DE602006000982T2

DE602006000982T2 - Verfahren zur Herstellung eines zementierten Carbidpulvers bei niedrigem Druck

Info

Publication number: DE602006000982T2
Application number: DE602006000982T
Authority: DE
Inventors: Ove Alm; Susanne Norgren; Alistair Coventry CV3 6HW Grearson
Original assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: EP1749601B1; DE602006000982D1; KR101278350B1; SE0501746L; JP5324033B2; CN100592945C; KR20070015030A; CN1903486A; IL176536A; JP2007039810A; EP1749601A1; IL176536A0; US20070025872A1; US8425652B2; ATE392967T1; SE529297C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von feinkörnigen Hartmetallpulvern, insbesondere von Submikrometer- und Nanogröße mit niedrigem Kompaktierungsdruck und das erhaltene Pulver.
Hartmetall wird durch Nassmahlen von Pulvern, die Hartbestandteile bilden, Pulvern, welche die Binderphase bilden, und Pressmittel, im Allgemeinen PEG (Polyethylenglykol), zu einer wässrigen Masse, Trocknen der wässrigen Masse, üblicherweise durch Sprühtrocknen, Werkzeugpressen des getrockneten Pulvers zu Körpern von gewünschter Form und schließlich Sintern hergestellt. Während des Sinterns schrumpfen die Körper linear um ungefähr 16–20%. Die Schrumpfung ist abhängig von dem Pressdruck, der WC-Korngröße, der Korngrößenverteilung und dem Co-Gehalt. Da die Herstellung von Presswerkzeugen teuer ist, werden sie für eine lineare Standardschrumpfung von zum Beispiel 18% hergestellt. Die richtige Schrumpfung wird durch Aufbringen eines bestimmten Pressdrucks auf eine bestimmte Menge Pulver erreicht. Es ist äußerst wichtig, dass der gesinterte Körper eine Größe und Form hat, die der gewünschten Form am ehesten entspricht, um teure Verfahren nach dem Sintern, wie z. B. Schleifen, zu vermeiden. Wenn die Korngröße jedoch fein ist, zum Beispiel im Submikrometerbereich oder feiner, wird ein höherer Pressdruck benötigt, um eine Dichte im Grünling zu erreichen, die die nötige Schrumpfung liefert. Ein hoher Pressdruck ist nicht wünschenswert aufgrund des Risikos, Druckrisse in den gepressten Körpern und eine abnormale Abnutzung der Kompaktierungswerkzeuge und sogar ein Risiko von Werkzeugfunktionsfehlern und Verletzungen bei den Bedienpersonen zu erhalten. Des Weiteren wird die Kontrolle der Abmessungen des gesamten gesinterten Teils vereinfacht, wenn der Pressdruck innerhalb eines bestimmten Intervalls gehalten wird.
Ein Verfahren zum Senken des Kopaktierungsdrucks bei Hartmetall von Submikrometergröße ist in EP-A-1043413 offenbart. Das beschriebene Verfahren umfasst das Vormischen aller Komponenten mit Ausnahme von WC für ungefähr drei Stunden, das Hinzufügen des WC-Pulvers und anschließend das Mahlen für ungefähr zehn Stunden.
Ein geläufiges Pressmittel in der Eisenpulvermetallurgie ist Zn-Stearat.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zum Senken des Pressdrucks während der Herstellung von feinkörnigen Hartmetallen bereitzustellen.
