DK158957B - Kompositmateriale omfattende et carbidmateriale, dets fremstilling og anvendelse - Google Patents

Description

DK 158957 B

Opfindelsen angår et kompositmateriale af den art, der er angivet i krav l's indledning, en fremgangsmåde til fremstilling af dette materiale, hvilken fremgangsmåde er af den art, der er angivet i krav 5's indledning, samt anven-5 delsen af kompositmaterialet i slidbestandige værktøjer.

Siden 1940 er slidbestandige dele til nedslidningstilbøjelige værktøjer og udstyr blevet fremstillet af cementerede car bidlegeringer bestående af en findispergeret hård-carbidfase baseret på metaller valgt fra grupperne IVB, VB 10 og VIB i det periodiske system, cementeret med cobalt eller nikkel eller begge dele. Når de er fremstillet ved sammenpresning af fintformalede pulvere, efterfulgt af sintring i flydende fase til opnåelse af konsolidering, har de cementerede carbidlegeringer mikrostrukturer, der er karakteri-15 stiske ved hårdcarbidkorn, der almindeligvis befinder sig i området fra 1 til 15 μπι.

Anvendelsen af jern eller stål som bindingsmaterialer har vist sig at være vanskelig, eftersom den findelte tilstand og den store specifikke overflade af de dispergerede 20 hårde faser fremmer dannelsen af forholdsvis skøre, binære indskuds legeringer af wolfram og jern med carbon, hvorved andelen af det frie bindingsrumfang formindskes, og det sintrede legeme bliver skørt i større eller mindre grad, afhængigt af den præcision, der overholdes med hensyn til sammen-25 sætningen og sintringsparametrene, og afhængigt af de tilsætninger af frit carbon, der anvendes til tilfredsstillelse af affiniteten mellem jern og carbon.

Til forskel fra cobalt og nikkel danner jern et stabilt carbid, Fe3C, og har større tilbøjelighed til dannelse 30 af skøre binære carbider end cobalt- eller nikkelbindingsmaterialer. Carbonoverførsel fra den hårde carbidfase eller de hårde carbidfaser til jern fremmes ved tilstedeværelsen af den flydende eller plastiske tilstand af et jern- eller stålbindemiddel under sintring i flydende tilstand, udført 35 ved temperaturer nær ved, ved eller over bindemidlets smeltepunkt .

2

DK 158957 B

I den senere tid er anvendelige slidbestandige dele blevet fremstillet ved støbning af en flydende stålsmelte eller en støbej ernssmelte i et fremstillet lag af forholdsvis grove partikler, f.eks. sintret, cementeret carbid med en 5 kornstørrelse fra ca. 3,2 mm til ca. 4,8 mm.

Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse adskiller sig fra smelte-stålstøbemetoden ifølge US patentskrifterne nr. 4.024.902 og 4.140.170 og fra smelte-støbe-jernsmetoden ifølge US patentskrift nr. 4.119.454 ved to ho-10 vedfaktorer: (1) et kompakt pulver af stål eller jern og grafit indeholdende dispergerede partikler af sintret, cementeret carbid, eller et antal stykker dimensioneret sintret, cementeret carbid, eller primære, uformalede, makrokrystal-linske carbidkrystaller sintres ved en temperatur under smel-15 tetemperaturen for stål eller støbejern, og (2) i stedet for anvendelsen af matrix-legeringssmeltetemperaturer til opnåelse af legeringstæthed benyttes der høje sammenpresningsenhedstryk, både før og efter sintring, hvorved man undgår ødelæggelse af de dispergerede hårdfasepartikler ved dekom-20 ponering, smeltning eller carbondiffusionsreaktioner.

Støberimetoder mangler også de velkendte økonomiske fordele, der er særpræget for pulvermetallurgiske metoder, især når der skal fremstilles et meget stort antal slidbestandige dele med enten lille eller tyndt tværsnit. På grund 25 af de nødvendigvis forholdsvis høje behandlingstemperaturer-og flydeenhedsgraden kan der også dannes overskydende mængder af uønskede binære carbider til trods for anvendelsen af forholdsvis grove carbidpartikler med lille overfladeareal.

Eftersom både den konventionelle pulvermetallurgiske 30 metode til presning og sintring af fintformalede, stål-cementerede carbidpulvere og metoder, der involverer udstøbning af flydende stål eller flydende støbejern i partikelformet, cementeret carbid, der i forvejen er anbragt i forme, resulterer i de i det foregående beskrevne problemer, er det øn-35 skeligt at udvikle en metode, ved hvilken en stål-cementeret hårdcarbid-legering kan fremstilles i det væsentlige fri for 3

DK 158957 B

binære indskudslegeringer af jern og wolfram med carbon, og ved hvilken den dispergerede hårdcarbidfase er fri for grænsef ladearealdekomponering, smeltning eller termisk revnedannelse og er fast bundet i en stålmatrix, der i det væsentlige 5 er fri for makroporøsitet.

