HC Starck DS 80, Korngröße 0,8 μm) und 0,4 Gew.-% W wurden Dreheinsätze vom Typ SNUN 120412 gepreßt. Die Einsätze wurden mit strömendem H₂ bis zu 450°C zum Entwachsen, ferner im Vakuum bis zu 1180°C mit einer zweistündigen Haltezeit und gefolgt durch Sintern während 1 Stunde bei 1240°!C gesintert.
Die Härte nach dem Ofenkühlen war 797 HV10. Die Einsätze wurden 15 Minuten auf 1100°C gehalten und dann in Öl abgeschreckt, was zu einer Härte von 1035 HV10 führte. Doppeltes Tempern, 1 Stunde bei 550°C, steigerte die Härte weiter auf 1058 HV10.
Beispiel 2
Aus einem Pulvergemisch mit 15,4 Gew.-% Fe (BASF Iron CS), 15,4 Gew.-% Co (OMG Cobalt extrafein), 1,8 Gew.-% Cr₃C₂ (HC Starck), 67,3 Gew.-% WC (Dow Chemical superultrafein, Korngröße 0,2 μm) und 0,1 Gew.-% Ruß wurden Dreheinsätze vom Typ SEAN 1203AFN gepreßt. Die Einsätze wurden mit strömendem H₂ bis zu 450°C z um Entwachsen, ferner im Vakuum bis zu 1180°C mit einer zweistündigen Haltezeit, gefolgt von einem Sintern bei 1350°C während 1 Stunde gesintert. Siehe 1.
Die Härte nach dem Ofenkühlen war 1088 HV10. Die Einsätze wurden 15 Minuten auf 1080°C gehalten und dann in Öl abgeschreckt, was zu einer Härte von 1216 HV10 führte. Doppeltes Tempern, d. h. bei 550°C, steigerte die Härte weiter auf 1289 HV10.
Beispiel 3
Die SEAN 1203AFN-Einsätze des Beispiels 2 wurden geschliffen und mit einer 3 μm dicken TiN-Schicht nach bekannter PVD-Technik beschichtet. Einsätze der gleichen Geometrie mit einem Schnellarbeitsstahlsubstrat (Alesa) und einem Submikron-Hartmetall, WC + 13 Gew.-% Co, Substrat (Seco Tools F40M) wurden in dem gleichen Ansatz beschichtet.
Mit den Einsätzen SEAN 1203 AFN wurden Frästests mit einem einzelnen Zahn in einem gewöhnlichen Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt durchgeführt. Die folgenden Daten wurden verwendet:

Geschwindigkeit = 125 m/Min.

Vorschub = 0,05 mm/Umdrehung

Schneidtiefe = 2,0 mm
Die mittlere Standzeit für den Schnellarbeitsstahleinsatz war 3 Minuten, für den Einsatz nach der Erfindung, Beispiel 2, 17 Minuten und für den Hartmetalleinsatz 40 Minuten.
Beispiel 4
Aus einem Pulvergemisch mit 13,0 Gew.-% Fe (BASF Iron CS), 11,3 Gew.-% Co (OMG Cobalt extrafein), 1,9 Gew.-% Ni (INCO), 1,2 Gew.-% Cr₃C₂ (H. C. Starck), 72,0 Gew.-% WC (Dow Chemical superultrafein, Korngröße 0,2 μm) und 0,6 Gew.-% C wurden Dreheinsätze vom Typ SNUN 120412 gepreßt. Die Einsätze wurden mit strömendem H₂ bis zu 450°C zum Entwachsen gesintert, weiter im Vakuum bis zu 1180°C mit einem zweistündigen Anhalten und schließlich durch Sintern bei 1300°C während 0,5 Stunden.
Die Härte nach dem Ofenabkühlen war 1270 Nv10, die Einsätze wurden bei 1100°C während 15 Minuten gehalten und dann in Öl abgeschreckt, was zu einer Härte von 1336 HV10 führte. Nach doppeltem Tempern, 1 Stunde bei 560°C, 600°C und 640°C, war die Härte 1351 Hv10, 1294 HV10 bzw. 1244 HV10.

Claims

Hartmetall, bestehend aus 50 bis 90 Gew.-% Submikron-WC in einer härtbaren Binderphase, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase zusätzlich zu dem Rest von Eisen aus 10 bis 60 Gew.-% Co, < 10 Gew.-% Ni, 0,2 bis 0,8 Gew.-% C und Cr und W und gegebenenfalls Mo und/oder V in Mengen besteht, die der Gleichung 2xC <xW + xCr + xMo + xV < 2,5 xC,genügen, wobei x den Molanteil der Elemente in der Binderphase bedeutet und die folgende Gleichung dem Gesamt-Cr-Gehalt in dem Hartmetall entspricht: 0,03 <Gew.-% Cr/(100 –Gew.-% WC) < 0,05.
Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase Martensit mit einer feinen Dispersion, einigen Prozenten, kohärenter Karbide, vorzugsweise vom Typ M₂C, mit einer Größe in der Größenordnung von 10 nm enthält.
Hartmetall nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Martensit raumzentriert tetragonal (bct) ist und bis zu 20 Vol.-% flächenzentrierte kubische metallische Phase (fcc) enthält.
Hartmetall nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Binderphase 10 bis 15 Gew.-% Co und 2 bis 5 Vol.-% M₆C-Karbid mit einer Größe < 10 μm enthält.
Hartmetall nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase 45 bis 55 Gew.-% Co enthält und frei von M₆C, M₂₃C₆, M₇C₃ und M₃C₂ mit geordnetem Martensit ist.
Hartmetall nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderphase 5 bis 10 Gew.-% Ni mit Ni-reichen metallischen fcc-Teilchen mit Nanogröße, vorzugsweise 10 bis 25 Vol.-%, enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalls nach den Ansprüchen 1 bis 6 nach metallurgischen Methoden, Vermahlen, Pressen und Sintern von Pulvern, die harte Bestandteile und Binderphase bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in dem Temperaturbereich von 1230 bis 1350°C, vorzugsweise im Vakuum erfolgt, wonach das Hartmetall bei 1000 bis 1150°C während etwa 15 Minuten in einer Schutzatmosphäre lösungsbehandelt wird, von der Lösungstemperatur beispielsweise durch Abschrecken mit Öl zwangsgekühlt wird und schließlich einmal oder mehrere Male bei 500 bis 650°C während etwa 1 Stunde hitzebehandelt und schließlich zwangsgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein isothermes Anhalten bei etwa 1180°C während zwei Stunden und danach ein Sintern bei einer Temperatur, bei der die Binderphase teilweise geschmolzen ist, 1230 bis 1250°C, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Sintern bei 1280 bis 1350°C.