Es wurde nun überraschend festgestellt, dass ein Hartmetallpulver von Submikrometergröße mit einem verringerten Kompaktierungsdruck bei einer vorgegebenen Einwaage für eine lineare Schrumpfung von 18% erhalten werden kann, wenn eine Mischung aus PEG und einer Fettsäu renverbindung, die ein Gemisch von Salzen mit größerem Molekulargewicht, meist ungesättigte Fettsäuren, aufweist, als Pressmittel in Verbindung mit dem Vormahlen der Hartbestandteile, vorzugsweise in trockenem Zustand, verwendet wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bei allen Arten von Hartmetallen angewandt werden, die WC und/oder andere Karbide und 2–20 Gew.-% Co, vorzugsweise 5–15 Gew.-% Co aufweisen. Es ist besonders nützlich für Hartmetalle von Submikrometergröße mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,2–1,2 μm, vorzugsweise 0,3–1,0 μm, mit im Wesentlichen keinen WC-Körnern > 1,5 μm und mit Kornwachstumshemmern, insbesondere < 1 Gew.-% Cr und/oder < 1 Gew.-% V.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung eines pressbereiten Hartmetallpulvers, welches für die Herstellung von Hartmetall von Submikrometergröße durch die pulvermetallurgischen Techniken Nassmahlen, Pressen und Sintern geeignet ist. Das Nassmahlen wird zum Beispiel in Ethanol mit Pulvern von WC, möglicherweise auch weiteren Hartbestandteilen, und Bindermetall, möglicherweise Ruß oder Wolframpulver beziehungsweise einem Pressmittel durchgeführt. Das Verfahren umfasst die Verwendung von 1–3 Gew.-% eines Pressmittels, das < 90 Gew.-% PEG und 10–75 Gew.-%, vorzugsweise 25–50 Gew.-% von Gemischen von gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren mit hohem Molekulargewicht (C12–<C20) oder Salzen davon, die mindestens ein Element von Al, Ba, Ca, Co, Cr, Mg, N, Na, V, Zn, vorzugsweise Co, Cr, N, V oder Zn getrocknet, vorzugsweise sprühgetrocknet enthalten, welche zu Körpern von gewünschter Form zusammengepresst und dichten, homogenen, leistungsstarken Hartmetalleinsätzen gesintert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Mahlprozess mit einer Vormahlstufe begonnen, in der die Pulver, die die Hartbestandteile bilden, zwischen 2 und 45 Stunden unter Verwendung von Kugelmühlen mit Hartmetallmahlkörpern oder anderen geeigneten Trockenmahltechniken trocken gemahlen werden. Die erforderliche Trockenmahlzeit ist abhängig von der Größe der Mühle, der Pulverkorngröße und dem gewünschten Endpressdruck oder der Schrumpfung und kann vom sachkundigen Fachmann leicht bestimmt werden. Auf die Vormahlstufe folgt die oben beschriebene Endnassmahlstufe.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein pressbereites Pulver zur Herstellung von Hartmetall mit niedrigem Kompaktierungsdruck. Das Pulver enthält 1–3 Gew.-% eines Pressmittels der folgenden Zusammensetzung: < 90 Gew.-% PEG und 10–75 Gew.-%, vorzugsweise 25–50 Gew.-% von Gemischen gesättigter oder ungesättigter Fettsäuren mit hohem Molekulargewicht (C12–<C20) oder Salzen davon, die mindestens ein Element von Al, Ba, Ca, Co, Cr, Mg, N, Na, V, Zn, vorzugweise Co, Cr, N, V oder Zn enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Korngröße des Pulvers im Submikrometerbereich.
Beispiel 1
Ein Hartmetallpulvergemisch von Submikrometergröße mit der Zusammensetzung WC mit einer mittleren Korngröße von 0,8 μm–0,3 Gew.-% Cr–6 Gew.-% Co wurde gemäß der Erfindung hergestellt. Das Mahlen wurde in Ethanol (0,3 l Fluid pro kg Hartmetallpulver) in einer 2,5 l-Labormühle mit 8 kg Mahlkörpern durchgeführt, und die Chargengröße war 2 kg. Folgende Pressmittel wurden verwendet:
1A – PEG 40 g (Stand der Technik)
1B – PEG 28 g und 12 g eines Gemischs von Zinksalzen von hauptsächlich ungesättigten mit höherem Molekulargewicht
Nach dem Sprühtrocknen wurden die Einsätze von SNUN120408 kompaktiert und gemäß Standardverfahren gesintert. Während des Pressverfahrens wurde der Kompaktierungsdruck mit den folgenden Ergebnissen als Mittelwert von sechs Einsätzen erfasst:

