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Verfahren zur Herstellung von Hartlegierungen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Hartlegierungen für Werkzeuge und und eine Legierung
besondewer Eignung. Die zu erzeugenden Legierungen bestehen neben Hilfsmetallen
aus mindestens drei Carbiden, die bei gemeinsamer gegenseitiger Einwirkung in-.einander
unlöslich oder nur beschränkt löslich sind. Zweck der Erfindung ist es, Hartlegierungen
zu schaffen, die den bisher bekannten Legierungen dieser Art in; ihrer Eignung für
die _ verschiedensten Verwenduegs; zwecke überlegen sind.
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Bisher mußten nämlich besondere Legierungen hergestellt werden, wenn,
man einerseits Stahl oder Stahlguß bearbeiten wollte und wenn man anderseits. Gußeisen
bearbeiten mußte;denn Gußeisen hat viel Lunker, und der Span ist ganz anders als
derjenige bei Stahl. Hartlegierungen, die .sich. darum für Stahl ausgezeichnet bewähren,
konnten für Gußeisen keine Anwendung finden und umgekehrt.
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Dier Erfindung gelingt es, Hartlegierungen zu schaffen, welche eine
allgemeine Anwendung zulassen.
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Ganz allgemein ist schon vorgeschlagen worden, Hartlegierungen aus
mehreren Carbiden mit oder ohne Hilfsmetallen auf dem Schmelz- oder Sinterwege und
unter Bedingungen herzustellen, bei .denen Uischkristalle entstanden sein mögen.
Auf die Bildung der Mischkristalle wurde aber kein Wert gelegt, und es wurden auch
keinerlei Vorkehrungen getroffen, daß sich gerade Mischkristalle aus den Carbiden
untereinander in bestimmter Weise bilden. Irgendein Ziel in der Herbeiführung solcher
Mischkristallbildung wurde überhaupt nicht verfolgt.
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Ein weiterer bekannter Vorschlag zielte auf die bewußte Erzeugung
eines, Carbidmischkristalles aus zwei oder mehreren Carbiden ab. Der zuvor bereitete
Mischkristall wurde mit medrigschme lzenden Hilfsmetallen, vorzugsweise der Eisengruppe,
gemischt und duTich Sinterung die Bindung hergestellt. Mit diesem Verfahren lassen
sich nicht unter allen Umständen wohl bestimmte und wiederholbare Verhältnisse im
Enderzeugnis erzielen, und zwar insbesondere dann nicht, wenn die verwendeten Carbide
ineinanderumlöslichoder nur beschränkt löslich sind und ferner, wenn von einer Reihe
von Carbiden ausgegangen wird.
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Von den Gedanken des zuletzt genannten Vorschlages geht die Erfindung
aus, gestützt auf die überraschende Feststellung, daß nicht durch Mischkristallbildung
zwischen zwei Carbiden allein, sondern vielmehr dadurch ein Höchstmaß an Leistung
und allgemeiner Anwendbarkeit erreicht werden kann, daß, man mindestens zwei Mischkristalle
bildet und diese dann miteinander wiederum zu Mischkristallen vereinigt. Zu jedem
Mischkristall
gehören zwei oder mehrere Komponenten. Werden zu seiner
Bildung nur zwei Komponenten benutzt, so mag der erhaltene Mischkristall in dieser
Beschreibung :ein Mischkristallpaar genannt werden. Es, könnte, strenger der Systematik
entsprechend, sonst als binärer Mischkristall bezeichnet werden im Gegensatz zu
jenen Mischkristallen, welche aus mindestens drei Komponenten bestehen, welche dann
einen Lernären Mischkristall ergeben usw.
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Gemäß der Erfindung werden also zwei Mischkristallpaare untereinander
verschiedener Zusammensetzung zu einem neuen Mischkristall zusammengesetzt und umgebildet.
Wenn das erste Mischkristallpaar aus Wolframcarbid und Molybdäncarbid besteht, so
kann das andere Mischkristallpaar ,aus Molybdäncarbid und Titancarbid bestehen.
