EP1520056B1 - Hartmetall fuer insbesondere gestein-, beton- und asphaltschneiden - Google Patents
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- EP1520056B1 EP1520056B1 EP03763783A EP03763783A EP1520056B1 EP 1520056 B1 EP1520056 B1 EP 1520056B1 EP 03763783 A EP03763783 A EP 03763783A EP 03763783 A EP03763783 A EP 03763783A EP 1520056 B1 EP1520056 B1 EP 1520056B1
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- C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
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- B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
- B22F2005/001—Cutting tools, earth boring or grinding tool other than table ware
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Definitions
- the invention relates to a hard metal for tools for the mechanical processing of particular rock, concrete and asphalt and a tool equipped with such a carbide.
- tungsten carbide-cobalt hard metals For rock, concrete and asphalt cutting, coarse-grained tungsten carbide-cobalt hard metals (WC-Co hard metals) with a mean WC grain size of approx. 2 to 10 ⁇ m are used in practice.
- the WC medium grain size in hard metals can be determined, for example, by the line cutting method.
- WC hard metals mentioned here can have any desired combinations and ratios of tungsten and carbon (carbide).
- the entirety of these combinations of tungsten carbide is abbreviated to WC in the following description as well as in the claims.
- the coercitive field strength values of the hard metal indicate how thick the co-intermediate layers are.
- the coercive force values of the coarse-grained hard metals are in a range up to 17.0 kA / m.
- the carbon content of hard metals should be approximately in the middle of the two-phase field (without free carbon and ⁇ -phase) ( H. Suzuki, H. Kubota, "Plansee Reports Powder Metallurgy", 1966, Vol. 14, 2, pp. 96-109 ).
- the best values of bending strength in combination with high hardness should be achievable.
- the concentration of tungsten in the co-binder of the WC-Co hard metal depends on the carbon content. Thus, the tungsten concentration at low carbon content is much higher.
- the W concentration or the carbon content in a WC-Co hard metal with a certain Co content can be defined by the value of the magnetic saturation.
- the magnetic saturation of a hard metal is defined both as a magnetic moment per unit of weight ⁇ (magnetic moment / unit wt.) And as an inductance of saturation per unit weight 4 ⁇ (in English "saturation induction / unit wt.") (B. Roebuck. "Magnetic Moment (Saturation) Measurements on Hardmetals", Int. J. Refr. Met. Hard Mater., 14 (1996) 419).
- the magnetic moment must be multiplied by 4 ⁇ to obtain the inductance of saturation, so that the magnetic moment ⁇ of pure Co is 16.1 ⁇ Tm 3 / kg and the inductance of the saturation 4 ⁇ of pure Co is 201, 9 ⁇ Tm 3 / kg ,
- the EP 1 205 569 A2 and EP 1 043 415 A2 refer to carbides for metal cutting with low carbon content or low values of magnetic saturation. Both publications describe hard metals containing more than 1% by weight of cubic carbides (TaC, TiC and NbC). The use and said minimum amount of these cubic carbides is imperative for the application of hard metals for metal cutting tools.
- cemented carbides for tools for the construction or mining industry must not contain such appreciable constituents of Ta, Ti or Nb, since their cubic carbides have a negative effect on the fracture toughness of the WC-Co hard metals.
- the hard metals commonly used in mining are, without exception, tungsten carbide-cobalt alloys (H. Kolaska, "Pulvermetallurgie der Hartmetalle", Hagen, 1992, p.15 / 3).
- the DE 198 10 533 A1 describes hard metals for milling titanium and titanium alloys with a Co-containing binder having relatively low levels of magnetic saturation. Here, however, there is no significant reinforcement of the binder.
- the invention has for its object to provide a hard metal or carbide-tipped tool with improved properties and performance.
- the WC medium grain size is preferably to be selected from a range of 0.2 ⁇ m to 20 ⁇ m, more preferably from a range of 2 ⁇ m to 20 ⁇ m, and particularly preferably from a range of 4 to 20 ⁇ m.
- the condition of the binder plays a crucial role in the performance of coarse-grained hard metals.
- the general view is that the WC or W concentration in the binder can not be higher than 20% by weight (about 9 atomic%) ( J. Willbrand, U. Wieland, "Techn.Mitt.Krupp.Forsch.-Ber.”, 1975, Vol. 33, 1, pp. 41-44 ), can be significantly strengthened in the carbide according to the invention by a high concentration of tungsten of 10 to 30 atomic% in the binder, the Co.
- the largest value of the lattice constant of Co in WC-Co hard metals described in the literature is normally not higher than 0.357 nm (about 1% higher than the value of pure Co) ( H. Suzuki, H. Kubota, "Planseeberichte Pulvermetallurgie", 1966, Vol. 14, 2, pp. 96-109 ).
- the lattice constant of the cobalt in the binder is greater than that of pure cobalt (0.3545 nm) by the higher concentration of tungsten over 1 to 5%.
- the hard metal according to the invention can be further enhanced by nano-particles (particles finer than 100 nm) of tungsten and cobalt and / or carbon being embedded in the binder in the co-matrix.
