EP1242642A1 - Pulvermischungen bzw. verbundpulver, verfahren zu ihrer herstellung und ihre verwendung in verbundwerkstoffen - Google Patents

Pulvermischungen bzw. verbundpulver, verfahren zu ihrer herstellung und ihre verwendung in verbundwerkstoffen

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EP1242642A1
EP1242642A1 EP00991157A EP00991157A EP1242642A1 EP 1242642 A1 EP1242642 A1 EP 1242642A1 EP 00991157 A EP00991157 A EP 00991157A EP 00991157 A EP00991157 A EP 00991157A EP 1242642 A1 EP1242642 A1 EP 1242642A1
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EP
European Patent Office
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powder
type
composite
metal
metals
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Bernd Mende
Gerhard Gille
Ines Lamprecht
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HC Starck GmbH
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HC Starck GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • Powder mixtures or composite powders processes for their production and their use in composite materials
  • the present invention relates to powder mixtures or composite powders which consist of at least two types of powder or solid phases in disperse form and which are used as precursors for particle composites or as wettable powders for surface coatings.
  • these composite powders contain refractory metals (such as W and Mo) or hard materials (such as WC, TiC, TiN, Ti (C, N) TaC, NbC and Mo 2 C) or ceramic
  • Binding metals such as Fe, Ni, Co, Cu and Sn
  • mixed crystals and alloys of these binding metals on the other hand.
  • the invention further relates to processes for producing these composite powders and their use for particle composites and wettable powders. The most important
  • particle composites are hard metals, cermets, heavy metals and functional materials with special electrical (contact and switching materials) and thermal properties (heat sinks).
  • the effective properties of these particle composites e.g. Hardness, modulus of elasticity, fracture toughness, strength and wear resistance, but also electrical and thermal conductivity are determined in addition to the properties and proportions of the phases primarily by the degree of dispersion, the homogeneity and the topology of these phases as well as by structural defects (pores, impurities). These structural characteristics of the particle composites are in turn determined by the powdery raw materials and their powder metallurgical processing (pressing, sintering) into compact materials.
  • Hard metals are particle composites of at least two phases, the WC hard material phase (97 - 70 m%) and the eutectic Co-WC binder metal phase (3 - 30 m%), which is formed by dissolving W and C in Co in liquid phase sintering and binds the toilet particles.
  • the hard metals can carry out other phases of hard material such as the cubic (W, Ti) and (W, Ta / Nb) mixed carbides with proportions of 1 to 15 m% included. If the hard metals are particularly corrosive, the Co-based binder is completely or partially replaced by Ni, Cr (Fe) alloys. B. VC and Cr C 2 ( ⁇ 1 m%) to control grain growth and microstructure.
  • the hard material particles are carriers of hardness, wear resistance and high temperature properties, while the binding metals primarily determine the fracture toughness, the thermal shock resistance and the flexural strength.
  • Hard metals are characterized in particular by very favorable combinations of hardness and toughness as well as high temperature stability and wear /
  • Corrosion resistance This is achieved in that either the hard material particles are fully dispersed in the binder metal or, with decreasing binder metal content, two mutually penetrating phase regions of hard material and binder are formed. During sintering, this structure runs parallel to the compaction of the compact. The compression during the
  • Sintering process takes place to 70 - 85% of the density increase in the stage of solid phase sintering, ie the WC grains move under the action of the viscous flowing and wetting binder metal in energetically preferred positions, see e.g. B. GILLE, SZESNY, LEITNER; Proc. 14 l Int. Plansee Seminar, Vol. 2, Reutte 1997.
  • the eutectic composition is finally achieved and the binding metal melts via the simultaneous diffusion of W and C into the co-particles.
  • the remaining 15 - 30% of the compression then takes place via further particle rearrangements and pore filling with liquid binder.
  • the final phase of compression and structure formation takes place through OSTWALD ripening, ie small hard material particles dissolve in the liquid binder due to the higher solution pressure and separate out from larger, adjacent hard material particles.
  • the state of the art of hard metal production is shown, for example, in SCHEDLER, Hartmetall für die Praktiker, Düsseldorf 1988.
  • the hard metal composition the separately produced hard material and binder metal powders are first weighed, mixed and ground.
  • the WC starting powders with their grain sizes range from 0.5 ... 50 ⁇ m, are mostly slightly agglomerated and must have sufficient chemical purity.
  • important properties such as hardness, toughness and wear resistance can be varied to a great extent and adapted to the specific application.
  • the wet powder used today is used to transfer the various powder components into a finely divided mixture.
  • Organic liquids such as z. B. hexane, heptane, gasoline, tetralin, alcohol or acetone.
  • Grinding liquid and medium hard metal balls
  • the powder mixture is sieved from the grinding balls and evaporated from the
  • the grinding takes place mainly in attritors and ball mills, sometimes also in vibrating mills.
  • the currently dominant form of drying that has been used on an industrial scale for around 20 years is spray drying under inert gas, with simultaneous granulation of the composite powders.
  • the dried and optionally granulated mixtures are pressed, extruded or injection molded (MIM) into molded parts and then sintered.
  • MIM injection molded
  • the actual compression process is preceded by dewaxing, ie the expulsion of pressing aids and the pre-sintering for deoxidation and pre-compression.
  • Sintering takes place either under vacuum or inert gas pressures up to 100 bar at temperatures between 1350 and 1500 ° C.
  • the ductility of the binding metals during grinding can lead to the powders not only being deagglomerated or dispersed more finely, but, in contrast to flat discs (flakes) or other unfavorable shapes, being plastically deformed and forged. This occurs particularly in the case of the plastically easily deformable binder metals with a motor vehicle structure and can lead to inhomogeneous binder distribution and to strength-reducing pores in the sintered hard metal.
  • wet grinding can result in complete deagglomeration, a partial breakdown of primary particles and a homogeneous, finely dispersed distribution of the powder components.
  • WO 95/26843 (EP-A 752 922, US-A 5 529 804) describes a process in which hard particles in polyols with reducing properties, such as, for example Ethylene glycol, with the addition of soluble cobalt or nickel salts. At the boiling point of the solvent and a 5 hour reduction time, cobalt or nickel is deposited on the hard material particles. The resulting composite powder actually results in dense microstructures in the, without costly grinding after separation of the solid material, washing, drying, pressing and sintering
  • the reduction reaction in the liquid phase is terminated after a stoichiometric amount of polyol has been consumed, based on the amount of metal used, in order to suppress the formation of undesired by-products and to be able to recirculate the excess polyol.
  • the intermediate product is filtered and subsequently reduced to the finished composite powder in a dry way under hydrogen at 550 ° C. and a very long reduction time of approx. 24 h.
  • the hard material is suspended in an aqueous solution containing Co or Ni, and a metal compound is deposited on the surface of the hard material particles by adding ammonia or a hydroxide. After separating the solution, this intermediate product reduced at elevated temperature under hydrogen. The reduced amount of polyols used as solvents and reducing agents and the suppression of side reactions must be compensated for by a significantly longer post-reduction of the intermediate under hydrogen and at an elevated temperature.
  • alcohols are also used in order to reduce metal compounds dissolved therein to the metal or alloy powder or to deposit them as a metal film on a substrate dispersed in the solvent.
  • glass powder, Teflon, graphite, aluminum powder and fibers are used as substrates.
  • the composite powder obtained in this way can be used to obtain sintered bodies with a pore-free structure under normal conditions.
