DE69706864T2

DE69706864T2 - Verfahren zum herstellung eines sinterkarbidkörpers

Info

Publication number: DE69706864T2
Application number: DE69706864T
Authority: DE
Inventors: Ove Alm; Ake Oestlund; Mats Waldenstroem
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2002-03-28
Anticipated expiration: 2017-07-09
Also published as: US6210632B1; DE69706864D1; JP2000514874A; SE9602812D0; EP0914489B1; WO1998003690A1; SE9602812L; SE509609C2; ATE205888T1; EP0914489A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines WC-haltigen beschichteten Hartmetalllkörpers, der besonders in Werkzeugen zum Drehen, Fräsen und Bohren von Stählen und nichtrostenden Stählen geeignet ist.
Hartmetallkörper werden gemäß pulvermetallurgischen Verfahren einschließlich eines Vermahlens, Pressens und Sinterns hergestellt. Das Vermahlen ist ein intensives mechanisches Vermahlen in Mühlen unterschiedlicher Größen und mit Hilfe von Mahlkörpern. Die Vermahlzeit ist in der Größenordnung mehrerer Stunden bis zu Tagen. Eine solche Verarbeitung dürfte erforderlich sein, um eine gleichmäßige Verteilung der Bindephase in dem vermahlenen Gemisch zu erhalten, doch führt sie zu einer weiten Verteilung der WC-Korngröße.
In den US-5 505 902 und US-5 529 804 sind Verfahren zur Herstellung von Hartmetall beschrieben, bei denen man das Vermahlen im wesentlichen ausschließt. Stattdessen werden, um eine gleichmäßige Verteilung der Bindephase in dem Pulvergemisch zu erhalten, die Hartbestandteilskörner mit der Bindephase vorbeschichtet, wird das Gemisch weiterhin mit Preßmittel naß vermischt getrocknet, gepreßt und gesintert. In dem ersterwähnten Patent wird die Beschichtung nach einer Sol-Gel-Methode hergestellt, und bei dem zweiten wird ein Polyol verwendet.
Die EP-A-665 308 beschreibt einen beschichteten Schneideinsatz mit einer bimodalen Verteilung der WC-Korngröße mit WC-Körnern in zwei Gruppen von 0,1 bis 1 um und von 3 bis 10 um. Der Einsatz gemäß dieser Anmeldung wird in herkömmlicher Vermahltechnik gewonnen, die zu einer Verbreiterung der WC-Korngrößenverteilung führt.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß eine weitere Verbesserung der Eigenschaften eines Hartmetalls gemäß der EP-A-665 308 erhalten werden kann, wenn ein solches Material unter Verwendung der in den obenerwähnten US-5 505 902 oder US-5 529 804 erwähnten Technik hergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallkörpers, der WC mit einer mittleren Korngröße von < 10 um in einer Bindephase umfaßt. Die WC-Körner werden in wenigstens zwei Gruppen klassifiziert, in welchen eine Gruppe von kleineren Körnern eine maximale Korngröße amax hat und eine Gruppe größerer Körner eine Mindestkorngröße bmin besitzt. Jede Gruppe enthält wenigstens 10% der Gesamtmenge an WC- Körnern. Das Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallkörpers nach der Erfindung ist in dem angehängten Anspruch definiert.
Spezieller betrifft das Verfahren der Erfindung einen beschichteten Schneineinsatz mit einer bimodalen Verteilung der WC-Körner und ist zur maschinellen Bearbeitung von Stählen und nichtrostenden Stählen besonders brauchbar, wenn er die WC und 4 bis 20 Gew.-% Co, vorzugsweise 5 bis 12,5 Gew.-% Co und 0 bis 30 Gew.-% kubisches Carbid, vorzugsweise 0 bis 15 Gew.-% kubisches Carbid, am meisten bevorzugt 0 bis 10 Gew.-% kubisches Carbid, wie TiC, TaC, NbC oder Gemische hiervon umfaßt. Die WC-Körner haben eine enge bimodale Korngrößenverteilung mit Korngrößen in Bereichen von 0 bis 1,5 um bzw. 2,5 bis 6,0 um und einem Gewichtsverhältnis von feinen WC-Teilchen (0 bis 1,5 um) zu groben WC-Teilchen (2,5 bis 6,0 um) im Bereich von 0,25 bis 4,0, vorzugsweise 0,5 bis 2,0.
