DE68914580T2

DE68914580T2 - Verfahren zur Herstellung eines harten Materials im Bereich zwischen zementiertem Karbid und Schnellstahl.

Info

Publication number: DE68914580T2
Application number: DE68914580T
Authority: DE
Inventors: Hakan Morberg; Rolf Oskarsson; Holst Peder Von
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: EP0365506A2; EP0365506A3; JPH02213428A; US4973356A; SE8803777L; DE68914580D1; SE8803777D0; SE467210B; EP0365506B1; ATE104366T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung, die harte Matrialien und Bindemittelphase umfaßt, durch welche eine gleichmäßige Verteilung der harten Materialien in der Bindemittelphase erhalten wird.
Seit langer Zeit war es ein Wunsch, ein Material in dem Bereich - bezüglich der Eigenschaften - zwischen Sintercarbid und Schnellstahl zu machen. Das Ziel eines solches Materials wäre es, die positiven Eigenschaften jeder Materialtype, wie hohe Verschleißbeständigkeit, wie sie von Sintercarbid gezeigt wird, und gutes Zähigkeitsverhalten, wie es von Schnellstahl gezeigt wird, zu erreichen.
Ein Teil des Bereichs zwischen Sintercarbid und Schnellstahl wird von einem Material gemäß der schwedischen Patentschrift 7 505 630-9 (Veröffentlichungs-Nr. 392 482) abgedeckt, welche eine Legierung betrifft, die mit pulvermetallurgischen Mitteln hergestellt wird und 30 bis 70 Vol.-% harter Materialien in einer metallischen Bindemittelphase umfaßt. Die harten Matrialien sind extrem feinkörnig mit einer mittleren Korngröße von 0,04 bis 0,70 um. Die Bindemittelphase beruht auf Fe, Ni und/oder Co. Die harten Materialien umfassen insbesondere Carbide, Nitride und/oder Carbonitride auf der Basis von Ti, Zr und/oder Hf mit Zusätzen im wesentlichen von Cr, Mo und/oder W. Ein solches Material ist eher wie Sintercarbid als wie Schnellstahl bezüglich der Eigenschaften, wie des Materialschneidens und der maschinellen Bearbeitbarkeit.
Ein Verfahren zur Herstellung von Pulver der erwünschten Art ist in der schwedischen Patentanmeldung Nr. 8 504 167-1 beschrieben. Die Herstellung der fertigen Werkzeuge aus der oben diskutierten Materialtype läßt beachtliche Probleme entstehen. Schleifen beinhaltet beispielsweise große Probleme, da das Material starken Verschleiß verursacht und auch so viel Bindemittelphase enthält, daß die Schleifscheiben nicht offengehalten werden können, was zu Verbrennungen usw. führt. Dieses Problem wurde durch die schwedische Patentschrift Nr. 8 302 735-9 (Veröffentlichungs-Nr. 440 753) durch eine Verbindungsgestaltung gelöst, welche die Herstellung komplizierter Werkzeuge, wie Schaftfräser, möglich macht, in welchen die positiven Eigenschaften des harten Materials, wie die Verschleißbeständigkeit, mit dem Zähigkeitsverhalten eines Stahlkernmaterials vereinigt haben. Diese Gestaltung löst, wie angegeben auch die Schleifprobleme auf eine wirtschaftlich zufriedenstellende Weise.
Es wurde nun jedoch gefunden, daß es einen Bedarf an einem Material mit stark verbesserter Verschleißbeständigkeit als Schneidwerkzeugmaterial in der spanabhebenden maschinellen Bearbeitung im Vergleich mit Schnellstahl gibt, wobei dieses Material auch mit herkömmlichen Schneidwerkzeugen maschinell bearbeitet werden kann, d. h. durch Drehen, Schleifen und Bohren, um das erwünschte Werkzeug herzustellen. Das oben bezeichnete harte Material ist in dieser Hinsicht natürlich weniger geeignet.
Versuche, Schnellstahl zu verbessern, wurden nach der sogenannten Teilchenmetallurgie gemacht. Teilchenmetallurgie zeigte große Vorteile gegenüber herkömmlicher Metallurgie unter Verwendung der Herstellung großer Barren, die zu den erwünschten Abmessungen gewalzt werden. Mit Hilfe der Teilchenmetallurgie konnten viel größere Mengen an Carbiden in den Schnellstählen verwendet werden als mit Hilfe der Schmelzmetallurgie. Die praktische Grenze für Schnellstähle hinsichtlich des Legierens liegt bei einem Maximum von etwa 2,3 % C, 7 % Mo, 6,5 % W und 6,5 % V neben dem üblichen Chromgehalt von 4 %. Außerdem gibt es eine Kobaltmenge, deren obere Grenze etwa 12 % ist, bevor das spröde Verhalten zu stark wird. Material nach den obigen Angaben, das an der praktischen Grenze liegt, bevor eine Ausfällung großer Primärcarbide in der Schmelze stattfindet, ist im Handel erhältlich und stellt einen fortschrittlichen Schnellstahl in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit dar. Es ist aus gut abgeglichenen Legierungszusätzen aufgebaut und hat eine gesteuerte mittlere Korngröße von 1 bis 2 um.