- nano-particles particles finer than 100 nm
- the wear resistance and bending strength of the cemented carbide are substantially increased compared to conventional hard metals.
- the bending strength of such hard metals is up to 30% higher than the conventional hard metals with similar WC grain size and the same Co content.
- a cemented carbide according to the invention having at least 5% by volume of nanoparticles in the binder may preferably comprise up to 40% by weight of carbides, nitrides and / or carbonitrides of Ta, Nb, Ti, V, Cr, Mo, B, Zr and / or Hf included.
- the nano-particles preferably furthermore contain Ni, Fe, Ta, Nb, Ti, V, Cr, Mo, Zr and / or Hf.
- the nano-particles coherent with the cobalt matrix ensure stabilization of the binder and thus of those already described Improvements in the carbide properties and a tool provided with it.
- the nano-particles have a hexagonal or cubic lattice structure, wherein the nano-particles are composed of one or more of the phases Co x W y C z with values X from 1 to 7, y is from 1 to 10, and Z from 0 to 4
- the nano-particles may consist of a phase Co 2 W 4 C. It is also possible that the nano-particles consist of one or more intermetallic phases of tungsten and cobalt and thus contribute to a further improvement of the binder in the sense of the above object.
- Reinforcing the binder can also have an effect if it has fcc-Co and / or hcp-Co in the form of a solid solution of W and / or C in Co.
- the lattice constants of this solid solution are on the order of 1 to 5% greater than those of pure Co.
- the binder may further contain up to 30% by weight of iron.
- the hard metals according to the invention with a low carbon content or high concentration of W in the binder are also proportionally or all round toilet grains, which has a very positive effect on the life.
- Round WC grains here are not only circular shapes, but even mostly irregular grain shapes with rounded corners, without sharp faceting.
- fractions of up to 1.5% by weight each of Cr, No, V, Zr and / or Hf in the form of carbides and / or solid solutions in the binder lead to an improvement in the service life.
- the high-W content carbides according to the invention in the binder can bring about a marked improvement in performance with the incorporation of coated diamond grains even in the group of the ultra-hard carbide materials and can be used successfully, since the combination of the high tungsten concentration in the binder at low magnetic saturation, a dissolution process of the coating Diamond grains significantly suppressed.
- the hard metal 3 vol .-% to 60 vol .-% diamond grains having a coating of carbides, carbonitrides and / or nitrides of Ti, Ta, Nb, W, Co, Mo, V, Zr , Hf and / or Si.
- a WC-Co cemented carbide was prepared with 6.5% by weight Co and low carbon content.
- the coercitive field strength of this hard metal is 7.0 kA / m
- the bending strength is 2400 MPa
- TEM Transmission Electron Microscopy
- Sample measured with EDX energy-dispersive X-ray microanalysis
- the Co lattice constant was determined by TEM and X-ray studies.
- the W concentration in the binder of the sample is 18 to 19 at.%
- the binder contains nano-particles, which are shown in FIG.
- the electron diffraction of the binder shows reflections of the tungsten-containing cubic cobalt matrix with fcc structure and the lattice constant of 0.366 nm as well as reflections of the intervening nano-particles, which are about 3 to 10 nm in size ( Figure 3).
- the largest measurable D hkl value of the nanoparticles is 0.215 nm.
- Mud-intensive asphalt was milled on average 20 cm above the concrete surface, with an average of 10 meters of feed per minute.
- the milling cutter was half equipped with the chisels of the new carbide and the other half with those of conventional carbide. Results of the 1st field test: hard metal Chisel wear that made a turn, in mm Proportion of chisels that did not rotate (possible breaks) and wear, in mm Conventional 6.9 30% 8.6 New 3.4 6% 3.8
- Fig. 4 shows the worn bits after the field test in comparison.
- a WC-Co cemented carbide of 9.5% by weight Co and low carbon content was produced.
- the coercive field strength is 6.1 kA / m
- hardness HV30 990
- flexural strength 2720 MPa.
- the carbide contains round WC grains, co-binders and no ⁇ phase.
- the TEM investigations of the new cemented carbide show that the W concentration in the binder is 19 to 21 atomic% and the binder contains nano-particles.
- the lattice constant of fcc-Co in the binder is 0.368 nm.
- Chisels with cutting elements made of the two hard metals were produced and tested in the laboratory for cutting abrasive concrete and granite.
- the chisels were also tested in a coal mine when cutting high sandstone coal / sandstone. With the chisels with cutting elements made of the new carbide cutting performance of 700 m concrete could be achieved to wear of 1 mm, while in the chisels with conventional carbide with the same wear, the cutting performance was only 100 m.
- the lifetime of the chisel in the granite cutting with the new carbide was about 2.5 times larger than that of the conventional hard metal chisel.
- a WC-Co cemented carbide was prepared with 6.5% wt.% Co and low carbon content.
- the coercitive field strength of this hard metal is 31.2 kA / m
- the flexural strength is 2900 MPa
- the fracture toughness K 1c 12.4 MPam 1/2 .