Der aus diesen beiden Mischkristallen seinerseits gebildete neue Mischkristall enthält
dann drei Komponenten, nämlich Wolframcarbid, Molybdäncarbid und Titancarbid; es
sind somit zwei binäre Mischkristalle in einen ternär; n Mischkristall umgebildet
worden. Ebenso können aber auch zwei Mischkristallpaare, von denen das .eine, aus
Wolframcarbid und Tantalcarbid und das andere aus Molybdäncarbid und Titancarbid
besteht, in einen Mischkristall umgebildet werden, der nun die vier Komponenten
Wolframcarbid, Molybdäncarbid, Tantalcarbid und Titancarbid enthält und somit einen
quaternären Mischkristall darstellt. Die so erhaltenen Mischkristalle können dann
geeignet zerkleinert und mit dem gewählten Hilfsmetall, wie z. B. Kobalt, Eisen,
Nickel, gemischt werden. Das so erhaltene Gemisch Wird dann erhitzt, bis das Hilfsmetall
mindestens teilweise in Schmelzfluß übergeht, vielleicht auch hie ternären oder
quaternären Mischkristalle teilweise in Lösung nimmt, worauf man abkühlen läßt,
wobei sich etwa aufgenommene Komponenten der Mischkristalle oder diese letzteren
selbst wiederum ausscbeiden und ein mechanisch fester Körper erwünschter Form erhalten
wird. Jedes bekannte Verfahren zut seiner Herstellung und Formgebung kann im übrigen
verwendet werden, nur muß so verfahren werden, daß der Kristallverband im Mischkristall
nicht so weit aufgegeben wird, daß nach dem Abkühlen nicht mehr der ursprünglich
beigefügte Mischkristall in gewünschter oder ausreichender Menge vorhanden ist,
was beispielsweise durch Anwendung zu hoher Sintertemperaturen und damit weitgehender
Lösung der Miscl4kristalle im Hilfsmetall eintreten kann. Da sich aber .diese Verhältnisse
auf Grund von Versuchen überwachen lassen, gelingt @es wiederholbar, eine in ihrer
Zusammensetzung an mehrfachen und nur zweifachen Mischkristallen genau: bestimmte
Hartlegierung zu schaffen.
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Die überraschende Wirkung der Maßnahmen gemäß der Erfindung dürfte
darin gelegen sein, daß die an sich als günstig auf Härte und Verschleißfestigkeit
wirkende bekannte Mischkristallbildung in einer Weise geleitet wird, die .eine Wiederholbarkeit
uttib?dingt bestimmter Verhältnisse im Enderzeugnis gestattet, und zwar auch dann,
wenn Carbide benutzt werden, die überhaupt keine Mischkristalle oder nur in gewissen
beschränkten Grenzen bilden. Das Enderzeugnis enthält homogene ternäre oder quaternäre
Mischkristalle oder ein Gemenge intermetallischer Phasen. Beispielsweise ist die
Mischkristallbildung zwischen Titancarbiden und gesättigtem Wo.lframcarbid (WC)
auf verhältnismäßig geringe Mengen des Wolframcarbides beschränkt. Man muß, mit
anderen Worten, verhältnismäßig große Titancarbidmengen in Kauf nehmen, wenn man
durchweg Mischkristalle von Wolframcarbid und Titancarbid in der Hartlegierung wünscht.
Große Mengen des sehr leichten Titancarbides sind aber für bestimmte Zwecke höchst
unerwünscht. Während sie für solche Legierungen, die der Stahlbearbeitung dienen
sollen, zulässig sein können, ergeben sich Schwierigkeiten bei Legierungen für die
Bearbeitung von Gußeisen. Wolframcarbid und Molybdänearbid mischen sich hingegen
praktisch in jedem Verhältnis.; sie bilden eine ununterbrochene Reihe von Mischkristallen.