  • the disadvantages of this process are comparatively high solvent losses, corresponding safety precautions and double thermal treatment, process engineering problems due to the handling with highly viscous mixtures when evaporating the solvent and time-consuming cleaning / disposal of the decomposition products when the organic shell burns out in the first thermal process step.
  • US-A 5 352 269 describes the Spray Conversion Process (NANODYNE Inc.). According to this process, aqueous solutions, e.g. B. W and Co in suitable concentrations and proportions and for example made of ammonium metatungstate and cobalt chloride, spray dried.
  • the metals W and Co are mixed at the atomic level in the amorphous precursor powders formed in the process.
  • finely crystalline WC particles with grain dimensions of 20-50 nm are formed, which are, however, strongly agglomerated and interspersed or bound with cobalt areas and as hollow spherical aggregates have a diameter of approx. 70 ⁇ m.
  • WC and co-particles in this spray conversion process can no longer be produced separately and are already available as a mixture at the end of this process, but grinding is still necessary to improve the homogeneity of the phase distribution and above all the compression and shrinkage behavior.
  • the decisive disadvantage of these composite powders is, however, that the process-related, low carburization temperature ( ⁇ 1000 ° C) leads to severely disturbed WC crystal lattices and this in turn leads to strong grain growth during sintering. An increase in the carburization temperature to form a more perfect crystal lattice is not possible due to the presence of the binding metal, since otherwise a sintering process between the toilet and the like would start.
  • the mixture of W and Cu present in the oxide at the atomic level is used to achieve highly disperse W and Cu areas or particles in the metal mixture (W and Cu are in fact not soluble in one another).
  • W and Cu are in fact not soluble in one another.
  • Impregnation processes this is done with a relatively complex and expensive process, i.e. with tungsten synthesis, reduction and powder metallurgical processing.
  • expensive raw materials such as the ammonium metatungstate can be used.
  • composite powders with very good homogeneity, dispersity and possibly also special topology of the components / phases can be produced by the desired binder metal powder (phases) in suspensions which already contain the other components of the composite powder, such as high-melting metal or contain hard material or ceramic powder, as
  • Oxalate can be felled. After the mixed precipitation, there is a multicomponent suspension with at least two different solid phases, for example the previously suspended WC particles and the precipitated Co, Fe, Ni, Cu, Sn binder metals.
  • This reaction product is washed and dried, treated thermally under a reducing atmosphere and can then, if necessary after agglomeration, be pressed and sintered without further expensive grinding.
  • the sintered products produced in this way are at least equivalent or superior to conventionally manufactured products with regard to porosity, microstructure and mechanical-physical properties.
  • the present invention relates to a process for producing powder mixtures or composite powders from at least a first type of powder from the group of refractory metals, hard materials and ceramic powders and at least one second type of powder from the group of binder metals, binder metal mixed crystals and binder metal alloys, which is characterized in that is that the second type of powder is produced from precursor compounds in the form of aqueous salts in an aqueous suspension of the first type of powder by precipitation as oxalate, removal of the mother liquor and reduction to the metal.
  • Metals with melting points above 2000 ° C. such as molybdenum, tungsten, tantalum, niobium and / or rhenium, are suitable as high-melting metals.
  • molybdenum and tungsten have gained technical importance.
  • TiB 2 or B 4 C are suitable as ceramic powders. Powders and mixtures of high-melting metals, hard materials and / or ceramic powders can also be used.
  • the first type of powder can be used in particular in the form of finely divided powders with average particle diameters in the nanometer range up to more than 10 ⁇ m.
  • Particularly suitable binding metals are cobalt, nickel, iron, copper and tin and their alloys.
  • the binder metals are used as precursor compounds in the form of their water-soluble salts and their mixtures in aqueous solution.
  • Suitable salts are chlorides, sulfates, nitrates or complex salts. Chlorides and sulfates are generally preferred for ease of availability.
  • Oxalic acid or water-soluble oxalates such as ammonium oxalate or sodium oxalate are suitable for the precipitation as oxalate.
  • the oxalic acid component can be used as an aqueous solution or suspension.
  • the first type of powder can be suspended in the aqueous solution of the precursor compound of the second type of powder and an aqueous solution or suspension of the oxalic acid component can be added. It is also possible to stir the oxalic acid component in powder form into the suspension which contains the first type of powder.
  • the first type of powder can also be suspended in the aqueous solution or suspension of the oxalic acid component and the aqueous solution of the precursor compound for the second type of powder can be added.
  • the two suspensions or the suspension are preferably mixed with the solution with vigorous stirring.
  • the precipitation can be carried out continuously by simultaneous, continuous introduction into a flow reactor with continuous withdrawal of the precipitation product. It can also be carried out discontinuously by presenting the suspension containing the first type of powder and introducing the second precipitation partner. It can ensure a uniform precipitation over the precipitation reactor volume be expedient to stir the oxalate component in the form of a solid powder into the suspension of the first type of powder and solution of the precursor compound for the second type of powder, so that the oxalate component can be distributed evenly before the precipitation occurs through its dissolution. Furthermore, the particle size for the precipitation product can be controlled via the depot effect of the use of a solid oxalate component.
  • the oxalic acid component is preferably used in 1.02 to 1.2 times the stoichiometric amount, based on the precursor compound, for the second type of powder.
  • the concentration of the oxalic acid component in the precipitation suspension can be 0.05 to 1.05 mol / 1, particularly preferably more than 0.6, particularly preferably more than 0.8 mol / 1.
  • the solid mixture of precipitate and first type of powder is separated from the mother liquor. This can be done by filtration, centrifugation or decanting.
  • the solid mixture of the first type of powder and precipitate is treated under a reducing gas atmosphere at temperatures of preferably 350 to 650 ° C.
  • Hydrogen or a hydrogen / inert gas mixture is preferably used as the reducing gas, more preferably a nitrogen / hydrogen mixture.
  • the oxalate is completely broken down into gaseous components, some of which promote the reduction (H 2 O, CO 2 , CO), and the second type of powder is produced by reduction to metal.
  • the oxalate decomposition and reduction can be carried out continuously or batchwise in a moving or static bed, for example in tube furnaces or rotary tube furnaces or push-through furnaces, and under flowing, reducing gases. Any reactor suitable for carrying out solid-gas reactions, such as fluidized bed furnaces, is also suitable.
  • the powders of the first and second types are present partly as separate (“powder mixture”) and partly as mutually adhering (“composite powder”) components in an extremely uniform distribution, essentially without the formation of agglomerates. They can be processed without any further treatment.
  • the powders are suitable for the production of hard metals, cermets, heavy metals, metal-bound diamond tools or electrotechnical functional materials by sintering, optionally using organic binders for producing sinterable green bodies. They are also suitable for the surface coating of parts and tools, for example by thermal or plasma spraying or for processing by extrusion or metal injection molding (MIM).
  • a hard metal test was carried out with this powder according to the following procedure without any other treatment: producing a green body with a pressure of 150 MPa, heating the green body in vacuo at a rate of 20 K / min to 1 100 ° C., holding for 60 minutes at this temperature , further heating at a rate of 20 K / min to 1400 ° C., holding for 45 minutes at this temperature, cooling to 1100 ° C., holding for 60 minutes at this temperature and then cooling to room temperature.