Durch die Einführung der Teilchenmetallurgie wurde auch versucht, die Menge harter Materialien in "einfacheren" Schnellstählen, wie vom Typ M2 (0,9 % C, 4,0 % Cr, 5,0 % Mo, 6,5 % W, 2 % V, Rest Fe neben üblichen Verunreinigungen) zu steigern. In solchen Versuchen wurde ein Schnellstahlpulver durch Körnung hergestellt, wonach weitere harte Materialien in der Form elementarer Pulver zugemischt wurden, wie beispielsweise reine Carbide, vorzugsweise TiC. Danach wurde das Verfahren in der Weise fortgeführt, als seien keine zusätzlichen harten Materialien vorhanden, wie beispielsweise durch kaltes isostatisches Pressen (CIP) + heißes isotatisches Pressen (HIP) + Heißwalzen. Solche Versuche hatten keinerlei Erfolg, da sich die zugesetzten harten Materialien nicht gleichmäßig in dem Material verteilen, sondern gewöhnlich Klumpen bilden und in den meisten Fällen als lange Bänder in der Arbeitsrichtung vorliegen. Dies läßt Schwächen in dem Material entstehen, die wenigstens so ernsthaft wie die Carbidbänder sind, die in herkömmlichen Schnellstählen als eine Folge der Abscheidungen bei der Verfestigung großer Barren vorliegen. Aus einem solchen Material hergestellte Werkzeuge sind durch ein evidenteres Sprödigkeitsverhalten als die oben diskutierten teilchenmetallurgischen Schnellstähle gekennzeichnet, doch auch durch unzureichende Verschleißbeständigkeit bei vielen Anwendungen, da große Bereiche zu weich sind, was zu ungleichmäßigen Kanten und schnellem Verschleiß in der Form von Fehlern führt, die unterhöhlen und zu totalem Versagen führen.
Das harte Material nach der schwedischen Patentschrift Nr. 7 505 630-9 (Veröffentlichungs-Nr. 392 482) hat eine Biegebruchfestigkeit entsprechend jener der meisten stark legierten Schnellstähle auf dem Markt. Es wurde nun gefunden, daß die Menge harter Materialien in einem Schnellstahlpulver auf den erwünschten Wert durch Zugabe des harten Materials gesteigert werden kann oder umgekehrt ausgedrückt, durch Abnahme der Menge von harten Komponenten in dem harten Material durch "Verdünnung" mit Schnellstahlpulver, um die erwünschten Vorteile zu erhalten, d. h. ein Material mit einem wesentlich verbesserten Verschleißbeständigkeitsverhalten im Vergleich mit Schnellstahl, das aber trotzdem noch durch Drehen, Schleifen, Bohren usw. maschinell bearbeitet werden kann und keine negativen Eigenschaften, wie beeinträchtigtes Makrozähigkeitsverhalten und ungleiche Verteilung härterer und weicherer Teile, hat.
Materialien mit den oben erwähten Eigenschaften sind besonders erwünscht, wenn man Werkzeuge macht, deren Herstellung die Entfernung großer Materialmengen einschließt, aber auch für Werkzeuge, in denen das bloße harte Material verwendet wird, wie z. B. Stirnfräser, Bohrer, Reibahlen, Wälzfräser, Gewindeschneidwerkzeuge usw., in denen etwas von der Verchleißbeständigkeit geopfert werden kann, um verbessertes Zähigkeitsverhalten zu bekommen. Wie bekannt, ist kein Material vollkommen, sondern jede Materialtype hat ihre speziellen Verwendungen und Anwendungsbereiche.