Formålet med opfindelsen er altså at angive og fremstille et materiale, der har dispergeret hårdcarbidmateriale fast og vedhængende bundet i en metallisk matrix, ved pul-vermetallurgisk teknik med hensyn til sammenpresning og høj-10 temperatur- og højtryksdiffusionsbindingf hvilket materiale er i det væsentlige ikke-maskinbearbejdeligt og har tilstrækkelig slagstyrke til at være egnet til anvendelse som f.eks. sikkerhedsplader og komponenter i hængelåse.

Fra DE offentliggørelsesskrift nr. 2.722.271 kendes 15 der en fremgangsmåde til fremstilling af et kompositmateri-ale, ved hvilken der anvendes en udgangsblanding af titancar-bidpulver og en stålmatrix. Blandingen koldpresses og vakuum-sintres derpå ved 1375°C, idet sintringen synes at være en sintring i flydende fase. Det dannede materiale varmpresses 20 derefter ved 1275°C.

Som det fremgår af det følgende, anvender man ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse en sintring ved en temperatur, ved hvilken stålet ikke er flydende, og det sintrede materiale underkastes ikke nogen varmpresning 25 ved 1275°C. Hertil kommer, at der ifølge DE offentliggørelsesskriftet er tale om et lagdelt kompositmateriale med sektioner med forskelligt carbidindhold, medens materialet fremstillet ifølge opfindelsen har en metallisk matrix støbt omkring f.eks. en wolframcarbid-stål-bestanddel.

30 I DE offentliggørelsesskrift nr. 2.630.932 er der an givet to eksempler på et hårdt kompositmateriale alene og et tredie eksempel på et kompositmateriale med kun carbidpar-tikler i en stålmatrix. Eksempel 1 vedrører kun dannelsen af et kompositmateriale af cementeret carbid og stålpulver.

35 Eksempel 2 vedrører dannelsen ved sintring af en lagstruktur, hvor det første lag indeholder en blanding af carbid og stål- 4

DK 158957 B

pulver, og hvor det andet distinkte lag indeholder stålpulver. Eksempel 3 vedrører dannelsen af en struktur, ved hvilken støbt diwolframcarbid knuses og anbringes i en form, hvorpå stål støbes omkring carbidet. Der er i dette skrift 5 ikke tale om, at et wolframcarbid-stålmatrix-kompositmateri-ale indlejres i og bindes til en anden metallisk matrix.

I US patentskrift nr. 2.731.711 beskrives fremstillingen af cementeret carbid, og der er ikke tale om et komposit-materiale som det ifølge opfindelsen, dvs. et kompositmate-10 riale omfattende stål-cementeret carbid bundet til en metallisk matrix. Ifølge patentskriftet anvendes der kuglemølle-formaling og sintring i flydende fase; såfremt en sådan teknik blev anvendt i forbindelse med den foreliggende opfindelse, ville dannelsen af den uønskede eta-fase forøges.

15 I US patentskrift nr. 4.101.318 er der tale om frem stilling af et kompositmateriale af korn af et monocarbid, baseret i det væsentlige på en hexagonal fast opløsning (Mo,W)C indlejret i et bindemiddel (30-80 vægt-%) af en varmbearbejdelig stållegering. Udgangspulveret indeholder 20 bindemiddel og carbider og indeholder fortrinsvis chrom og vanadium og vådformales til forøgelse af jernpulverets sintringsaktivitet. Pulverblandingen sintres ved en temperatur, der ikke er højere end den, ved hvilken der dannes eta-fase.

Den cementerede carbidbestanddel anbringes i en form, og et 25 støbeligt lavtlegeret stål støbes omkring carbidbestanddelen.

Ifølge dette patentskrift reguleres dannelsen af eta-fase ved hjælp af den kemiske sammensætning. Ifølge den foreliggende opfindelse undgås kuglemølleformaling af det cementerede carbidpulver, medens der ifølge patentskriftet 30 anvendes vådformaling, og ifølge den foreliggende opfindelse anvendes der en sintringsteknik i fast tilstand, medens der ifølge patentskriftet anvendes en sintringstemperatur, der afhænger af den kemiske sammensætning.

Ved opfindelsen afhjælpes således en række ulemper 35 ved den nævnte kendte teknik, og det angivne formål opnås.