  • tungsten carbide of the DS 80 grade (supplier HCStarck) and 1 g of carbon black were homogeneously dispersed in a suspension of 465.4 g of oxalic acid dihydrate in 1.6 l of deionized water over a period of 60 minutes. Then 2 l of Co solution with 893.4 g of CoCl 2 * 6H 2 O were added quickly and the mixture was stirred for a further 10 min to complete the precipitation. After filtration and washing of the precipitate with deionized water (until chloride was no longer detectable in the drain), the mixture was spray-dried and then in a tubular oven for 90 minutes at 420 ° C. in an atmosphere of 4% by volume hydrogen and 96% by volume. % Nitrogen reduced. The resulting composite powder contained 8.24% Co, 5.63% total carbon, 0.06% carbon free (according to DIN ISO 3908), 0.395% oxygen and
  • a hard metal test was carried out with this powder under conditions similar to those in Example 1 and the following properties were measured on the resulting sintered body: density 14.71 g / cm 3 , coercive force 19.1 kA / m or 240 Oe, hardness HV30 1626 kg / mm 2 or HRA 92.0, magnetic saturation 157.8 G cm 3 / g or 15.8 ⁇ TmVkg, low porosity A00 B02 COO and a homogeneous, microdisperse structure.
  • the resulting composite powder contained 3.60% Co, 2.50% Ni, 2.56% Fe, 5.53% total carbon, 0.07% carbon free, 0.596% oxygen and 0.0176% nitrogen.
  • the SEM analysis shows a well deagglomerated
  • the resulting composite powder had the following chemical composition: 4.46% Ni, 4.26% Fe, 5.52% total carbon, 0.08% carbon free, 0.653% oxygen, 0.0196% nitrogen, the rest tungsten.
  • the SEM analysis shows a well deagglomerated powder (FIG. 9) with a uniform Fe and Ni distribution (FIGS. 10 and 11).
  • tungsten metal powder grade HC 100, supplier HCStarck
  • tungsten metal powder grade HC 100, supplier HCStarck
  • a solution of 1.592 kg of CuSO 4 * 5H 2 O in 6 l of deionized water was added, and the resulting precipitation suspension was stirred for a further 30 minutes to complete the precipitation and homogenize the suspension.
  • the precipitate was subsequently filtered, washed free of anions with deionized water, then spray-dried and reduced in a tubular oven at 500 ° C. for 120 minutes under hydrogen.
  • the resulting composite powder contained 80.78% W and 18.86% Cu in addition to a residual oxygen content of 0.37%.
  • the SEM analysis shows a very fine-grained powder (FIG. 12) and, in the case of energy-dispersive evaluation, a uniform distribution of the copper in the tungsten powder matrix (FIG. 13).

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Pulvermischungen bzw. Verbundpulvern aus mindestens einer ersten Pulverart aus der Gruppe der hochschmelzenden Metalle, der Hartstoffe und der keramischen Pulver und mindestens einer zweiten Pulverart aus der Gruppe der Bindemetalle, Bindemetallmischkristalle und Bindemetalllegierungen, beschrieben, wobei die zweite Pulverart in einer wässrigen Suspension der ersten Pulverart durch Fällung als Oxalat, Abtrennung der Mutterlauge und Reduktion zum Metall aus Vorläuferverbindungen in Form wasserlöslicher Salze erzeugt wird.

Description

Pulvermischungen bzw. Verbundpulver, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung in Verbundwerkstoffen
Die vorliegende Erfindung betrifft Pulvermischungen bzw. Verbundpulver, die aus mindestens zwei Pulverarten bzw. Feststoffphasen in disperser Form bestehen und die als Vorstoffe für Teilchenverbundwerkstoffe oder als Spritzpulver für Ober- flächenbeschichtungen eingesetzt werden. Hinsichtlich der Zusammensetzung enthalten diese Verbundpulver hochschmelzende Metalle (wie z. B. W und Mo) oder Hartstoffe (wie z.B. WC, TiC, TiN, Ti(C,N) TaC, NbC und Mo2C) oder keramische
Pulver (wie z.B. TiB2 und B C) einerseits und Bindemetalle (wie z. B. Fe, Ni, Co, Cu und Sn) oder Mischkristalle und Legierungen dieser Bindemetalle andererseits.
Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung dieser Verbundpulver und deren Einsatz für Teilchenverbundwerkstoffe und Spritzpulver. Die wichtigsten
Anwendungen als Teilchenverbunde sind Hartmetalle, Cermets, Schwermetalle und Funktionswerkstoffe mit speziellen elektrischen (Kontakt- und Schaltwerkstoffe) und thermischen Eigenschaften (Heat sinks).
Die effektiven Eigenschaften dieser Teilchenverbunde wie z.B. Härte, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit, Festigkeit und Verschleißwiderstand, aber auch elektrische und thermische Leitfähigkeit werden neben den Eigenschaften und Anteilen der Phasen vor allem durch den Dispersionsgrad, die Homogenität und die Topologie dieser Phasen so wie durch Strukturdefekte (Poren, Verunreinigungen) bestimmt. Diese strukturellen Charakteristika der Teilchenverbunde werden ihrerseits durch die pul- verförmigen Vorstoffe und deren pulvermetallurgische Verarbeitung (Pressen, Sintern) zu kompakten Werkstoffen bestimmt.
Gemäß dem Stand der Technik gibt es verschiedene Technologien, um derartige Vorstoffe, d. h. Gemische aus mindestens zwei Pulvertypen herzustellen. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit werden der Stand der Technik, die mit ihm verbun- denen Nachteile und das Wesen dieser Erfindung am Beispiel der Hartmetalle und der W-Cu- und Mo-Cu- Verbünde dargestellt.
Hartmetalle sind Teilchenverbunde aus mindestens zwei Phasen, der WC- Hartstoff- phase (97 - 70 m%) und der eutektischen Co-W-C-Bindemetallphase (3 - 30 m%), die sich durch Lösung von W und C in Co beim Flüssigphasensintern ausbildet und die WC-Teilchen bindet. Je nach Anwendung (Schneidwerkzeuge für Stähle, Stahl- und Grauguss, Nichteisenmetalle, Beton, Stein und Holz oder Verschleiß- und Konstruktionsteile) können die Hartmetalle weitere Hartstoffphasen wie die kubischen (W, Ti)- und (W, Ta/Nb)-Mischcarbide mit Anteilen von 1 bis 15 m % enthalten. Bei besonders starker korrosiver Beanspruchung der Hartmetalle wird der Co-basierte Binder ganz oder teilweise durch Ni,Cr(Fe)-Legierungen ersetzt und bei Feinstkornhartmetallen dienen Dopezusätze wie z. B. VC und Cr C2 (< 1 m %) zur Steuerung von Kornwachstum und Gefugeausbildung.
Die Hartstoffteilchen (WC und Mischcarbide) sind Träger der Härte, Verschleißfestigkeit und der Hochtemperatureigenschaften, während die Bindemetalle vorrangig die Bruchzähigkeit, die Thermoschockfestigkeit und die Biegebruchfestigkeit bestimmen. Hartmetalle zeichnen sich insbesondere durch sehr günstige Kombina- tionen von Härte und Zähigkeit sowie Hochtemperaturstabilität und Verschleiß-/
Korrosionsfestigkeit aus. Dies wird dadurch erreicht, dass entweder die Hartstoffteilchen vollständig dispergiert im Bindemetall eingebunden vorliegen oder bei abnehmendem Bindemetallgehalt sich zwei einander durchdringende Phasenbereiche von Hartstoff und Binder herausbilden. Diese Strukturausbildung verläuft beim Sintern parallel zur Verdichtung des Presslings. Die Verdichtung während des
Sinterprozesses erfolgt zu 70 - 85 % des Dichtezuwachses im Stadium der Festphasensinterung, d. h. die WC-Körner bewegen sich unter Wirkung des viskos fließenden und benetzenden Bindemetalls in energetisch bevorzugte Lagen, siehe z. B. GILLE, SZESNY, LEITNER; Proc. 14lh Int. Plansee Seminar, Vol. 2, Reutte 1997. Über die gleichzeitig ablaufende Diffusion von W und C in die Co-Teilchen wird schließlich die eutektische Zusammensetzung erreicht und das Bindemetall schmilzt. Danach laufen die restlichen 15 - 30 % der Verdichtung über weitere Teilchenumlagerungen und Porenauffüllung mit flüssigem Binder ab. Die Endphase der Verdichtung und Strukturausbildung erfolgt durch OSTWALD-Reifung, d.h. kleine Hartstoffteilchen gehen wegen des höheren Lösungsdruckes im flüssigen Binder in Lösung und scheiden sich an größeren, benachbarten Hartstoffteilchen wieder aus.