Wenn man darum Wolframcarbid und Molybdäncarbid im gewünschten Mengenverhältnis
zu einem Mischkristall umformt, -wenn man weiterhin Molybdäncarbid .und Titancarbid,
die gleichfalls weitgehendst Mischkristalle bilden, in geeignetem Verhältnis miteinander
mischt, so kann man aus diesen beiden Mischkristallpaaren leicht einen ternären
Mischkristall bilden, der nun Wo.lframcarbid, Titancarbid und Molybdänearbid in
gewünschter Menge enthält. Das anwes-nde Molybdäncarbid vermittelt gleichsam die
sonst unmögliche Mischkristallbildung, und es ist wegen seiner dem Wolframearbid
weitgehend ähnlichen Eigenschaften auch sonst als nützlicher Bestandteil der Legierung
anzu- i sprechen. Eine so hergestellte Legierung ist einer Legierung überlegen,
die auf dem Wege einfacher Mischung der einzelnen Carbide hergestellt wurde, wie
folgender Vergleichsversuch beweist.
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Nach dem Stande der Technik wurden 62 Teile Wolframcarbid mit 25 Teilen
Titancarbid und 5 Teilen Molybdäncarb:id gemeinsam 21/2 Stunden auf i 8oo@ erhitzt.
Nach dieser Temperaturbehandlung wurde die i Mischkristallmasse gepulvert und unter
Zusatz von 80%o Kobalt 8 Tage lang feinst gemahlen.
Aus dem Hartmetallansatz
wurden hierauf in einer hydraulischen Presse Stäbe verpreßt, die nach einer Vorsinterung
zu Schneidplättchen geformt wurden. Die Plättchen wurden einer Sinterung auf 145o°
für :eine Zeitdauer von 2 Stunden unterworfen. Die fertigen Plättchen hatten folgende
Zusammensetzung: 58,7% Wolfram, 4,50/0 Molybdän, 18,50/0 Titan, o; 5 % Eisen,
7,90/0 Kobalt, 9,4% Kohlenstoff (Legierung i). Gemäß .dem Verfahren nach
der Erfindung wurden 25 Teile Wolframcarbid mit 25 Teilen Titancarbid i Stunde auf
18o0° erhitzt. Es ergibt sich hierbei ein reiner Mischkristall vom Titancarbidtypus.
Daneben wurden 5 Teile Molyb,däncarbid mit 37 Teilen Wolframcarbid 1/2 Stunde lang
,auf i 8oo° erhitzt, wobei ein homogener Mischkristall vom Wolframcarbidtypuserzielt
wurde. Die beiden Mischkristalle wurden (einst gepulvert, gemengt und gemeinsam
nochmals i Stunde auf i8oo°erhitzt. Dieses Carbidgemisch wurde daraufhin feinst
gepulvert, .mit 8 % Kobalt gemischt, feins:t vermahlen, gepreß@t, vorgesintert,
Plättchen daraus hergestellt und 2 Stunden bei 145o° fertiggesintert. Die fertigen
Plättchen hatten folgende Zusammensetzung: 58,4% Wolfram, 4,6% Molybdän, 18,7 %
Titan, 0,7% Eisen, 8,1 % Kobalt, 9,2% Kohlenstoff (Legierung 2). Legierung i und
2 haben, von geringfügigen und zu vernachlässigenden Abweichungen abgesehen, diegleicheZusammensetzung.
Zum Vergleich wurden :diesle l@lättchen Drehverversuchen an einer Welle aus Siemens-Martin-Stahl
mit 85 kg/mm2 Festigkeit unterworfen, wobei ein Vorschub von 0,46 mm/Umdr., eine
Spantiefe von 3 mm bei einer Drehgeschwindgkeit von 16o m/Sek. in allen Fällen eingehalten
wurde.
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Die Legierung i zeigte nach einer Drehzeit von io Minuten eine mittlere
Phasens.tumpfung von 2 5 mm, während die Legierung 2 nach der gleichen Zeit nur
eine solche von o,16 mm aufwies, d. h. bezüglich der Phasenstumpfurig ist die Legierung
2 um etwa 25% überlegen. Im allgemeinen,wird nach der Erfindung eine Überlegenheit
von 20% zu erreichen sein.