Probe Kompaktierungsdruck, MPa

1A 155

1B 77
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wurde wiederholt unter Verwendung eines WC-Pulvers, das in einer kleinen 2,5 l-Laborkugelmühle mit 8 kg Mahlkörpern und 2,0 kg WC-Pulver für 12 Stunden trocken vorgemahlen wurde. Folgende Pressdrücke wurden erzielt:

Probe Kompaktierungsdruck, MPa

2A 130

28 47
Die gesinterten Einsätze dieser zwei Beispiele wurden einer metallurgischen Routineüberprüfung unterzogen. Es wurden dichtgesinterte Strukturen erhalten und keine Anzeichen von Porosität oder Druckrissen festgestellt. Der erfasste Pressdruck war jedoch bei den Proben in Beispiel 2 viel niedriger als bei den Proben in Beispiel 1. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Pressdrücke bei den Proben 1B und 2B erheblich niedriger waren als bei den entsprechenden Proben 1A und 2A, die nur PEG als Pressmittel enthielten. Diese Ergebnisse sind durchaus vorteilhaft für die Lebensdauer von Presswerkzeugen.
Beispiel 3
Ein Hartmetallpulvergemisch von Submikrometergröße mit der Zusammensetzung WC mit einer mittleren Korngröße von 0,3 μm–0,5 Gew.-% Cr–10 Gew.-% Co wurde gemäß der Erfindung hergestellt. Das Mahlen wurde in Ethanol (0,3 l Fluid pro kg Hartmetallpulver) in einer 2,5 l-Labormühle mit 8 kg Mahlkörpern durchgeführt, und die Chargengröße war 2 kg. Folgende Pressmittel wurden verwendet:
3A – PEG 40 g (Stand der Technik)
3B – PEG 25 g und 15 g eines Gemischs von Zinksalzen von hauptsächlich ungesättigten Fettsäuren mit höherem Molekulargewicht
3C – PEG 25 g und 15 g Co-Stearate
3D – PEG 28 g und 12 g Ölsäure
Nach dem Sprühtrocknen wurden die Einsätze von SNUN120408 kompaktiert und gemäß Standardverfahren gesintert. Während des Pressverfahrens wurde der Kompaktierungsdruck mit den folgenden Ergebnissen als Mittelwert von sechs Einsätzen bei einer relativen Pressdichte von 0,55 erfasst:

Probe Kompaktierungsdruck, MPa

3A 550

3B 450

3C 490

3D 460
Die gesinterten Einsätze wurden einer metallurgischen Routineüberprüfung unterzogen. Es wurden dichtgesinterte Strukturen erhalten und keine Anzeichen von Druckrissen oder größeren Poren festgestellt mit Ausnahme von Probe 3A.
Beispiel 4
Das Beispiel 3 wurde wiederholt unter Verwendung eines WC-Pulvers, das in einer kleinen 2,5 l-Laborkugelmühle mit 8 kg Mahlkörpern und 2,0 kg WC-Pulver für 35 Stunden trocken vorgemahlen wurde. Folgende Pressdrücke wurden erhalten, wenn sie zu einer relativen Pressdichte von 0,55 zusammengepresst wurden:

Probe Kompaktierungsdruck, MPa

4A 195

4B 120

4C 140

4D 130
Die gesinterten Einsätze wurden einer metallurgischen Routineüberprüfung unterzogen. Es wurden dichtgesinterte Strukturen erhalten und keine Anzeichen von größeren Poren oder Druckrisse festgestellt in 4A–4D. Die erfassten Pressdrücke waren jedoch bei den Proben in Beispiel 4 viel niedriger als bei denjenigen in Beispiel 3. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass die Pressdrücke bei den Proben 4B–4D wesentlich niedriger waren als der bei der Probe 4A erhaltene Druck, der nur PEG als Pressmittel enthält. Diese Ergebnisse sind natürlich wichtig beim Minimieren der Abnutzung der Presswerkzeuge und des Risikos von Werkzeugfunktionsfehlern.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines preßbereiten Hartmetallpulvers von Submikrometergröße, welches für die Herstellung von Hartmetall von Submikrometergröße durch die pulvermetallurgischen Techniken Mahlen, Pressen und Sintern, einschließlich Naßmahlen, z. B. in Ethanol, von Pulvern von WC, optional auch weiteren Hartbestandteilen und Bindermetall, optional Ruß oder Wolframpulver, und eines Preßmittels geeignet ist, gekennzeichnet durch die Verwendung von 1–3 Gew.-% eines Preßmittels mit der folgenden Zusammensetzung: < 90 Gew.-% PEG und 10–75 Gew.-%, vorzugsweise 25–50 Gew.-%, von Gemischen von gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren mit hohem Molekulargewicht (C12–<C20) oder Salzen davon, die wenigstens ein Element von Al, Ba, Ca, Co, Cr, Mg, N, Na, V, Zn, vorzugsweise Co, Cr, N, V oder Zn, enthalten.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch trockenes Vormahlen der Hartbestandteile, hauptsächlich WC-Pulver, für etwa 2–45 Stunden in Kugelmühlen mit Hartmetall-Mahlkörpern oder unter Verwendung anderer geeigneter Trockenmahltechniken vor einer Stufe des Naßmahlens.
Preßbereites Pulver zum Herstellen eines Hartmetalls von Submikrometergröße mit niedrigem Kompaktierungsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß es 1–3 Gew.-% eines Preßmittels mit der folgenden Zusammensetzung enthält: < 90 Gew.-% PEG und 10–75 Gew.-%, vorzugsweise 25–50 Gew.-% von Gemischen von gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren mit hohem Molekulargewicht (C12–<C20) oder Salzen davon, die wenigstens ein Element von Al, Ba, Ca, Co, Cr, Mg, N, Na, V, Zn, vorzugsweise Co, Cr, N, V oder Zn, enthalten.