Diese Umlösung fuhrt zu einer Kornvergröberung und bestimmt die endgültige Hart- stoff-Binder-Topologie. Im Hinblick auf die hier vorliegende Erfindung ist insbesondere der Tatbestand wichtig, dass bis zu 85 % der Verdichtung und Strukturbildung im Stadium der Festphasensinterung erfolgen und dieses wiederum stark durch die Eigenschaften und die Qualität der Vorstoffe, d. h. der Verbundpulver geprägt wird.
Der Stand der Technik der Hartmetallherstellung ist beispielsweise in SCHEDLER, Hartmetall für den Praktiker, Düsseldorf 1988 dargestellt. Gemäß der Hartmetallzusammensetzung werden die separat hergestellten Hartstoff- und Bindemetallpulver zunächst eingewogen, gemischt und vermählen. Die WC- Ausgangspulver liegen je nach Hartmetallsorte mit ihren Korngrößen im Bereich von 0,5 ... 50 μm, sind meistens leicht agglomeriert und müssen ausreichende chemische Reinheit besitzen. Durch die Variation der WC-Korngrößen und der Bindemetallgehalte zwischen 3 und 30 m % können wichtige Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit und Verschleißwiderstand in starkem Maße variiert und dem speziellen Einsatz angepasst werden.
Bei der heute durchgängig angewandten Nassmahlung werden die verschiedenen Pulverbestandteile in ein feinstdisperses Gemenge überführt. Als Mahlflüssigkeit dienen organische Flüssigkeiten wie z. B. Hexan, Heptan, Benzin, Tetralin, Alkohol oder Aceton. Mahlflüssigkeit und -medium (Hartmetallkugeln) ermöglichen zwar eine hochdisperse Verteilung der Pulverteilchen, mit steigender Feinheit und Dispersität setzt jedoch trotz der organischen Mahlflüssigkeit verstärkt eine Feuchtigkeitsund Gasaufnahme sowie eine Oxidation der Pulver ein. Nach der Mahlung wird das Pulvergemisch über Absieben von den Mahlkugeln und über Verdampfen von der
Mahlflüssigkeit getrennt, getrocknet und gegebenenfalls granuliert. Die Mahlung erfolgt vorwiegend in Attritoren und Kugelmühlen, manchmal auch in Schwingmühlen. Die gegenwärtig dominierende und großtechnisch seit ca. 20 Jahren angewandte Form der Trocknung ist die Sprühtrocknung unter Inertgas, mit gleichzeitiger Granulierung der Verbundpulver. Die getrockneten und gegebenenfalls granulierten Mischungen werden gepresst, stranggepresst oder über Spritzguss (MIM) zu Formteilen verarbeitet und anschließend gesintert. Dem eigentlichen Verdichtungsprozess sind das Entwachsen, d. h. das Austreiben von Presshilfsmitteln sowie das Vorsintern zur Desoxidation und Vorverdichtung vorgeschaltet. Die Sinterung erfolgt entweder unter Vakuum oder Inertgasdrücken bis zu 100 bar bei Temperaturen zwischen 1350 und 1500 °C.
Dieser oben skizzierte, großtechnisch dominierende Standardprozess der Hartmetallherstellung hat hinsichtlich der Mischungsfertigung (Verbundpulverherstellung) durch Nassmahlung folgende Nachteile:
• Der Prozess ist zeit-, energie- und kostenintensiv. Typischerweise liegen die Mahldauern in Attritoren bei 8 - 15 h, in Kugelmühlen bei 50 - 120 h und wegen der organischen Mahlflüssigkeiten ist exgeschützte Anlagentechnik notwendig. Die Anlagentechnik ist außerdem sehr platzaufwendig, da in einem Mahlgefäß nur ca. 20 % des Volumens durch die Pulvermischung, der Rest durch Leerraum, Mahlkugeln und -flüssigkeit beansprucht werden.
• Der Verschleiß der teuren Mahlkugeln (Hartmetall) und der Mahlgefäße (V2A- Stahl) verursacht hohe Kosten und Verunreinigungen der Mischung.
• Die Feuchtigkeits- und Gasaufnahme führt zur Oxidation der Pulver, behindert das Sinterverhalten und kann zur Porosität und damit zur Verschlechterung von Eigenschaften, insbesondere der Festigkeit, führen. Dem muss durch entsprechend aufwendige Maßnahmen beim Vorsintern und Sintern entgegengewirkt werden, z. B. durch Desoxidation mit H2 und ausreichende Entgasung vor dem
Dichtsintern. • Die Duktilität der Bindemetalle kann beim Mahlen dazu fuhren, dass die Pulver nicht nur deagglomeriert oder feiner dispergiert werden, sondern im Gegenteil zu flachen Scheiben (flakes) oder anderweitig ungünstigen Formen plastisch verformt und ausgeschmiedet werden. Dies tritt insbesondere bei den plastisch gut verformbaren Bindemetallen mit kfz-Struktur auf und kann im gesinterten Hartmetall zur inhomogenen Binderverteilung und zu festigkeits- mindernden Poren führen.
• Die Nassmahlung kann bestenfalls eine vollständige Deagglomeration, ein teilweises Aufbrechen von Primärteilchen und eine homogene, feinstdisperse Verteilung der Pulverkomponenten bewirken. Es ist jedoch nicht möglich, eine spezielle, für die weitere Verarbeitung vorteilhafte Phasentopologie wie beispielsweise die Beschichtung der Hartstoffteilchen mit Bindemetall (composite sphere) zu erreichen.
Entsprechend diesen Nachteilen der Nassmahlung unter organischen Mahlflüssigkeiten, die gegenwärtig nahezu hundertprozentig angewandt wird, wurden verschiedene Vorschläge unterbreitet und Technologien entwickelt, um diese Nachteile zu beseitigen.
So wird in der GB-A 346 473 vorgeschlagen, die Hartstoffpartikel elektrolytisch mit einem Überzug des Bindemetalls zu beschichten, um die aufwendige Mahlung mit all ihren Nachteilen zu umgehen. Dieses Verfahren ist jedoch wegen des umständlichen Handlings nicht für den industriellen Maßstab geeignet und besitzt darüber hinaus den Nachteil, dass nur ein Metall, aber nicht mehrerere homogen gemischt auf die Hartstoffpartikel aufgebracht werden können, da unterschiedliche Metalle im allgemeinen unterschiedliche elektrochemische Abscheidungspotentiale besitzen.