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Bezüglich ider MischkristallbIldumg gilt ähnliches, wenn :ein Mischkristall
aus hochgesättigtem Wolframcarbid und Molybdäncarb:id einerseits und aus Tantalcarbid
und Titancarbid anderseits hergestellt wird, die dann zu einem quaternären Mischkristall
auch mit Titancarbidmengen z. B. von 16% und mehrumgebildet werden können, die sonst
in das hochgesättigte Wolframcarbid allein nicht einzuverleiben wären.
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Die Erfindung ist aber durchaus. nicht darauf beschränkt, .daß Carbide
gemischt werden, die aus KohIenstoffverbindungen untereinander verschiedener Elemente
bestehen. Vielmehr fällt unter die Erfindung auch jeder Mischkristall, der aus,
verschiedenen gesättigten Cärbiden desselben Elementes besteht, wie z. B. aus Wolframmonocarbid
tmd Wolframbicarbid.
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Die Erfindung ist ferner nicht darauf beschränkt, .daß in ihr durchweg
mindestens ternäre Mischkristalle der verwendeten Carbide vorhanden sind; vielmehr
genügt !es, wenn sich wesentliche Mengen. solcher Mischkristalle vorfinden, über
io% der ganzen Hartlegierung und zweckmäßig annähernd oder über die Hälfte :der
anwesenden Carbide in der Hartlegierung. Enthält diese also etwa 5 bis. 25 Hilfsmetalle,
dann wird zweckmäßig diie Menge ternärer oder quaternäner Mischkristalle auf annähernd
etwa 35 bis. 45% der Hartlegierung und selbstverständlich darüber bis zu 75 bis
-95% bemessen. Den vorgebildeten. Mischkristallen können vor oder während der Vereinigung
mit :den Hilfsmetallen andere Carbide zugesetzt werden.
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Bei der Herstellung der Legierung wird darauf zu achten sein, däß,
die zu Mischkristallpaaren zusammenzusetzenden Carbide in den vorgesehenen Mengen
auch wirklich Mischkristalle bilden und daß, die so erhaltenen Mischkristalle wiederum
mit dem anderen Mischkristallpaar feste Lösungen (Mischkristalle) ergeben. Ebenso
wird aber auch das Hilfsmetall so. auszuwählen sein, daß @es nicht die vorgenommene
Mischung in unerwünschter oder unbeherrschbaner Weise rückgängig macht oder verändert.
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Für das Verfahren nach der Erfindung können de Carbide der Elemente
Silicium, Bor, Titan, Zirkon, Vanadium, Tantal, Niob, Chrom, Molybdän und Wolfram
verwendet werden. Als Hilfsmetalle kommen die Zähmetallle Kobalt, Nickel, Eisen
in Betracht, gegebenenfalls in Legierung mit Elementen der vierten; fünften, sechsten
und achten Gruppe des periodischen Systems.
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Als besonders vorteilhaft hat sich beispielsweise eine Legierung bewährt
mit etwa 6o bis 75% Wolframcarbid, sei es in der Form W2 C oder W C üÜer im Mischkristall;
Titancarbid etwa 10 bis 250/0; Molybdäncarbid etwa i bis 250/0; Kobalt, Nickel
oder Eisen etwa 5 bis 250/0. Innerhalb, dieser Grenzen wiederum ergab Titancarbid
in Mengen von etwa 12 bis - 18 % und Molybdäncarbid von
etwa i bis
5 % optimale Ergebnisse, wobei das Molyb.däncarbid zur Bildung eines Mischkristallpaares
mit Wolframcarbid und Titancarbid zur Bildung eines anderen Mischkristallpaares.
mit Wolframcarbid benutzt und zur Bildung des Mischkristalls aus dem außerordentlich
hochschmelzenden Titancarbid zweckmäßig auch das h öchstschmelzende Wolframcarbid
benutzt wurde, während das niedriger schmelzende Molybdäncarbid auch mit einem niedriger
schmelzenden Wolframcarbid zu einem Mischkristallpaar vereinigt wurde. Während die
Zähmetalle der E.isengruppe und deren Legierungen untereinander weitgehend gleichwertig
sind, mag i;rn angeführten Sonderfall dem Kobalt zur Erzielung hoher Zähigkeit der
Vorzug gegeben werden.