Die Menge von in der Bindephase gelöstem W wird durch Einstellung des Kohlenstoffgehaltes durch kleine Zugaben von Ruß oder reinem Wolframpulver gesteuert. Der W- Gehalt in der Bindephase kann als das "CW-Verhältnis" ausgedrückt werden, das als CW-Verhältnis = Ms/(Gew.-% Co * 0,0161)
definiert ist, worin MS die gemessene Sättigungsmagnetisierung des gesinterten Hartmetallkörpers in kA/m ist und Gew.-% Co der Gewichtsprozentsatz von Co in dem Hartmetall sind. Der CW-Wert in Einsätzen nach der Erfindung soll 0,82 bis 1,0, vorzugsweise 0,86 bis 0,96 sein.
Die gesinterten Einsätze, die nach der Erfindung hergestellt wurden, werden beschichtet oder unbeschichtet, vorzugsweise mit MTCVD, herkömmlichem CVD oder PVD mit oder ohne Al&sub2;O&sub3; beschichtet verwendet. Insbesondere zeigten mehrschichtige Überzüge, die TiCxNvOz mit säulenartigen Körnern, gefolgt von einer Schicht von α-Al&sub2;O&sub3;, κ-Al&sub2;O&sub3; oder einem Gemisch von α- und κ-Al&sub2;O&sub3; umfassen, gute Ergebnisse. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die obenbeschriebene Beschichtung mit einer TiN-Schicht vervollständigt, welche gebürstet oder ohne Bürsten verwendet werden kann.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, das im Anspruch definiert ist, wird ein Hartmetallkörper hergestellt, indem man wenigstens zwei unterschiedliche WC-Pulver ohne Vermahlen mit deagglomerierten Pulvern anderer Carbide, allgemein TiC, TaC und/oder NbC, von Bindemetall und Preßmittel naß vermischt, vorzugsweise durch Sprühtrocknen trocknet, zu Einsätzen preßt und sintert. Die Körner des WC-Pulvers werden in wenigstens zwei Gruppen klassifiziert, in welchen eine Gruppe kleinerer Körner eine maximale Korngröße amax hat und eine Gruppe größerer Körner eine Mindestkorngröße bmin besitzt, wobei jede Gruppe wenigstens 10% der Gesamtmenge an WC-Körnern enthält, worin bmin - amax > 0,5 um ist und die Abweichung hinsichtlich der Korngröße in jeder Gruppe > 1 um ist. Vor dem Vermischen werden die WC-Körner sorgfältig deagglomeriert, bevor und nachdem sie mit Bindemetall beschichtet werden.
Insbesondere WC-Pulver mit zwei engen Korngrößenverteilungen von 0 bis 1,5 um bzw. 2,5 bis 6,0 um und einem Gewichtsverhältnis feiner WC-Teilchen (0 bis 1,5 um) zu groben WC-Teilchen (2,5 bis 6,0 um) im Bereich von 0,25 bis 4,0, vorzugsweise 0,5 bis 2,0 werden ohne Vermahlen mit anderen Carbiden, allgemein TiC, TaC und/oder NbC, Bindemetall und Preßmittel naß vermischt, vorzugsweise durch Sprühtrocknen getrocknet, zu Einsätzen gepreßt und gesintert.
Gemäß der Erfindung ist es wesentlich, daß das Vermischen ohne Vermahlen erfolgt, d. h. es sollte keine Veränderung der Korngröße oder Korngrößenverteilung als Ergebnis des Vermischens eintreten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die harten Bestandteile, wenigstens jene mit engen Korngrößenverteilungen, nach sorgfältigem Deagglomerieren mit Bindemetall beschichtet, wobei man Verfahren benutzt, die in de US-5 505 902 oder US-5 529 804 beschrieben sind. In einem solchen Fall besteht das Hartmetallpulver vorzugsweise aus mit Co beschichtetem WC + Co- Binder mit oder ohne Zusätze der kubischen Carbide, wie TiC, TaC, NbC, (Ti,W)C, (Ta,Nb)C, (Ti,Ta,Nb)C, (W,Ta,Nb)C und (W,Ti,Ta,Nb)C, beschichtet oder unbeschichtet, vorzugsweise unbeschichtet, gegebenenfalls mit weiteren Zusätzen von Co-Pulver, um die erwünschte Endzusammensetzung zu erhalten.