5

DK 158957 B

Kompositmaterialet ifølge opfindelsen, der som nævnt er af den art, der er angivet i krav l's indledning, er ejendommeligt ved, at carbidmaterialets kornstørrelse er 0,04--0,08 mm, og at grænsefladen mellem carbidmaterialet og ma-5 trixen ikke er tykkere end 50 jum, fortrinsvis 0-40 μπι, og i det væsentlige er fri for eta-carbider, og at carbidmaterialet eventuelt er forsynet med en metalbelægning, som danner en stærk og vedhæftende binding mellem carbidmaterialet og matrixen, idet carbidmaterialet og matrixmaterialet er ens-10 artet sammenblandet uden væsentlig kornstørrelsesreduktion, hvorhos grænsefladen er dannet ved sintring af den homogene blanding ved en temperatur under den, ved hvilken stålet i det mindste er delvis flydende.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen, der som nævnt er 15 af den art, der er angivet i krav 5's indledning, er ejendommelig ved, at der anvendes carbidpartikler med en partikelstørrelse i området 0,04-0,08 mm, og at sintringsbehandlingen udføres ved en temperatur under den, ved hvilken stålet i det mindste er delvis flydende.

20 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen omfatter således f .eks. forening og blanding af sintrede, cementerede wolfram-carbidpartikler eller primære, uformalede, makrokrystallinske (dvs. svarende til mere end 400 mesh) wolframcarbidkrystaller med en matrix af jern- og grafitpulvere eller stålpulver, 25 kold isostatisk presning af materialet i en for-formnings--form til en ønsket form, dernæst sintring i fast tilstand ved en forholdsvis lav temperatur, specielt ved en temperatur under stålets smeltetemperatur, fortrinsvis mellem 1037°C og 1232°C, og derpå varm isostatisk presning (HIP) af det 30 sintrede legeme ved en temperatur godt under stålets smeltepunkt til opnåelse af endelig sammentrykning eller tæt-hedsforøgelse. Der dannes en diffusionsbinding mellem de hårde carbidpartikler og det omgivende stålpulver, der holder de slidbestandige hårdcarbidpartikler på plads.

6

DK 158957 B

En kritisk faktor ved den foreliggende opfindelse er højtrykssammenpresning (eller -tæthedsforøgelse), såvel kold som varm, til undgåelse af proces temperatur er, der frembringer flydende tilstand af stålbindingsfasen og dermed 5 fremmer de ovennævnte, uønskede reaktioner mellem stålbindingsmaterialet og hård, dispergeret fase. Teknikken forbedres i denne henseende ved anvendelsen af en hård dispergeret partikel eller -partikler med lille specifikt overfladeareal. Fremgangsmåden frembyder også et signifikant 10 fremskridt i produktionsevnen ved fremstillingen af stål-car-bid-sliddele med forholdsvis ringe størrelse eller med tyndt tværsnit eller kompliceret form, sammenlignet med de metoder, der er beskrevet i d^ i det foranstående nævnte USA-patent-skrifter, hvor smeltet stål eller smeltet støbejern hældes 15 ud i en form, der i- forvejen er fyldt med partikler af cementeret carbid.

Endvidere er såvel kemisk kontrol som fleksibilitet med hensyn til sammensætningen af matrix-legeringen overlegen i forhold til smeltemstal-støbemetoder. Undgåelsen af de høje 20 behandlingstemperaturer, der kræves til smeltning og udhæld-ning af stål eller støbejern giver bedre støbeform-økonomi, idet formene kan genanvendes, og bedre økonomi med hensyn til matrix-metaller, der ikke giver hældetab og omkostninger til recirkulation. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er vel-25 egnet til dannelse af dele, der skal modstå såvel kraftigt slibende slidkræfter som slagpåvirkningskræfter. Fremgangsmåden er ideelt egnet til fremstilling af slidbestandige dele og skæreværktøjer til udstyr til formål i landbruget, vej-og motorvejskonstruktion og -vedligeholdelse, knusning, 30 findeling, udgravning og behandling. Eftersom slidbestan-digheden af de produkter, der fremstilles ved denne fremgangsmåde, er så høj, at de er praktisk taget ikke-maskin-bearbejdelige, er de også ideelt egnede til anvendelse som sikkerhedsplader i pengeskabe eller -bokse. Denne slidbestan-35 dighed i kombination med disse materialers slagfasthed gør dem også egnede til anvendelse i hængelåse.

7

DK 158957 B

Opfindelsens natur vil fremgå mere tydeligt af den følgende, detaljerede beskrivelse i forbindelse med tegningen, på hvilken fig. 1 viser et mikrofoto ved 1500 ganges forstørrelse 5 udvisende en cementeret carbidpartikel med et cobaltbinde-middel indlejret i og bundet til en konsolideret stålpulver-matrix, fig. 2 viser et perspektivbillede i tværsnit af en slidbestandig plade med cementerede carbid-indsatser indlej-10 ret i og bundet til en konsolideret stålpulvermatrix, og fig. 3 viser et tværsnit af en del af et skæreværktøj med cementeret carbidknop indlejret i og bundet til en konsolideret stålpulvermatrix.