In der WO 95/26843 (EP-A 752 922, US-A 5 529 804) wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Hartstoffpartikel in Polyolen mit reduzierenden Eigenschaften, wie z.B. Ethylenglykol, unter Zusatz von löslichen Cobalt- oder Nickelsalzen dispergiert werden. Bei Siedehitze des Lösungsmittels und 5stündiger Reduktionszeit wird Cobalt oder Nickel auf den Hartstoffpartikeln abgeschieden. Das resultierende Verbundpulver ergibt tatsächlich ohne kostenintensive Mahlung nach Abtrennung des Fest- Stoffes, Waschen, Trocknen, Pressen und Sintern dichte Gefugestrukturen in der
Hartmetallegierung. Die beigefügten REM-Fotos lassen aber erkennen, dass relativ grobe Hartstoffpartikel mit Durchmessern um 3 - 5 μm zur Beschichtung mit jeweils einem Bindemetall eingesetzt wurden.
Weiterhin müssen bei diesem Verfahren zur Erzielung wirtschaftlich vertretbarer
Ausbeuten an Bindemetallen zwischen 5 - 40 Mole Reduktionsmittel pro Mol Metallkomponente aufgewendet werden und die während der Reduktion entstehenden flüchtigen Verbindungen (Alkanale, Alkanone, Alkansäuren) müssen abdestilliert werden. Über die Entsorgung dieser unerwünschten Nebenprodukte und den Verbleib der großen Menge überschüssigen Reduktionsmittels, das auch Nebenprodukte enthält, werden keine Angaben gemacht. Die erforderliche lange Reduktionszeit schränkt die Durchsatzkapazität des Verfahrens ein. Diese Bedingungen führen zwangsläufig zu hohen Verfahrenskosten.
Nach WO 97/1 1805 wird das Verfahren der Reduktion mit Polyolen nach WO
95/26843 modifiziert, um den enormen Überschuss an Reduktionsmitteln zu verringern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Die Reduktionsreaktion in flüssiger Phase wird nach Verbrauch einer stöchiometrischen Menge Polyol, bezogen auf den Metalleinsatz, abgebrochen, um die Bildung unerwünschter Nebenprodukte zu unter- drücken und das überschüssige Polyol rezirkulieren zu können. Das Hartstoff-Metall-
Zwischenprodukt wird filtriert und nachfolgend auf trockenem Weg unter Wasserstoff bei 550 °C und sehr langer Reduktionszeit von ca. 24 h zum fertigen Verbundpulver reduziert. In einer alternativen Ausführungsform wird in einer wässrigen Co- oder Ni-haltigen Lösung der Hartstoff suspendiert und durch Zufügen von Ammo- niak oder einem Hydroxid eine Metallverbindung auf der Oberfläche der Hartstoffpartikel niedergeschlagen. Nach Abtrennung der Lösung wird dieses Zwischenpro- dukt bei erhöhter Temperatur unter Wasserstoff reduziert. Die verringerte Einsatzmenge an Polyolen als Lösungs- und Reduktionsmittel und das Unterdrücken von Nebenreaktionen muss durch eine deutliche längere Nachreduktion des Zwischenproduktes unter Wasserstoff und bei erhöhter Temperatur kompensiert werden.
Gemäß US-A 5 759 230 werden ebenfalls Alkohole benutzt, um darin gelöste Metallverbindungen zum Metall- oder Legierungspulver zu reduzieren oder auf einem im Lösungsmittel dispergiertem Substrat als Metallfilm niederzuschlagen. Als Substrate werden unter anderem Glaspulver, Teflon, Graphit, Aluminiumpulver und Fasern eingesetzt.
Ein weiteres Verfahren beschreibt WO 95/26245 (US-A 5 505 902). Metallsalze der Eisengruppe, z.B. Co-acetat, werden in einem polaren Lösungsmittel, z.B. Methanol, gelöst und ein Komplexbildner, wie z.B. Triethanolamin, zugesetzt. Wahlweise kann ein Kohlenstoff-Träger, wie z.B. Zucker, zugesetzt werden. In dieser Lösung wird der gut deagglomerierte Hartstoff dispergiert und durch nachfolgendes Verdampfen des Lösungsmittels mit einer metallhaltigen organischen Schicht umhüllt. In der folgenden thermischen Verfahrensstufe wird zwischen 400-1 100°C unter Stickstoff und/oder Wasserstoff die organische Hülle der Hartstoffpartikel ausgebrannt und danach in einem letzten Schritt bei ca. 700°C, vorzugsweise unter Wasserstoff, und mit Glühzeiten von 120-180 min. zum Verbundpulver reduziert. Statt Wasserstoff können auch andere reduzierende Gase oder Gasgemische eingesetzt werden. Nach Angabe können mit dem auf diese Weise entstandenen Verbundpulver unter üblichen Bedingungen Sinterkörper mit porenfreier Gefügestruktur erhalten werden. Die Nachteile dieses Verfahrens sind vergleichsweise hohe Lösungsmittelverluste, entsprechende sicherheitstechnische Vorkehrungen und zweifache thermische Behandlung, verfahrenstechnische Probleme durch das Handling mit hochviskosen Mischungen beim Verdampfen des Lösungsmittels und aufwendige Reinigung/Entsorgung der Zersetzungsprodukte beim Ausbrennen der organischen Hülle im ersten thermischen Verfahrensschritt. Die US-A 5 352 269 beschreibt den Spray Conversion Process (NANODYNE Inc.). Gemäß diesem Prozess werden zunächst wässrige Lösungen, die z. B. W und Co in geeigneten Konzentrationen und Anteilen enthalten und beispielsweise aus Ammo- niummetawolframat und Kobaltchlorid hergestellt werden, sprühgetrocknet. In den dabei gebildeten, amorphen Precursorpulvem sind die Metalle W und Co auf atomarer Ebene gemischt. Bei einer nachfolgenden carbothermischen Reduktion und Carburierung unter H2/CH_ -, H2/CO- und CO/CO -Gasatmosphären entstehen feinstkristalline WC-Teilchen mit Kornabmessungen von 20 - 50 nm, die jedoch stark agglomeriert und mit Kobaltbereichen durchsetzt bzw. gebunden sind und als hohlkugelförmige Aggregate Durchmesser von ca. 70 μm aufweisen. Obwohl die
WC- und Co-Teilchen bei diesem Spray Conversion Prozess nicht mehr separat hergestellt werden und am Ende dieses Prozesses bereits als Mischung vorliegen, ist dennoch eine Mahlung notwendig, um die Homogenität der Phasenverteilung und vor allem das Press- und Schrumpfungsverhalten zu verbessern. Der entscheidende Nachteil dieser Verbundpulver liegt jedoch darin, dass die prozesstechnisch bedingte, niedrige Carburierungstemperatur (< 1000 °C) zu stark gestörten WC- Kristallgittern und dies wiederum zu starkem Kornwachstum beim Sintern führt. Eine Anhebung der Carburierungstemperatur zur Ausbildung eines perfekteren Kristallgitters ist wegen der Anwesenheit des Bindemetalls nicht möglich, da sonst bereits ein Sinterprozess zwischen dem WC und Co einsetzen würde.