Beispiel 1

A. Hartmetallwerkzeugeinsätze des Typs SEMN 1204 AZ, ein Einsatz zum Fräsen, mit der Zusammensetzung durch Zugabe von 8,4 Gew.-% Co, 1,13 Gew.-% TaC und 0,38 Gew.-% NbC zu WC wurden gemäß der Erfindung hergestellt. Mit Kobalt beschichtetes WC, WC-6 Gew.-% Co, hergestellt gemäß der US-5 505 902, wurde sorgfältig in einer Laboratoriumsstrahlmühleneinrichtung deagglomeriert, mit zusätzlichen Mengen an Co und deagglomeriertem unbeschichtetem (Ta,Nb)C und TaC-Pulver vermischt, um die erwünschte Materialzusammenetzung zu erhalten. Die beschichteten WC-Teilchen bestanden aus 50 Gew.-% mit einer mittleren Korngröße von 3,5 um und 50 Gew.-% mit 1,2 um mittlerer Korngröße, was eine bimodale Korngrößenverteilung ergab. Das Vermischen erfolgte in einer Ethanol- und Wasserlösung (0,25 l Fluid je 1 kg Hartmetallpulver) während 2 h in einem Laboratoriumsmischer, und die Ansatzgröße war 10 kg. Außerdem wurden 2 Gew.-% Schmiermittel zu dem Schlamm zugegeben. Der Kohlenstoffgehalt wurde mit Ruß auf eine Bindephase eingestellt, die mit W entsprechend einem CW-Verhältnis von 0,89 legiert war. Nach dem Sprühtrocknen wurden die Einsätze nach Standardpraxis gepreßt und gesintert, und es wurden Dichtestrukturen ohne Porosität erhalten.
Vor dem Beschichten wurde um den gesamten Einsatz herum eine negative Abfasung mit einem Winkel von 20º geschliffen.
Die Einsätze wurden mit einer 0,5 um dicken gleichachsigen TiCN-Schicht (mit einem hohen Stickstoffgehalt entsprechend einem geschätzten C/N-Verhältnis von 0,05), gefolgt von einer 4 um dicken TiCN-Schicht mit säulenförmigen Körnern unter Verwendung der MTCVD-Technik (Temperatur 885 bis 850ºC und CH&sub3;CN als die Kohlenstoff- und Stickstoffquelle) beschichtet. In aufeinanderfolgenden Stufen während des gleichen Beschichtungszyklus wurde eine 1,0 um dicke Schicht von Al&sub2;O&sub3; unter Verwendung einer Temperatur von 970ºC und einer Konzentration von H&sub2;S-Dotiermittel von 0,4%, wie in der EP-A-523 021 beschrieben, abgeschieden. Eine dünne (0,3 um) Schicht von TiN wurde darüber gemäß bekannter CVD-Technik abgeschieden. XRD-Messung zeigte, daß die Al&sub2;O&sub3;-Schicht aus 100% κ-Phase bestand.
Die beschichteten Einsätze wurden mit einer Nylonstrohbürste, die SiC-Körner enthielt, gebürstet. Prüfung der gebürsteten Einsätze in einem Lichtmikroskop zeigte, daß die dünne TiN-Schicht nur entlang der Schneidkante weggebürstet war und dort eine glatte Al&sub2;O&sub3;-Schichtoberfläche zurückließ.
Beschichtungsdickemessungen auf quergeschnittenen gebürsteten Proben zeigten keine Verminderung der Beschichtung entlang der Kantenlinie ausgenommen für die äußere TiN-Schicht, die entfernt wurde.
8. Hartmetallwerkzeugeinsätze des Typs SEMN 1204 AZ, ein Einsatz für das Fräsen, mit der Zusammensetzung 9,1 Gew.-% Co, 1,23 Gew.-%TaC und 0,30 Gew.-% NbC und dem Rest WC mit unimodaler Verteilung und einer mittleren Korngröße von 1,2 um wurden in der folgenden Weise hergestellt. Mit Kobalt beschichtetes WC, WC-6 Gew.-% Co, hergestellt gemäß der US-5 505 902, wurde sorgfältig in einer Laboratoriumsstrahlmühlenanlage deagglomeriert, mit zusätzlichen Mengen an Co und deagglomeriertem unbeschichtetem (Ta,Nb)C- sowie TaC-Pulver vermischt, um die erwünschte Materialzusammensetzung zu erhalten. Das Vermischen erfolgte in Ethanol - und Wasserlösung (0,25 l Flüssigkeit je 1 kg Hartmetallpulver) während 2 h in einem Laboratoriumsmischer, und die Ansatzgröße war 10 kg. Außerdem wurden 2 Gew.-% Schmiermittel dem Schlamm zugesetzt. Der Kohlenstoffgehalt wurde mit Ruß zu einer Bindephase eingestellt, die stark mit W entsprechend einem CW-Verhältnis von 0,89 legiert war. Nach dem Sprühtrocknen wurden die Einsätze nach einer Standardmethode gepreßt und gesintert, und es wurden Dichtestrukturen ohne Porosität erhalten.
Vor dem Beschichten wurde um die Gesamtheit jeden Einsatzes eine Abfasung mit einem Winkel von 20º geschliffen.
Die Einsätze wurden in dem gleichen Beschichtungsansatz wie die obigen Einsätze A beschichtet.
Die beschichteten Einsätze wurden mit einer Nylonstrohbürste, die SiC-Körner enthielt, gebürstet. Prüfung der gebürsteten Einsätze in einem Lichtmikroskop zeigte, daß die dünne TiN-Schicht nur entlang der Schneidkante weggebürstet war, was eine glatte Al&sub2;O&sub3;-Schichtoberfläche hinterließ.
Beschichtungsdickemessungen auf quergeschnittenen gebürsteten Proben zeigten eine Verminderung der Beschichtung entlang der Kantenlinie, ausgenommen an der äußeren TiN-Schicht, die entfernt wurde.
C. Hartmetallwerkzeugeinsätze des Typs SEMN 1204 AZ mit der gleichen chemischen Zusammensetzung, der gleichen mittleren Korngröße von WC, dem gleichen CW-Verhältnis, der gleichen Abfasung, der gleichen CVD-Beschichtung bzw. dem gleichen Abbürsten wie bei dem Einsatz B oben, aber aus Pulver hergestellt, das durch herkömmliches Vermahlen in einer Kugelmühle produziert worden war, wurden als eine Bezugssubstanz für einen Vergleich mit den obigen Testproben verwendet.
Einsätze von A, B und C wurden in einem Naßvermahlungstest in einem ziemlich hochlegierten Stahl (HB = 310) verglichen. Zwei parallele Stäbe jeweils mit einer Dicke von 35 mm wurden mittig in bezug auf den Schneidkörper (Durchmesser 100 mm) positioniert, und die Stäbe wurden mit einem Luftspalt von 10 mm zwischen ihnen angeordnet.
Die Schneiddaten waren folgende:
Geschwindigkeit = 150 m/min
Vorschub: = 0,40 mm/U
Schneidtiefe: = 2 mm, Einzelzahnfräsung mit Kühlmittel
Die bewertete Werkzeugstandzeit, ausgedrückt als Schneidlänge von Variante A gemäß der Erfindung, war 8200 mm und für die Variante B 6900 mm und schließlich für die Standardvariante C nur 6100 mm. In diesem Test erzielte der Einsatz nach der Erfindung mit einer bimodalen WC-Korngrößenverteilung, Variante A, das beste Ergebnis.