Forlegeret stålmatrixpulver, eller en blanding af 15 jernpulver og grafitpulver, indeholdende 20 til 70 vægtprocent af den færdige blanding sammenbringes og blandes med fra 30 til 80 vægtprocent hårdcarbidpartikler af W, Ti, Ta,

Nb eller Zr, V, Hf, Mo, B, Si, Cr, eller en blanding af disse, enten som sintrede, cementerede carbidpartikler eller 20 som primære, ucementerede, usintrede, uformalede carbidkry-staller. Der sættes ca. 3% naphtha eller andet flydende car-bonhydrid til pulverblandingen under sammenblandingen til hindring af segregering af carbidpartikler med højere densitet under sammenblanding og fyldning af formen, især når 25 den dispergerede, hårde fase er sammensat af hårdcarbidpartikler, der er grovere end ca. 250 jum.

I tilfælde af dispergerede hårdfasepartikler, der er finere end ca. 250 /zm, kan der anvendes paraffinvoks eller et andet fast smøremiddel såsom zinkstearat, fordi muligheden 30 for komponent-partikel-segregering under sammenblanding derved formindskes.

Derefter pakkes matrixpulveret indeholdende den dispergerede, hårde carbidfase i en for-formnings-form fremstillet af polyurethan eller et andet elastomert plastmateriale.

35 Stålpulvere med forskellige kemiske sammensætninger, f.eks. carbonstål, legeret stål eller rustfrit stål i pulverform,

DK 158957 B

s eller grundstof pulvere, f.eks. af jern, kobber eller nikkel, kan også pakkes i den samme form sammen med den sammensatte hoved-stålpulver-carbid-blanding, på ethvert ønsket sted, stødende op til og i kontakt med legemet indeholdende den 5 dispergerede hårdcarbidfase, eller omgivende legemet, eller indesluttende en dimensioneret, sintret og cementeret car-bidindsats. Den pakkede form med et passende udformet dæksel tillukkes derpå og anbringes i en gummipose eller -ballon, som dernæst evakueres, tillukkes og presses isostatisk, for-10 trinsvis ved et tryk på ca. 2450 kg/cm2, men ikke under ca.

700 kg/cm2.

Den kompakte pulver-for-form fjernes derpå fra formen og opvarmes i vakuum eller i en beskyttende eller reducerende gasatmosfære, f.eks. hydrogen, til en temperatur under smel-15 tepunktet for stålmatrixen, fortrinsvis mellem 1037°C og 1149°C, imellem 20 og 90 minutter.

En alternativ for-formnings-metode består i pakning af den sammensatte blanding, der indeholder fortrinsvis flydende carbonhydrid, f.eks. naphtha, fortrinsvis 7 vægtpro-20 cent, og methylcellulose, fortrinsvis 0,5 vægtprocent, som presnings-smøremiddel og bindemiddel i grøn tilstand, i en stål-for-formnings-form.

Den grønne for-form lufttørres derpå ved stuetemperatur i formen, fjernes derefter fra formen og anbringes i 25 en gummipose, som dernæst evakueres og tillukkes, klar til kold isostatisk sammenpresning som foran beskrevet.

Kompakte materialer, der således er sintret i den faste tilstand, bibeholder nogen porøsitet. Krympningen under sintring overstiger ikke 1%. Det har imidlertid vist sig, at 30 den tæthedsforøgelse, der opnås ved isostatisk sammenpresning under højt tryk, efterfulgt af sintring som ovenfor beskrevet, er tilstrækkelig til eliminering af ethvert forbindende porenetværk, og at de sintrede legemer derfor opfylder betingelserne for effektiv endelig tæthedsforøgelse 35 ved kendte varme isostatiske pressemetoder (HIP).

9

DK 158957 B

Varm isostatisk presning til den foreliggende opfindelses formål udføres i en indifferent atmosfære, fortrinsvis ved fra 870°C til 1260°C, eller ved enhver temperatur under smeltetemperaturen for stålet, i fra 20 til 90 minutter ved 5 et minimumstryk på ca. 700 kg/cm2, men fortrinsvis ved et tryk på ca. 1050 kg/cm2 i 60 minutter. Lige så vigtigt er det, at der dannes et legeringslag ved grænsefladerne mellem cementerede carbidpartikler og stålmatrix. Denne grænseflade-legeringsbinding, der først dannes under sintring og 10 senere forøges under varm isostatisk presning, består af et tyndt grænseareal mellem f.eks. en 0,75%Js carbonstålmatrix og dispergerde, cobalt-cementerede cartUdpartikler i et størrelsesområde fra 3,2 mm til 4,8 mm. Bindingen er typisk mindre end 40 μιη tyk og ikke mere end 50 tyk. Grænsefla-15 de-bindingslegeringen er under disse betingelser principielt sammensat af cobalt og jern. Bindingsdannelsen bliver betydningsfuld, især når den hårde, dispergerede fase består af forholdsvis grove partikler, fordi disse er tilbøjelige til at trække sig ud, såfremt de ikke er sikkert forankrede i 20 matr ixleger ingen.