Ein analoges Vorgehen wie bei den zuletzt beschriebenen Patenten für Hartmetallverbundpulver wird in den US-A 5 439 638, 5 468 457 und 5 470 549 für W-Cu- Verbundpulver und den daraus hergestellten Verbundwerkstoffen dargestellt. Diese W-Cu- Verbünde mit 5 - 30 m % Cu finden Einsatz bei elektrischen Kontakten und
Schaltern sowie bei Heat sinks und werden bislang vorwiegend über das Tränken von porösen W-Sinterskelettkörpern mit flüssigem Cu hergestellt. Die zitierten Patente sollen die Schwierigkeiten, die derzeit noch mit dem rein pulvermetallurgischen Verfahren verbunden sind, abbauen und dieser Technologie zum Durchbruch verhelfen, indem verbesserte W-Cu- Verbundpulver eingesetzt werden. In der US-A 5 439 638 werden wegen des besseren Misch- und Mahlverhaltens zunächst W- und Cu-Oxidpulver miteinander vermählen und anschließend mit H2 zu Metallgemischen reduziert. Um eine noch bessere Vermischung der Metallkomponenten W und Cu zu erreichen, werden gemäß den US-A 5 468 457 und 5 470 549 zunächst Komplexoxide wie z. B. das Kupferwolframat (Cu WO4) durch Glühen erzeugt. Bei der nachfolgenden Reduktion mit H2 wird die im Oxid auf atomarer Ebene vorliegende Mischung von W und Cu genutzt, um hochdisperse W- und Cu- Bereiche bzw. -teilchen im Metallgemisch zu erreichen (W und Cu sind ineinander faktisch nicht löslich). Obwohl die Feinheit und Dispersität der Pulver und der daraus hergestellten W-Cu- Verbünde nach diesem Verfahren deutlich besser als bei dem
Tränkverfahren sind, wird dies mit einem relativ aufwendigen und teuren Verfahren, d.h. mit Wolframatsynthese, Reduktion und pulvermetallurgischer Weiterverarbeitung, erreicht. Außerdem müssen teure Ausgangsstoffe wie z.B. das Ammonium- metawolframat eingesetzt werden.
All diese alternativen Verfahren vermeiden zwar die aufwendige Nassmahlung, sie haben aber immer noch die Nachteile, dass sie im technischen Maßstab entweder nicht realisierbar sind und/oder einen unverhältnismäßig großen Einsatz an Reduktionsmitteln erfordern, eine große Zahl und Menge unerwünschter Nebenprodukte erzeugen und lange Verfahrenszeiten benötigen. Die Nebenprodukte fuhren zu Entsorgungsproblemen und -kosten. Die langen Verfahrenszeiten verteuern das Produkt. Spezielle Topologien wie die Beschichtung der Hartstoffteilchen mit Bindemetallen lassen sich zwar gemäß GB-A 346 473 erreichen, eine großtechnische Umsetzung ist jedoch aus Verfahrens- und Kostengründen nie erfolgt.
Es wurde nun gefunden, dass Verbundpulver mit sehr guter Homogenität, Dispersität und gegebenenfalls auch spezieller Topologie der Komponenten/Phasen dadurch hergestellt werden können, dass die erwünschten Bindemetallpulver (-phasen) in vorgelegte Suspensionen, die bereits die anderen Komponenten des Verbundpulvers wie hochschmelzende Metall- oder Hartstoff- oder keramische Pulver enthalten, als
Oxalat gefällt werden. Nach der Mischfällung liegt eine Mehrkomponentensuspension mit mindestens zwei unterschiedlichen Feststoffphasen, z.B. den vorab suspendierten WC-Teilchen und den gefällten Co-, Fe-, Ni-, Cu-, Sn-Bindemetallen, vor. Dieses Reaktionsprodukt wird gewaschen und getrocknet, thermisch unter reduzierender Atmosphäre behandelt und kann dann, gegebenenfalls nach Agglomerierung, ohne weitere aufwendige Mahlung gepresst und gesintert werden. Die so hergestellten Sinterprodukte sind hinsichtlich Porosität, Gefügeausbildung und den mechanisch-physikalischen Eigenschaften den konventionell hergestellten Produkten mindestens gleichwertig oder überlegen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Pulvermischungen bzw. Verbundpulvern aus mindestens einer ersten Pulverart aus der Gruppe der hochschmelzenden Metalle, der Hartstoffe und der keramischen Pulver und mindestens einer zweiten Pulverart aus der Gruppe der Bindemetalle, BindemetaUmischkristalle und Bindemetalllegierungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Pulverart aus Vorläuferverbindungen in Form wässriger Salze in einer wässrigen Suspension der ersten Pulverart durch Fällung als Oxalat, Abtrennung der Mutterlauge und Reduktion zum Metall erzeugt wird.
Als hochschmelzende Metalle sind Metalle mit Schmelzpunkten oberhalb von 2000°C wie Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob und/oder Rhenium geeignet. Technische Bedeutung haben insbesondere Molybdän und Wolfram erlangt. Als Hartstoffe sind insbesondere Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrid, Titancarbonitrid, Tantal- carbid, Niobcarbid, Molybdäncarbid und/oder deren Mischmetallcarbide und/oder
Mischmetallcarbonitride geeignet, gegebenenfalls unter Zusatz von Vanadiumcarbid und Chromcarbid. Als keramische Pulver kommen insbesondere TiB2 oder B4C in Frage. Ferner können Pulver und Mischungen aus hochschmelzenden Metallen, Hartstoffen und/ oder keramischen Pulvern eingesetzt werden. Die erste Pulverart kann insbesondere in Form von feinteiligen Pulvern mit mittleren Teilchendurchmessern im Nanometerbereich bis zu mehr als 10 μm eingesetzt werden. Als Bindemetalle sind insbesondere Cobalt, Nickel, Eisen, Kupfer und Zinn sowie deren Legierungen geeignet.
Erfindungsgemäß werden die Bindemetalle als Vorläuferverbindungen in Form ihrer wasserlöslichen Salze und deren Mischungen in wässriger Lösung eingesetzt. Geeignete Salze sind Chloride, Sulfate, Nitrate oder auch Komplexsalze. Aufgrund der leichten Verfügbarkeit sind im allgemeinen Chloride und Sulfate bevorzugt.
Für die Fällung als Oxalat geeignet sind Oxalsäure oder wasserlösliche Oxalate wie Ammoniumoxalat oder Natriumoxalat. Die Oxalsäurekomponente kann als wässrige Lösung oder Suspension eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß kann die erste Pulverart in der wässrigen Lösung der Vorläuferverbindung der zweiten Pulverart suspendiert werden und eine wässrige Lösung oder Suspension der Oxalsäurekomponente zugegeben werden. Ferner ist es möglich, die Oxalsäurekomponente in Pulverform in die Suspension, die die erste Pulverart enthält, einzurühren.
Erfindungsgemäß kann aber auch die erste Pulverart in der wässrigen Lösung oder Suspension der Oxalsäurekomponente suspendiert werden und die wässrige Lösung der Vorläuferverbindung für die zweite Pulverart zugegeben werden. Vorzugsweise erfolgt die Vermischung der beiden Suspensionen bzw. der Suspension mit der Lösung unter kräftigem Rühren.
Die Fällung kann kontinuierlich durch gleichzeitige, kontinuierliche Einleitung in einen Durchflußreaktor unter kontinuierlichem Abzug des Fällungsproduktes erfolgen. Sie kann ferner diskontinuierlich durch Vorlage der die erste Pulverart enthal- tenden Suspension und Einleiten des zweiten Fällungspartners erfolgen. Dabei kann es zur Gewährleistung einer über das Fällungsreaktorvolumen gleichmäßigen Fällung zweckmäßig sein, die Oxalatkomponente in Form eines festen Pulvers in die Suspension aus erster Pulverart und Lösung der Vorläuferverbindung für die zweite Pulverart einzurühren, so dass die Oxalatkomponente gleichmäßig verteilt werden kann, bevor die Fällung durch deren Auflösung erfolgt. Ferner lässt sich über die Depotwir- kung des Einsatzes einer festen Oxalatkomponente die Teilchengröße für das Fällungsprodukt steuern.