Beispiel 2

A. Einsätze aus dem gleichen Ansatz wie der Einsatz A im Beispiel 1 oben,
B., Einsätze aus dem gleichen Ansatz wie der Einsatz B im Beispiel 1 oben und
C. Einsätze aus dem gleichen Ansatz wie der Einsatz C im Beispiel 1 oben
wurden in einem Naßfrästest in einem niedriglegierten Stahl (SS 1650, HB = 180) verglichen. Zwei parallele Stäbe, jeder mit einer Dicke von 30 mm, wurden mittig in bezug auf den Schneidkörper (Durchmesser 100 mm) angeordnet. Die Stäbe wurden mit einem Luftspalt von 10 mm zwischen sich plaziert.
Die Schneiddaten waren folgende:
Geschwindigkeit = 285 m/min
Vorschub = 0,38 mm/U
Schneidtiefe = 2 mm, Einzelzahnfräsung mit Kühlmittel
Die bewertete Werkzeugstandzeit, ausgedrückt als Schneidlänge der Variante A gemäß der Erfindung war 4800 mm und für die Variante B 4200 mm und schließlich für die Standardvariante C nur 3600 mm. In diesem Test hatte der Einsatz nach der Erfindung mit einer bimodalen WC-Korngrößenverteilung, Variante A, die beste Leistung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Sinterhartmetallkörpers, welches das Naßmischen ohne Mahlen von zumindest zwei unterschiedlichen Wolframcarbidpulvern mit deagglomerierten Pulvern von anderen Carbiden, im allgemeinen TiC, TaC und/oder NbC, Bindemetall und Preßmittel, das Trocknen vorzugsweise durch Sprühtrocknung, das Pressen zu Einsätzen und das Sintern aufweist, wobei die Körner des Wolframcarbidpulvers in zumindest zwei Gruppen klassifiziert sind, von denen eine Gruppe kleinere Körner mit einer maximalen Korngröße amax hat und eine Gruppe größere Körner mit einer minimalen Korngröße bmin hat, wobei jede Gruppe zumindest 10% der Gesamtmenge von Wolframcarbidkörnern enthält, wobei bmin-amax > 0,5 um ist, die Variation in der Korngröße innerhalb jeder Gruppe > 1 um ist und die Wolframcarbidkörner, vor und nachdem sie mit Bindemetall beschichtet werden, vorsichtig deagglomeriert sind.