Cementerede wolframcarbid-partikelstørrelser, der udgør den dispergerede hårde fase, vælges fra det brede størrelsesområde fra 2,5 mesh til 100 mesh: (U.S. Sieve Series), idet foretrukne størrelsesområder er -12+20 mesh, 25 -6+12 mesh og -4+6 mesh. Specifikt udvalgte størrelsesområder kan frembringes ved kendte metoder til knusning og udvælgelse af størrelse af sintrede, cementerede carbid-værktøjskom-ponenter, og hvilke legeringer er mere almindelige på basis af et cobalt- eller nikkel-cementeret wolframcarbid (WC), til 30 tider også indeholdende Tic, TaC eller NbC eller kombinationer af disse hårdcarbider.

Et yderligere nyttigt aspekt ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er påføringen af et overtræk af en legering eller et metal, fortrinsvis Corson-bronze eller nikkel, på over-35 fladerne af en dimensioneret, sintret, cementeret wolframcarbid- indsats med udvalgt form og størrelse, eller et antal 10

DK 158957 B

sådanne indsatser, som derpå indlejres i et stål- eller jern-grafit-matrixpulver på udvalgte steder i en for-form-nings-form, inden den fyldte form sammentrykkes isostatisk.

Det anvendte overtræk af Corson-bronze kan have en af de i 5 tabel I angivne nominelle sammensætninger:

Tabel 1

Corson-bronze-sammensætninger A D

10 2,5 vægtprocent Ni 10 vægtprocent Mn 0,6 vægtprocent Si 4 vægtprocent Co 0,25 vægtprocent Mn 86 vægtprocent Cu rest Cu 15 Efter kold isostatisk sammenpresning og under påføl gende sintring og varm isostatisk presning af det kompakte carbid-stål danner overtrækket på det cementerede carbid-legeme autogent en diffusionsbinding til forøgelse af den bindingsstyrke, med hvilken dimensionerede, cementerede 20 carbidlegemer holdes i matrixen. Ved denne metode kan et cementeret carbidlegeme, eller et antal deraf, med specifik form og< størrelse erstatte en dispergeret, hård carbidfase af partikelformet natur, og derved danne et slidbestandigt legeme eller et værktøj til skæring eller boring i metal 25 eller klippeformationer.

Det bemærkes, at de forholdsvis lave behandlingstempe-raturer, der anvendes ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse, i tilfælde, hvor der anvendes stålmatrix-pulversammensætninger, som ikke binder godt til partikler 30 af en dispergeret hårdcarbidfase,' kan'resultere i en utilstrækkelig bindingsstyrke ved matrix-carbidpartikel-græn-sefladen. I sådanne tilfælde, f.eks. når der anvendes legeringsstålpulvere, som vides at være mindre sintringsdygtige ved de forholdsvis lave sintringstemperaturer i fast til-35 stand, der anvendes ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, har det vist sig at være fordelagtigt at for-overtrække

XI

DK 158957 B

hårdcarbidpartiklerne med nikkel eller kobber, f.eks. ved kendte processer såsom elektrofri metalovertrækning eller ved vakuum-dampfaseovertrækning. Nikkelovertræk, der således er påført hårdcarbidfraktionen, der er dispergeret, inden 5 blandingen, har vist sig at forbedre carbidpartikel-bin-dingsstyrken. En sådan for-overtrækning af hårdcarbidpartiklerne vil også være fordelagtig, når der anvendes pulvere af rustfrit stål.

En yderligere og nyttig del af den ovenfor beskrevne 10 metode er inkorporeringen af en dispergeret hårdcarbidfase i et stål- eller jern-grafit-pulver, der er komprimeret, bestående af uformalede makrokrystallinske carbidkrystaller i størrelsesområdefraktioner mellem 60 og 400 mesh (U.S. Sieve Series), og i foretrukne områder, f.eks. -60+100 mesh, 15 -80+200 mesh eller -150+325 mesh, i stedet for og erstattende partikler af cementeret carbid. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen til sammensætning og dannelse af makrostrukturerede, cementerede carbidmaterialer er nøjagtigt som beskrevet i det foranstående.