So kann das Problem, das als eine ungünstige Verteilung harter Bestandteile und von Bindemittelphase gezeigt wurde, wobei dieses Problem erzeugt wird, wenn "reine" harte Bestandteile einem Schnellstahl- oder einem anderen Stahlpulver zugesetzt werden, gemäß der Erfindung vermieden werden, indem man das Stahlpulver mit einem Pulver vermischt, das harte Bestandteile und Bindemittelphase enthält. Es wurde jedoch gefunden, daß es ein Pulver der beschriebenen Type sein muß, d. h. mit 30 bis 70 Vol.-% extrem feinkörniger harter Stoffe. Sogenanntes herkömmliches Sintercarbidpulver auf WC-Co-Basis arbeitet nicht, sondern ergibt die gleichen Nachteile wie die reinen harten Komponenten. Die beiden Pulverarten, die die Erfindung betrifft, d. h. Schnellstahlpulver und Pulver mit 30 bis70 Vol.-% harter Bestandteile gemäß der früheren Bescheibung, wobei die Gesamtmenge 100 % ergibt, zeigten eine überraschend gute Misch- und Deagglomerierfähigkeit, welche dieser Materialkombination einzigartige Eigenschaften verleiht.
Gemäß der Erfindung soll jede Pulvertype 25 bis 75, vorzugsweise 30 bis 70 Vol.- % des Gemisches umfassen. Das harte Materialpulver enthält 30 bis 70 Vol.-% harte Bestandteile mit einer Korngröße von 0,04 bis 0,7 um auf der Basis von wenigstens einem aus der Gruppe der Carbide, Nitride, Oxide und Boride von wenigstens einem aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W und ein Bindemittelmetall auf der Basis wenigstens eines der Gruppe Fe, Co und Ni, wobei die Gesamtmenge 100 % ausmacht. Das Schnellstahlpulver kann aus im Handel erhältlichen bekannten Qualitäten sowie neu entwickelten Typen von Schnellstahl bestehen. Eine relativ einfache Legierungsqualität, wie Typ M2 mit einer Analyse wie oben, wird vorzugsweise ausgewählt, doch auch kobaltlegierte Schnellstähle mit besseren Hochtemperatureigenschaften können verwendet werden, wenn die Anwendung dies erfordert.
Die Pulver werden in festem Zustand verdichtet (nachdem das Schnellstahlpulver gekörnt wurde). Die Verdichtung erfolgt zweckmäßig durch Mischen/Mahlen + kaltes isostatisches Pressen (CIP) + heißes Strangpressen.
Bei der Verdichtung, wie zunächst einem heißen Strangpressen, sollte die Temperatur 1250 ºC nicht übersteigen, wobei höchstens 1200 ºC bevorzugt sind, um ein Sintern und Kornwachstum der harten Bestandteile des harten Materialpulvers zu vermeiden. Es wurde gefunden, daß sich die extrem feine Korngröße, die normalerweise 0,04 bis 0,7 um beträgt, der harten Bestandteile des harten Materials durch das Verfahren nach der Erfindung nicht verändert. Auch verändert sich die Korngröße der harten Bestandteile des Schnellstahlpulvers (welche normalerweise viel größer als jene des harten Materials oder der Größenordnung von 1 bis 2 um ist) nicht merklich in dem Verfahren nach der Erfindung.
Pulver nach der Erfindung ergibt nach heißem Verdichten Barren, die überraschend leicht maschinell durch Schneidwerkzeuge zu bearbeiten sind und die auch überraschend leicht durch Reibschweißen mit Stahl zu verschweißen sind. Diese Verfahren wären sehr schwierig, wenn die Barren aus Pulver einfach mit einem Gehalt an harten Bestandteilen von 50 % hergestellt worden wären. Eine geschweißte Welle bedeutet einen erheblich geringeren Verbrauch des teuren harten Materials und ist daher wirtschaftlich vorteilhaft oberhalb eines bestimmten Durchmessers.
Pulver nach der Erfindung kann bei der Herstellung von Verbundwerkzeugen nach der schwedischen Patentschrift Nr. 8 302 735-9 (Veröffentlichungs-Nr. 440 753) oder 8 405 628-2 (Veröffentlichungs-Nr. 453 649) verwendet werden, bei denen wenigstens ein Teil das Pulver und das andere oder die anderen Schnellstahl oder Werkzeugstahl umfassen. Eine andere Alternative für besonders fortschrittliche Verbundwerkzeuge ist wenigstens ein Teil des reinen harten Materials mit 30 bis 70 Vol.-% harter Bestandteile und dem anderen oder den anderen eines Pulvers nach der vorliegenden Erfindung, d. h. aus 25 bis 75 Vol.-% hartem Material nach den obigen Angaben und 75 bis 25 Vol.-% gekörntem Schnellstahlpulver.
Werkzeuge nach der Erfindung sind gut geeignet zum Beschichten beispielsweise mit Hilfe der PVD-Technik, da das Material die Überzugsschicht viel besser als Schnellstahl unterstützt, was zu einer überlegenen Wechselwirkung zwischen Schicht und Substrat führt.

