-
Hartmetallegierung, insbesondere für Werkzeuge, und Verfahren zu ihrer
Herstellung Die Erfindung betrifft harte, gesinterte Legierungen, insbesondere für
Werkzeuge, und ein Verfahren zur Herstellung dieser Legierungen.
-
Es ist bereits bekannt, besonders leistungsfähige harte Werkzeuge
aus Karbiden des Wolframs oder Molybdäns herzustellen. Da solche nur aus Karbiden
bestehende Werkzeuge zu spröde waren, ist ferner vorgeschlagen worden, dem Wolfram-
oder Molybdänkarbi.d Hilfsmetalle in beschränkter Menge zwischen 3 und unter 30
°/a, insbesondere 5 bis 2o'/0, hinzuzufügen und das Ganze durch Hitzebehandlung
zu verfestigen..
-
Die Hartmetallegierung gemäß :der Erfindung verwendet gleichfalls
harte Karbide, denen Hilfsmetalle der bekannten Art in entsprechend beschränkter
Menge zwecks Erhöhung der Zähigkeit zugesetzt sind.
-
Es ist ferner nicht mehr neu, Werkzeugstücke .dadurch herzustellen,
daß man eine beliebige Auswahl unter den Elementen Wolfram, Molybdän, Titan, Bor,
Zirkon, @Va=nadium,-Eisen, Nickel traf, die gewählten Bestandteile mit ausreichendem
Kohlenstoff mischte und das so erhaltene Gemenge zu solcher Dünnflüssigkeit erschmolz,
,daß es durch einen Kanal unmittelbar in die gewünschte Form abgelassen werden konnte.
Das Eisen oder Nickel war als Katalysator zugesetzt und sollte mindestens teilweise
während,des Schmelzens verdampfen. Dampften die Zusätze aus, so wurde nur unbrauchbar
sprödes Karbid allein erhalten. Blieb ein solcher Zusatz zurück, .dann ging er in
.die Reaktion zwischen den zur Karbidbildung bestimmten Elementen und dein anwesenden
Kohlenstoff zumindest zum Teil mit ein.
-
Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, daß in einer harten und
zähen, aus Karbiden und entsprechend beschränkter Menge Hilfsmetalle bestehenden
Werkzeuglegierung mindestens zwei Karbide in fester Lösung, also homogener Durchdringung
als Mischkristalle anwesend sind, die vor der Zugabe der Hilfsmetalle durch -Hitzebehandlung
bereitet sind, und zwar vorzugsweise in solchem Mischungsverhältnis, daß sie im
Bereich größter Härte liegen.
-
Der Begriff .der Mischkristalle und ihrer größten Härte liegt in der
Wissenschaff fest. Man spricht von Mischkristallen :dann wenn zwei Stoffe miteinander
homogene, feste Lösungen :bilden. Man hat festgestellt, daB solche Lösungen ein
Härtemaximum aufweisen, das. vom Mischungsverhältnis der in den Mischkristallen
anwesenden Stoffe abhängt. Sind die Stoffe ungefähr gleich hart, dann ergibt sich
der Mischkristall größter Härte, wenn :die Stoffe im einfachen atomaren Verhältnis
im Mischkristall anwesend sind. Überwiegt ein Stoff den anderen erheblich oder
sehr erheblich an Härte, dann verschiebt stich das Verhältnis zugunsten
des härteren Stoffes, bleibt aber ganzzahlig, also 3 : i, 2 : i, 3 : 2. Schließlich
hat die Wissenschaft festgestellt, daß ein solches Härtemaximum flach ist; spricht
darum die Erfindung von dem vorteilhaft härtesten Mischkristall, so fällt darunter
der Bereich von etwa 5 bis io0% nach beiden Seiten von dem theoretisch härtesten
Mischkristall.
-
Diese Lehre der Wissenschaft wird von der Erfindung zur Herstellung
harter Werkzeuglegierungen in der Weise angewendet, daß=die Karbide vor der Vermischung
mit den Hilfsmetallen in Mischkristalle verwandelt werden. Das notwendige Mischungsverhältnis
der Karbide ergibt sich ohne weiteres dadurch, daß diese in ein- oder mehrfachem
molekularem Verhältnis zusammenzusetzen sind, je nachdem ihre Härte gleich oder
verschieden ist.
-
Nimmt man beispielsweise das System Molybdänkarbid (Mo2 C) und Wolframkarbid
(WC), so stellt man fest, daß .diese -miteinander eine lückenlose Reihe von Mischkristallen
bilden. Das Molekulargewicht des Molybdänkarbids ist 2o,., dasjenige des Wolframkarbids
2o6. Obwohl sowohl Wolframkarbid als auch Molybdän@karbid eine Härte über g in der
Mohsschen Skala besitzen, übertrifft das Wolframkarbid das Molybdänkarbid erheblich
an Härte; darum ist das erste im doppelten Verhältnis zu .dem . letzteren zu nehmen,
woraus sich ungefähr 660/,) WC und 34% Mo2 C zur Bildung des härtesten Mischkristalls
errechnen. Sind io % Hilfsmetall in der Legierung vorhanden, dann verringert sich
der Anteildes Wolframkarbids an der Gesamtmenge der Legierung um diese io % auf
etwa 6o 0%, derjenige des Molybdänkarbids auf etwa 30 0/0, Rest io % Hilfsmetall.