20 Den anvendte, forholdsvis lave behandlingstemperatur resulterer i en makrostruktur, der i det væsentlige er fri for skøre dobbeltcarbider af jern og wolfram (eta-fase) og grov porøsitet. Tendensen for i flydende fase sintrede, mi-krostrukturerede, cementerede wolframcarbidlegeringer, hvor 25 der anvendes f.eks. et stålbindemiddel i stedet for det sædvanlige cobaltbindemiddel, til udvikling af skøre faser af eta-typen er velkendt. Det antages, at undgåelsen af sintring i flydende fase og den deraf følgende undgåelse af carbon-overførsel, som en sådan fremgangsmåde fremmer, 30 samt den unikt lille specifikke overflade af de uformalede makrokrystallinske carbidpartikler, der udgør en del af den dispergerede, hårde fase, er essentiel for den heldige dannelse af de tofasede stål-carbid-makrostrukturer, som fremstilles ved denne metode. Det vil forstås, at sintring 35 i flydende fase som her omtalt betyder sintring ved en temperatur, ved hvilken stålbindemidlet er i det mindste par- 12

DK 158957 B

tielt flydende. Undgåelsen af sintring i flydende fase ifølge den foreliggende opfindelse gælder derfor ikke ethvert metal eller enhver legering med lavere smeltepunkt, f.eks. kobber eller Corson-bronze, der kan tilsættes som et pulver eller 5 et overtræk til fremme af sanmenbinding eller tæthedsforø-gelse, og som tilsigtet kan blive flydende under sintring eller varm isostatisk presning.

Anvendelsen af uformalede, makrokrystallinske hård-carbidkrystaller som en dispergeret hård fase er en foretruk-10 ken udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen som et effektivt middel til opretholdelse af en hård fase med lille specifik overflade. Det bemærkes dog, at i det væsentlige bindemiddel-fri, hårde aggregater af finere eller formalede hårde car bider kan anvendes på den nævnte måde.

15 Et betydningsfuldt aspekt ved de ovennævnte, makro- strukturerede legemer er undgåelsen af kuglemølleformaling eller anden findeling af matrix-carbid-pulverblandingerne, eller af hvert af disse to materialer hver for sig, forud for kold isostatisk sammenpresning, sintring og HIP. Den 20 tidligere anvendte praksis, der i vid udstrækning er blevet betragtet som essentiel til opnåelse af gode, kommercielt anvendelige, cementerede carbidstrukturer, fører til forøget reaktion mellem carbider og jern-baserede matrixpulvere med deraf følgende dannelse af skøre dobbeltcarbider. Undgåelsen 25 af pulverformaling medfører også en omkostningsnedsættelse.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan der anvendes ethvert af de makrokrystallinske carbider eller kombinationer eller faste opløsninger deraf, specifikt WC, TiC, TaC eller NbC, der alle udviser den lille specifikke overflade og an-30 gulære, blokformige former, der er typiske for disse grovkrystallinske mono- og binære carbider. Det er kendt, at primære, makrokrystallinske carbidmaterialer kan formales fint sammen med cobalt eller nikkel til dannelse af cementerede carbidmikrostrukturer ved sintring i flydende fase i 35 temperaturområdet fra 1315°C til 1538°C, hvor de resulterende, dispergerede hårdcarbidfaser typisk ligger mellem 1 μιη 13

DK 158957 B

og ca. 10 /m. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen resulterer i modsætning hertil i dispergerede, enkelte makrokrystal-linske carbidkorn i størrelsesområder udvalgt mellem de meget grovere yderpunkter fra 250 μια til ca. 40 μια.

5 Opfindelsen illustreres nærmere i de følgende eksemp ler.

Eksempel 1

Slidbestandige skærespidser fremstilles til anvendelse 10 i roterende sukkerrørsskæremaskiner. Der fremstilles en ensartet sammenblandet blanding indeholdende ca. 55 vægtprocent ca. 3,3 mm til ca. 4,8 mm cobalt-cementerede wolframcarbid--granuler, ca. 44,67 vægtprocent -100 mesh atomiseret jernpulver og 0,33 vægtprocent -325 mesh grafitpulver. Under 15 sammenblandingen tilsættes der 5 vægtprocent naphtha til nedsættelse til et minimum af segregeringen af de cementerede carbidpartikler med højere densitet. Den fugtige blanding komprimeres manuelt i en elastomer polyurethan-formhulhed med den ønskede værktøjsform, idet der dimensioneres under 2 0 hensyn til kold isostatisk pulverkomprimering plus 1% sintrings-krympning. Efter kold isostatisk komprimering ved ca. 2450 kg/cm2 fjernes den komprimerede for-form fra formen og vakuumsintres ved ca. 1093°C i 60 minutter, hvorpå det sintrede legeme presses isostatisk ved ca. 1232°C i 60 minut-25 ter ved et tryk på ca. 1050 kg/cm2 under helium.