Beispiel 1

Etwa 50 Gew.- % von unter Inertgas gekörntem Schnellstahlpulver, Typ M2, wurden mit 50 Vol.-% hartem Materialpulver, das 24,5 Ti, 7 % N, 0,6 % C, 7,5 % Co, 6 % W, 5 % Mo, 4 % Cr und Rest Eisen enthielt (neben normalerweise vorhandenen anderen Legierungselementen und Verunreinigungen) in einem gewöhnlichen Mischer während 60 min gemischt und ergab ein Pulver, aus welchem Barren für heißes Strangpressen kalt isostatisch bei 200 MPa gepreßt wurden. Die Abmessung der Barren war 69,5 x 300 mm. Die Barren wurden im Vakuum 2 h bei 1200 ºC geglüht, wonach sie in Strangpreßdosen aus Kohlenstoffstahl i 70 mm und mit einer Wanddicke von 3 mm eingekapselt wurden. Die Dosen wurden evakuiert und dicht verschlossen, wonach sie 1 h auf 1150 ºC erhitzt und zu einem runden Stab mit 24 mm stranggepreßt wurden. Aus diesem runden Stab wurden Stirnfräser hergestellt, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften in dem Bereich zwischen Schnellstahl und tatsächlichem hartem Material lagen, d. h. eine überlegene Verschleißbeständigkeit gegenüber jener von Schnellstahl hatten und ein sehr gutes Zähigkeitsverhalten in Bezug auf den hohen Gehalt an harten Bestandteilen hatten (welches viel besser war als jenes der meisten hochlegierten Schnellstähle auf dem Markt), aber noch ausgezeichnete maschinelle Bearbeitbarkeit besaß.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde wiederholt, doch wurde in Wasser gekörntes Schnellstahlpulver verwendet, dessen Kohlenstoffgehalt kompensiert wurde, um den Kohlenstoffverlust zu ergänzen, der das Ergebnis der Reduktion von Oxiden während des Vakuumglühens bei etwa 1200 ºC ist. Auch diese Tests zeigten überlegene Werkzeuge im Vergleich mit Schnellstahl.

Beispiel 3

Stirnfräser mit einer Welle mit vier Nuten des Durchmessers von 12 mm und aus einem Material nach der vorliegenden Erfindung wurden hergestellt und durch spanabhebendes maschinelles Bearbeiten in Maschinenstahl und zähem Härtungsstahl getestet. Die Werkzeuge konnten in einer Vorrichtung ähnlich jener, die normalerweise für die entsprechenden Schnellstahlwerkzeuge verwendet wird, und mit der gleichen Produktivität hergestellt werden. Die Leistung der Werkzeuge bei normaler Verwendung zeigte zweifach höhere mögliche Schneidwerte und gleichzeitig zweifach längere mittlere Lebensdauer gegenüber entsprechenden Schnellstahlwerkzeugen. Bei einem beschleunigten Test, d. h. bei höheren Schneidwerten, die höhere Schneidkantentemperaturen bedeuteten, war der Unterschied der Lebensdauer zehnfach. In allen Tests konnten bessere Oberflächen erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Schneidwerkzeugmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß 25 bis 75 Vol.-% eines harten Materialpulvers, das 30 bis 70 Vol.-% harter Bestandteile mit einer Korngröße von 0,04 bis 0,7 um und auf der Basis wenigstens eines Materials aus der Gruppe der Carbide, Nitride, Oxide und Boride wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, Cr und W und ein Bindemittelmetall auf der Basis wenigstens eines Elementes aus der Gruppe Fe, Ni und Co umfaßt, wobei die Gesamtheit der harten Bestandteile und des Bindemittels 100 % beträgt, sowie 25 bis 75 Vol.- % gekörntes Schnellstahlpulver, wobei die Gesamtmenge des harten Materials und des Schnellstahlpulvers 100 % beträgt, in festem Zustand bei einer Temperatur, die 1250 ºC nicht übersteigt, verdichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material kompakt in einem Werkzeug verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material wenigstens einen Teil eines Verbundwerkzeugs bildet, welches zusätzlich wenigstens ein Teil aus Schnellstahl oder Werkzeugstahl umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug mit einer geschweißten Welle versehen ist.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellstahlpulver kobaltlegiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellstahlpulver ohne Kobalt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellstahlpulver vom Typ M2 ist, der 0,9 % C, 4,0 % Cr, 5 % Mo, 6,5 % W und 2 % V und den Rest Eisen neben üblichen Verunreinigungen umfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in festem Zustand durch Mischen/Mahlen, kaltes isostatisches Pressen (CIP) und heißes Strangpressen erfolgt.