Bevorzugt wird die Oxalsäurekomponente in 1,02 bis 1,2-facher stöchiometrischer Menge, bezogen auf die Vorläuferverbindung für die zweite Pulverart eingesetzt.
Die Konzentration der Oxalsäurekomponente in der Fällungssuspension, bezogen auf den Beginn der Fällung, kann 0,05 bis 1,05 mol/1, besonders bevorzugt mehr als 0,6, insbesondere bevorzugt mehr als 0,8 mol/1 betragen.
Nach beendeter Fällung wird die Feststoffmischung aus Präzipitat und erster Pulverart von der Mutterlauge abgetrennt. Dies kann durch Filtration, Zentrifugieren oder Dekantieren erfolgen.
Vorzugsweise erfolgt anschließend eine Waschung mit entionisiertem Wasser zur Entfernung anhaftender Mutterlauge, insbesondere der Anionen der Vorläuferverbindung.
Nach einem gegebenenfalls getrennten Trocknungsschritt wird die Feststoffmischung aus erster Pulverart und Präzipitat unter einer reduzierenden Gasatmosphäre bei Temperaturen von vorzugsweise 350 bis 650°C, behandelt. Bevorzugt wird als reduzierendes Gas Wasserstoff oder ein Wasserstoff-/Inertgas-Gemisch, weiter bevorzugt ein Stickstoff- Wasserstoffgemisch eingesetzt. Dabei wird das Oxalat vollständig in gasförmige, zum Teil die Reduktion fördernde Komponenten (H2O, CO2, CO) zerlegt und die zweite Pulverart durch Reduktion zum Metall erzeugt. Die Oxalatzersetzung und Reduktion kann im bewegten oder statischen Bett, beispielsweise in Rohröfen oder Drehrohröfen oder Durchschuböfen kontinuierlich oder diskontinuierlich und unter strsömenden, reduzierenden Gasen durchgeführt werden. Geeignet sind ferner beliebige für die Durchführung von Feststoff-Gasreaktionen geeignete Reaktoren, wie beispielsweise Wirbelschichtöfen.
In den erfindungsgemäß erhältlichen Pulvermischungen bzw. Verbundpulvern liegen die Pulver der ersten und zweiten Art teilweise als getrennte ("Pulvermischung"), teilweise als aneinander haftende ("Verbundpulver") Komponenten in äußerst gleich- mäßiger Verteilung im wesentlichen ohne Ausbildung von Agglomeraten vor. Sie können ohne jede weitere Behandlung weiterverarbeitet werden. Insbesondere sind die Pulver geeignet für die Herstellung von Hartmetallen, Cermets, Schwermetallen, metallgebundenen Diamantwerkzeugen oder elektrotechnischen Funktionswerkstoffen durch Sintern, gegebenenfalls unter Einsatz organischer Bindemittel zur Herstel- lung sinterfähiger Grünkörper. Sie sind weiter geeignet zur Oberflächenbeschichtung von Teilen und Werkzeugen beispielsweise durch thermisches oder Plasma-Spritzen oder zur Verarbeitung durch Strangpressen oder Metal Injection Molding (MIM).
Die Erfindung wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit durch die nachfolgenden Beispiele erläutert:
Beispiele
Beispiel 1
5,02 kg Wolframcarbid (Sorte WC DS 80, Lieferant H.C.Starck) wurden in 5 1 Lösung dispergiert, die durch Auflösen von 2,167 kg CoCl2*6H2O in entionisiertem Wasser hergestellt wurde. Unter ständigem Rühren wurde bei Raumtemperatur über eine Zeit von 20 min eine Lösung von 1,361 kg Oxalsäuredihydrat in 13 1 entionisiertem Wasser zugegeben und weitere 60 min zur Vervollständigung der Fällung nachgerührt. Das Präzipitat wurde über eine Nutsche filtriert, mit entionisiertem Wasser gewaschen, bis im ablaufenden Filtrat kein Chlorid mehr nachweisbar war, und nachfolgend sprühgetrocknet. Das sprühgetrocknete Pulver wurde anschließend im Rohrofen bei 500°C unter Wasserstoff 90 min reduziert und an diesem Verbundpulver die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften gemessen: Co 9, 1 %; C total 5,52 %; C frei 0,04 % (nach DIN ISO
3908); O 0,263 %; FSSS 0,76 μm (ASTM B 330); Kornverteilung mit Laserbeugungsmethode dl0=l,01μm, d50=l,83μm, d90=3,08μm (ASTM B 822). Eine REM- Analyse (Fig. 1) mit energiedispersiver Auswertung (Fig. 2) zeigt eine gleichmäßige Verteilung des Cobalts zwischen den Wolframcarbidkörnern.
Mit diesem Pulver wurde ohne jede sonstige Behandlung ein Hartmetalltest nach fügender Verfahrensweise ausgeführt: Herstellen eines Grünkörpers mit einem Pressdruck von 150 MPa, Aufheizen des Grünkörpers im Vakuum mit einer Rate von 20 K/min auf 1 100°C, 60 min Halten bei dieser Temperatur, weiteres Aufheizen mit einer Rate von 20 K/min auf 1400°C, 45 min Halten bei dieser Temperatur, Abkühlung auf 1100°C, 60 min Halten bei dieser Temperatur und dann Abkühlung auf Raumtemperatur. Am Sinterkörper wurden folgende Eigenschaften gemessen: Dichte 14,58 g/cm3; Koerzitivkraft 19,9 kA/m bzw. 250 Oe; Härte HV30 1580 kg/mm2 bzw. HRA 91,7; magnetische Sättigung 169,2 Gcm3/g bzw. 16,9 μTm3/kg; Porosität A00 BOO COO nach ASTM B 276 (unter dem Lichtmikroskop bei 200facher Vergrößerung keine sichtbare Porosität) bei einwandfreier, mikrodisperser Gefugestruktur. Die lineare Schrumpfung des Sinterkörpers wurde mit 19,06 % gemessen.
Beispiel 2
In einer Suspension von 465,4g Oxalsäuredihydrat in 1,6 1 entionisiertem Wasser wurden in einer alternativen Ausfuhrungsform 2000 g Wolframcarbid der Sorte DS 80 (Lieferant H.C.Starck) und 1 g Ruß über 60 min homogen dispergiert. Dann wurden 2 1 Co-Lösung mit 893,4 g CoCl2*6H2O schnell hinzugefügt und weitere 10 min zur Vervollständigung der Fällung gerührt. Nach Filtration und Waschung des Präzi- pitates mit entionisiertem Wasser (bis im Ablauf kein Chlorid mehr nachweisbar war) wurde die Mischung sprühgetrocknet und nachfolgend im Rohrofen 90 min bei 420°C in einer Atmosphäre aus 4 Vol.-% Wasserstoff und 96 Vol.-% Stickstoff reduziert. Das resultierende Verbundpulver enthielt 8,24 % Co, 5,63 % Kohlenstoff gesamt, 0,06 % Kohlenstoff frei (nach DIN ISO 3908), 0,395 % Sauerstoff und
0,0175 % Stickstoff. Die physikalischen Eigenschaften wurden mit FSSS 0,7 μm, Korngrößenverteilung mit Laserbeugungsmethode dl 0=0,87 μm, d50=l,77 μm und d90=3,32μm gemessen. Die REM-Aufhahmen zeigen in SEI-Mode ein gut deagglomeriertes Gemisch (Fig. 3) und bei ernergiedispersiver Auswertung eine sehr gleich- mäßige Verteilung des Cobalts im Verbundpulver (Fig. 4). Mit diesem Pulver wurde unter analogen Bedingungen wie im Beispiel 1 ein Hartmetalltest ausgeführt und am resultierenden Sinterkörper folgende Eigenschaften gemessen: Dichte 14,71 g/cm3, Koerzitivkraft 19,1 kA/m bzw. 240 Oe, Härte HV30 1626 kg/mm2 bzw. HRA 92,0, magnetische Sättigung 157,8 G cm3/g bzw. 15,8 μTmVkg, eine geringe Porosität A00 B02 COO und eine homogene, mikrodisperse Gefügestruktur.