Metallografisk undersøgelse viser en matrixstruktur sammensat af hovedsageligt perlit og lidt ferrit, der er typisk for konventionelt, langsomt afkølet 0,75%'s carbonstål med lav porøsitet. De cementerede carbid-matrix-grænseflader 30 er optaget af bånd med en bredde på ca. 5 μια af en legering, der menes hovedsageligt at være sammensat af jern og cobalt.

De cementerede carbiddispergerede partikler viser sig upåvirkede af termisk revnedannelse, og der findes ingen tegn på opløsning, smeltning eller dekomponering af den disper-35 gerede carbidfase ved eller nær ved grænsefladerne, idet disse grænseflader er skarpe, bortset fra den ovennævnte 14

DK 158957 B

jern-cobalt-legerings-diffusionszone. Der iagttages ingen potentielt skadelige koncentrationer af eta-fase. Testlegemer bøjes manuelt over en dorn ved hamring ved stuetemperatur og viser sig at have høj modstandsdygtighed mod slagbelast-5 ning og at være i det væsentlige fri for skøre brud.

På tegningen viser fig. 1 et mikrofoto af et typisk areal i et materiale fremstillet ifølge eksempel 1, men med den undtagelse, at sintringen udføres ved ca. 1150°C. Et cobalt-cementeret wolframcarbid-granulat 40 er vist metallur-10 gisk bundet til et ulegeret carbonstål med en hovedsageligt perlittisk struktur 50 ved hjælp af en diffusionszone 45 indeholdende jern og cobalt. Dif fus ions zonen 45 er ca. 3 jum tyk.

15 Eksempel 2

Der fremstilles en slidbestandig kvadratisk plade på ca. 2580 cm2 med en tykkelse på ca. 9,6 mm og bestående af 60 vægtprocent uformalet -60+100 mesh makrokrystallinsk WC cementeret med 40 vægtprocent 0,75%'s C-stål indeholdende 20 2 vægtprocent Cu. En ensartet tørblandet blanding af -60+100 mesh makrokrystallinske WC-krystaller, -325 mesh grafitpulver, -100 mesh jernpulver og -325 mesh kobberpulver tørblandes uformalet til en ensartet blanding og fugtes derpå ved blanding med flydende naphtha og methylcellulose svarende 25 til henholdsvis 7% og 0,5 vægtprocent af den tørre blanding, og pakkes dernæst i en stål-præform-støbeform til en fast, grøn pladeform med dimensioner svarende til ca. 102% af den ønskede endelige dimension.

Efter lufttørring i formen ved stuetemperatur fjernes 30 det sammenpressede legeme fra formen, anbringes i en gummipose og behandles yderligere ved kold isostatisk komprimering, sintring og HIP som beskrevet i eksempel 1. Metallo-grafisk undersøgelse viser en makrostruktur af makrokrystallinsk WC jævnt dispergeret i en stålmatrix. Der iagttages 35 et 5 ^m tykt bindingslag af ukendt sammensætning med WC-græn- 15

DK 158957 B

sefladerne. Disse grænseflader er fri for skøre, binære car-bidfaser og revnedannelser.

Eksempel 3 5 Der fremstilles et sammensat slidbestandigt legeme af stål med dimensionerne ca. 38,1 mm x 38,1 mm x 38,1 mm (terningform), omfattende en dimensioneret plade af sintret, cementeret 5 vægtprocents cobalt-wolfram-carbid, idet man hensigtsmæssigt indlejrer den dimensionerede plade af sin-10 tret, cementeret, carbid i det grønne pulver inden iso-kom-primeringen således, at dens ydre overflade er i plan med den ydre overflade af stålterningen. Der fremstilles en tør, uformalet blanding indeholdende 97,25 vægtprocent -100 mesh atomiseret jernpulver, 2 vægtprocent -325 mesh Cu-pulver og 15 0,75 vægtprocent grafit, og der blandes derpå med naphtha og methylcellulose svarende til henholdsvis 5 og 0,3 vægtprocent af den tørre blanding. Denne pakkes derefter i en elastomer form, hvorpå en kvadratisk ca. 645 mm2 plade med en tykkelse på ca, 6,4 mm af sintret cementeret carbid pres-20 ses ned i jernpulverblandingen således, at de ydre overflader er kongruente.

Formen anbringes efter tillukning i en gummipose, evakueres, forsegles og komprimeres isostatisk på dette punkt, fjernes fra formen, sintres og komprimeres varmt og 25 isostatisk som i eksempel 1. Metallografisk undersøgelse viser, at den i forvejen anbragte, sintrede carbidplade er bundet gennem en 5 μπι grænseflade-bindingsfase til den stål-matrix, der omgiver den på tre sider, og at hele strukturen viser sig at være fejlfri og fri for revner.