Der Bereich des härtesten Mischkristalls erstreckt sich etwa io % nach rechts und
links, in :dem angenommenen Fall mit io % Hilfsmetall, also auf etwa 54 bis 66 0/0
WC, etwa 27 bis 33 % Mo2 C, Rest io 0% Hilfsmetall.
-
Mit den theoretischen Erwägungen des Erfinders stimmen Versuche überein,
die er praktisch gemacht hat .mit Legierungen aus WC, Mo2C und Kobalt als Hilfsmetall.
Es ergab sich das praktische Härtemaximum bei einem Gehalt von etwa 63 0% WC, 27%
MO, C bei einem Kobalt-Hilfsmetallgehalt von io olo-Ferner verliefen die aufgenommenen
Kurven in der Umgebung des Härtemaximums flach.
-
Nimmt man beispielsweise das System Molybdänkarbid (Mo2 C) und Titankarbid
(Ti C) und berücksichtigt man wieder, daß die Härte des Titankarbids Jiejenige.,des
Mfllybdänkarbids sogar sehr erheblich übertrifft, so. ist das. Mischungsverhältnis
zur Erlangung des härtesten Mischkristalls mindestens i : 3. Hieraus ergibt sich
unter Berücksichtigung des Molekulargewichts des Titankarbids mit 6o ein Gehalt
von etwa -19,5 % Molpbdänkarbid und 40,5 0% Titankarbid bei einem Hilfsmetallgehalt
von io 0% und. unter Berücksichtigung - des Bereiches des härtesten Mischkristalls
somit eine Zusammensetzung von etwa 4x Abis 55 0lo Molybdänkarbid, etwa 35 bis 45
010 Titankarbid bei io 0% Hilfsmetall.
-
Nimmt man das System Wolfr.amkarbid (WC) und Titankarbid (Ti C), berücksichtigt
man die beinahe gleiche Härte der .beiden Karbide und wählt man darum ein Mischungsverhältnis
i : i zur Erlangung des härtesten Mischkristalls, so ergibt sich bei den Molekulargewichten
der beiden Karbide ein Gehalt von ungefähr 2o0/0 Titankarbid, ungefähr 7o 0/0 Wolframkarbid
bei io % Hilfsmetall, und .der -Bereich des härtesten Mischkristalls erstreckt sich
demnach auf etwa 18 bis 22 0% Titankarbid, 68 bis 72 % Wolframkarbid bei io 0/0
Hilfsmetall.
-
Nach diesen Beispielen ist es ohne weiteres möglich, die richtigen
Mischungsverhältnisse der Karbide im Bereich des härtesten Mischkristalls von den
Karbiden zu wählen, auf die sich .die Erfindung bezieht, nämlich denjenigen des
Wolframs, Molybdäns, des Siliciums, Titans, Zirkons, des Bors und des Vanadiums.
Als zusätzliche Hilfsmetalle wählt die Erfindung Chrom, Nickel, Kobalt, und zwar
in Mengen von 3 bis 20 0/0 einzeln oder zu -mehreren.
-
Zur Beeinflussung .der Härte können in der Legierung neben .dem Karbidmischkristall
und ,den gewählten Hilfsmetallen zusätzlich noch Karbide des Bors, Siliciums, Titans,
Zirkons oder Vanadins bis insgesamt 20 0/0 vorhanden sein.
-
Die Mischkristalle können in jeder geeigneten Weise bereitet werden.
Insbesondere können die zu Mischkristallen umzuformenden Karbide, beispielsweise
des Wolframs und des Molybdäns, nach geeigneter Zerkleinerung gemischt und durch
eine der Sinterung entsprechende Hitzebehandlung, die also jedenfalls unter dem
Schmelzpunkt der Karbide bleibt (im angenommenen Beispiel unter 25oo bzw. 29oo°
C), zur gegenseitigen Durchdringung und somit zur Bildung von Mischkristallen gebracht
werden. Man kann aber auch die Karbide im gewünschten Mischungsverhältnis mischen
und durch Schmelzen und d arauffolgendec Erstarrenlassen in Mischkristalle umwandeln,
sofern die angewandten Karbide solche Schmelzung ohne Zerfall zulassen. _ Auf jeden
Fall erhält man derart einen Mischkristall, welcher das weichere der beiden
Ausgangskarbide
an Härte übertrifft und der bei Auswahl der Ausgangskarbide in solchem Mischungsverhältnis,
welches dem vorzugsweise härtesten Mischkristall entspricht, auch einen Mischkristall
bildet, welcher das härtere der beiden Ausgangskarbide seinerseits noch an Härte
übertrifft, so daß durch die Erfindung ganz besonders harte Metallkarbide in einer
gleichzeitig zähen Werkzeuglegierung zur Verfügung gestellt werden.
-
Den so bereiteten Ausgangsstoffen werden nun in möglichst feiner Verteilung
Zusätze beigemengt, welche in der Hauptsache die Zähigkeit der Legierung bestimmen,
d: h. aIso die Hilfsmetalle Chrom, Nickel und/oder Kobalt; zur Beeinflussung der
Härte kann ein Zusatz an Karbiden erfolgen. Das Ganze wird nun .gesintert, vorzugsweise
im Vakuum, um in der Legierung enthaltene oder sich bildende Gase; besonders aber
:den meistens in Spuren vorhandenen Sauerstoff auszutreiben und Porenbildung weitest
gehend zu vermeiden. Hierbei findet die Erhitzung vorteilhaft durch Induktion (Hochfrequenz)
statt. Das Ausgangsgemisch kann .dabei in die für die Hitzebehandlung geeignete
Form gepreßt sein.