Beispiel 3
357,7 g CoCl2*6H2O, 266,04 g NiSO4»6H2O und 180,3 FeCl2*2H2O wurden mit ent- ionisiertem Wasser zu 2 1 Mischsalzlösung aufgelöst und darin 2 kg Wolframcarbid der Sorte DS 80 (Lieferant H.C.Starck) und 1 g Ruß über 60 min dispergiert. Als Fällungsmittel wurden 5 1 Oxalsäurelösung mit 480,2 g (COOH)2*2H2O zugesetzt und nachfolgend weitere 10 min zur Vervollständigung der Fällung . gerührt. Dann wurde filtriert, der Niederschlag mit entionisiertem Wasser frei von Anionen gewaschen und nachfolgend im Rohrofen 90 min bei 500°C in einer Atmosphäre aus 96 Vol.-% Stickstoff und 4 Vol.-% Wasserstoff reduziert. Das entstandene Verbundpulver enthielt neben der Hauptkomponente Wolframcarbid 3,60 % Co, 2,50 % Ni, 2,56 % Fe, 5,53 % Kohlenstoff gesamt, 0,07 % Kohlenstoff frei, 0,596 % Sauerstoff und 0,0176 % Stickstoff. Die Korngröße wurde mit FSSS 0,7 μm gemessen und die Korngrößenverteilung mit dem Laserbeugungsverfahren mit dl0=l,69 μm, d50=3,22 μm und d90=5,59 μm. Die REM -Analyse zeigt ein gut deagglomeriertes
Verbundpulver (Fig. 5) mit gleichmäßiger Verteilung des Fe, Co und Ni (Fig. 6-8).
Beispiel 4
In 2 1 Lösung mit 300,4 g FeCl2*2H2O und 443,4 g NiSO4*6H2O wurden 2 kg
Wolframcarbid der Sorte DS 80 und 1 g Ruß unter kräftigem Rühren über 60 min dispergiert. Zur Fällung des Fe und Ni wurden 489,3 g (COOH)2*2H2O, in 1,7 1 entionisiertem Wasser aufgelöst, zugegeben und weitere 10 min zur Komplettierung der Fällung gerührt. Das Präzipitat wurde filtriert, mit entionisiertem Wasser frei von Anionen gewaschen und sprühgetrocknet. Dieses Vorläuferpulver wurde nachfolgend im Rohrofen 90 min bei 500°C in einem Gemisch aus 96 Vol.-% Stickstoff und 4 Vol.-% Wasserstoff reduziert. Das resultierende Verbundpulver zeigte folgende chemische Zusammensetzung: 4,46 % Ni, 4,26 % Fe, 5,52 % Kohlenstoff gesamt, 0,08 % Kohlenstoff frei, 0,653 % Sauerstoff, 0,0196 % Stickstoff, Rest Wolfram. Die Korngröße wurde mit FSSS 0,74 μm und die Korngrößenverteilung mit Laserbeugungsverfahren mit dl0= 1,92 μm, d50=3,55 μm und d90=6,10 μm bestimmt. Die REM- Analyse zeigt ein gut deagglomeriertes Pulver (Fig. 9) mit gleichmäßiger Fe- und Ni- Verteilung (Fig. 10 und 11). Beispiel 5
In eine Suspension von 872 g Oxalsäuredihydrat in 3,05 1 entionisiertem Wasser wurden 1,6 kg Wolframmetallpulver (Sorte HC 100, Lieferant H.C.Starck) einge- tragen und über 15 min Rührdauer homogen dispergiert. Dazu wurde eine Lösung von 1,592 kg CuSO4*5H2O in 6 1 entionisiertem Wasser gegeben und die entstehende Fällsuspension weitere 30 min zur Komplettierung der Fällung und Homogenisierung der Suspension gerührt. Das Präzipitat wurde nachfolgend filtriert, mit entionisiertem Wasser frei von Anionen gewaschen, dann sprühgetrocknet und im Rohrofen bei 500°C 120 min unter Wasserstoff reduziert. Das resultierende Verbundpulver enthielt 80,78 % W und 18,86 % Cu neben einem Restsauerstoffgehalt von 0,37 %. Die Korngröße, gemessen mit dem FSSS-Verfahren, wurde mit 1,12 μm bestimmt und die Korngrößenverteilung unter Anwendung des Laserbeugungsverfahrens mit dl 0=1, 64 μm, d50=5,31 μm, d90=12,68 μm. Die REM-Analyse zeigt ein sehr feinkörniges Pulver (Fig. 12) und bei energiedispersiver Auswertung eine gleichmäßige Verteilung des Kupfers in der Wolframpulver-Matrix (Fig. 13).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Pulvermischungen bzw. Verbundpulvern aus mindestens einer ersten Pulverart aus der Gruppe der hochschmelzenden Metalle, der Hartstoffe und der keramischen Pulver und mindestens einer zweiten Pulverart aus der Gruppe der Bindemetalle, BindemetaUmischkristalle und Bindemetalllegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pulverart in einer wässrigen Suspension der ersten Pulverart durch Fällung als Oxalat, Abtrennung der Mutterlauge und Reduktion zum Metall aus Vorläuferverbindungen in Form wasserlöslicher Salze erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Pulverart hochschmelzende Metalle wie Mo und/oder W und oder carbidische oder nitridische Hartstoffe wie WC, TiC, TiN, Ti (C,N), TaC, NbC und Mo2C und oder deren Mischmetallcarbide und oder keramische Pulver wie TiB2 oder B4C eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pulverart in wässriger Suspension, die den oder die Vorläufer der zweiten Pulverart in Form gelöster Salze enthält, vorgelegt wird und in die Suspension Oxalat- und/oder Oxalsäurelösung gegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pulverart in Oxalat- und/oder Oxalsäurelösung suspendiert wird, und der oder die Vorläufer der zweiten Pulverart in Form einer Lösung ihrer wasserlöslichen Salze zu der Suspension gegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorläuferverbindungen wasserlösliche Verbindungen von Co, Ni, Fe, Cu und/oder Sn eingesetzt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxalsäurekomponente in 1- bis 2-fach, vorzugsweise 1,02 bis 1,2-fach, stöchiometrischer Menge, bezogen auf die Vorläuferverbindungen für die zweite Pulverart eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällungssuspension eine Konzentration von 0,05 bis 1 ,05 mol/1 Oxalsäurekomponente enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fällung unter starkem Rühren durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung bzw. der Verbund aus erster Pulverart und Präzipitat vor der Reduktion agglomeriert wird.
10. Pulvermischungen bzw. Verbundpulver, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Verwendung der Pulvermischungen bzw. Verbundpulver nach Anspruch 10 zur Herstellung von Hartmetallen, Cermets, Schwermetallen, metallgebundenen Diamantwerkzeugen und Verbundwerkstoffen mit speziellen elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften sowie zur Oberflächenbeschichtung.
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