3 0 Fig. 2 viser en slidplade 20 fremstillet på den måde, der er beskrevet i dette eksempel, dog med den undtagelse, at der er indlejret tre i stedet for én carbidindsats(er) 30 i pladen 20 således, at en overflade 45 af hver indsats 30 er i praktisk taget samme plan som den arbejdende ende 35 40 af værktøjet 20. Det bemærkes, at grænsefladebindingen 35 er praktisk taget ensartet og kontinuerlig og danner en 16

DK 158957 B

sej og vedhængende binding mellem det cementerede carbid og den konsoliderede carbonstål- og kobbermatrix 25.

Til visse anvendelser, der involverer slid, kan man, afhængigt af den korroderende natur af det miljø, hvori slid-5 pladen anvendes, med fordel erstatte de jern-, carbon- og kobberpulvere, der anvendes i dette eksempel, med pulvere af rustfrit stål eller legeret stål.

Fig. 3 viser et tværsnit i en anden udførelsesform for et værktøj ifølge opfindelsen. Dette værktøj 1 kan frem-10 stilles i det væsentlige som beskrevet i eksempel 3, men med den undtagelse, at den cementerede carbid-indsats 5 får lov at have sin arbejdende ende 2 strækkende sig udad og ud over stållegemet 10 i værktøjet 1. Som vist i denne figur er indsatsen 5 bundet til stållegemet 10 ved hjælp af en dif-15 fusionszone 15, der er dannet ved interdiffusion af cobalt fra indsatsen 5 og jern fra stållegemet 10 under højtemperatur- og højtryks-sintringsoperationerne.

Claims (7)

1. Kompositmateriale omfattende 30-80 vægtprocent af et carbidmateriale såsom wolframcarbid, titancarbid, tantal- 5 carbid, niobiumcarbid, zirconiumcarbid, vanadiumcarbid, hafniumcarbid, chromcarbid, borcarbid, siliciumcarbid eller blandinger af disse carbider eller deres faste opløsninger og cementerede blandinger, og 20-70 vægtprocent af et matrix-materiale omfattende stål, stål og jern, stål og kobber 10 samt stål og nikkel, idet carbidmaterialet er indlejret i og bundet til matrixen, kendetegnet ved, at car-bidmaterialets kornstørrelse er 0,04-0,08 mm, og at grænsefladen mellem carbidmaterialet og matrixen ikke er tykkere end 50 μια, fortrinsvis 0-40 μιη, og i det væsentlige er fri 15 for eta-carbider, og at carbidmaterialet eventuelt er forsynet med en metalbelægning, som danner en stærk og vedhæftende binding mellem carbidmaterialet og matrixen, idet carbidmaterialet og matrixmaterialet er ensartet sammenblandet uden væsentlig kornstørrelsesreduktion, hvorhos grænse-20 fladen er dannet ved sintring af den homogene blanding ved en temperatur under den, ved hvilken stålet i det mindste er delvis flydende.

2. Kompositmateriale ifølge krav 1, i hvilket carbid-25 materialet er en cementeret blanding med cobalt som bindemiddel, kendetegnet ved, at grænsefladen indeholder jern og cobalt og har en tykkelse på 0-40 μιη.

3. Kompositmateriale ifølge krav 1 eller 2, k e n-30 detegnet ved, at carbidmaterialet indeholder wolframcarbid. 1 Kompositmateriale ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at stålet er et legeret stål eller rustfrit 35 stål. DK 158957 B

5. Fremgangsmåde til fremstilling af et komposit-materiale ifølge krav 1-4 ved blanding af ståldannende pulver og hårde carbidpartikler til dannelse af en homogen blanding, som koldpresses til dannelse af en kompakt for-form, som 5 derefter sintres ved højt tryk og forhøjet temperatur, kendetegnet ved, at der anvendes carbidpartikler med en partikelstørrelse i området 0,04-0,08 mm, og at sintringsbehandlingen udføres ved en temperatur under den, ved hvilken stålet i det mindste er delvis flydende. 10

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at de hårde carbidpartikler for-overtrækkes med en metalbelægning inden blandingen med de ståldannende pulvere. 15

7. Fremgangsmåde ifølge krav 5 eller 6, kendetegnet ved, at tæthedsforøgelsen af den kompakte forform udføres ved diffusionsbinding ved sintring af den sammenpressede for-form ved en temperatur under 1375°C og under 20 smeltetemperaturen for stålet til opnåelse af mindst mulig sammenhængende porøsitet i for-formen, hvorpå man isostatisk presser for-formen ved et tryk over 700 kg/cm2 ved en temperatur mellem 870°C og stålets smeltetemperatur.

8. Anvendelse af et kompositmateriale ifølge krav 1- 4. slidbestandige værktøjer.