- the W concentration in the binder of the sample is 17 to 18 at.%
- the binder contains nano-particles embedded in fcc-Co.
- the concentration of nano-particles in the binder was determined by the line-cut method.
- the concentration of nano-particles is 7.0 ⁇ 0.5 vol.%.
- the Dhkl value of the ordered phases is up to 0.215 nm ⁇ 0.007 nm.
- the coarse-grained hard metals according to the invention have an improved combination of flexural strength, fracture toughness and wear resistance.
- Tools with these hard metals have a very high performance in the field of rock and asphalt cutting and have a significantly extended service life as wearing parts.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Hartmetall für Werkzeuge zum mechanischen Bearbeiten von insbesondere Gestein, Beton und Asphalt sowie auf ein mit einem solchen Hartmetall ausgestattetes Werkzeug.
- Für das Gestein-, Beton- und Asphaltschneiden werden in der Praxis grobkörnige Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetalle (WC-Co-Hartmetalle) mit mittlerer WC-Korngröße von ca. 2 bis 10 µm verwendet. Die WC-Mittelkorngröße in Hartmetallen kann beispielsweise durch das Linienschnittverfahren bestimmt werden.
- Es versteht sich, dass die hier genannten WC-Hartmetalle beliebige Kombinationen und Verhältnisse von Wolfram und Kohlenstoff (Karbid) aufweisen können. Die Gesamtheit dieser Kombinationen von Wolframkarbid ist sowohl in der folgenden Beschreibung als auch in den Ansprüchen mit WC abgekürzt.
- Im Hartmetall-Gefüge zwischen grobkörnigen WC-Körnern befinden sich relativ dikke Zwischenschichten des Co-Binders. Die Koerzitivfeldstärkewerte des Hartmetalls zeigen dabei an, wie dick die Co-Zwischenschichten sind. Normalerweise liegen die Koerzitivfeldstärkewerte der grobkörnigen Hartmetalle in einem Bereich bis17,0 kA/m.
- Nach dem allgemeinen Stand der Hartmetallforschung soll der Kohlenstoffgehalt von Hartmetallen etwa in der Mitte des zweiphasigen Feldes (ohne freien Kohlenstoff und η-Phase) liegen (H. Suzuki, H. Kubota,"Planseeberichte Pulvermetallurgie", 1966, Bd. 14, 2, S. 96-109). Hierbei sollen die besten Werte von Biegebruchfestigkeit in Kombination mit hoher Härte erreichbar sein.
- Die Konzentration des Wolframs im Co-Binder des WC-Co-Hartmetalls ist dabei vom Kohlenstoffgehalt abhängig. So ist die Wolfram-Konzentration bei niedrigem Kohlenstoffgehalt wesentlich höher. Die W-Konzentration bzw. der Kohlenstoffgehalt in einem WC-Co-Hartmetall mit einem bestimmten Co-Gehalt kann durch den Wert der magnetischen Sättigung definiert werden. Die magnetische Sättigung eines Hartmetalls wird sowohl als magnetisches Moment pro Gewichtseinheit σ (auf Englisch "magnetic moment/ unit wt.") als auch als Induktivität der Sättigung pro Gewichtseinheit 4πσ (auf Englisch "saturation induction/ unit wt.") definiert (B.Roebuck. "Magnetic Moment (Saturation) Measurements on Hardmetals", Int. J. Refr. Met. Hard Mater., 14(1996) 419). Das magnetische Moment muss mit 4π multipliziert werden, um die Induktivität der Sättigung zu erhalten, so dass das magnetische Moment σ von reinem Co 16,1 µTm3/kg und die Induktivität der Sättigung 4πσ von reinem Co 201, 9 µTm3/kg beträgt.
- Ein Hartmetall für Werkzeuge zum Schneiden von Gestein, Beton und Asphalt wird beispielsweise in der
US-PS 4,859,543 beschrieben. Dieses Patent beansprucht Hartmetalle mit einem Verhältnis zwischen Härte (Y, Rockwell A) und Co-Gehalt (X, Gew.-%) im Bereich von X= 4,2 - 12 und Y = 91 - 0.62 X. - Die
EP 1 205 569 A2 undEP 1 043 415 A2 betreffen Hartmetalle für die Metallzerspanung mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bzw. niedrigen Werten der magnetischen Sättigung. Beide Offenlegungsschriften beschreiben jeweils Hartmetalle, die über 1 Gew.-% kubische Karbide (TaC, TiC und NbC) enthalten. Der Einsatz und die genannte Mindestmenge dieser kubischen Karbide ist für die Anwendung der Hartmetalle für Metallschneidwerkzeuge zwingend notwendig. - Hartmetalle für Werkzeuge für die Bau- oder Bergbauindustrie dürfen jedoch keine derart nennenswerten Bestandteile von Ta, Ti oder Nb enthalten, da deren kubische Karbide einen negativen Effekt auf die Bruchzähigkeit der WC-Co-Hartmetalle haben. Die im Bergbau gebräuchlichen Hartmetalle sind ausnahmslos Wolframkarbid-Kobalt-Legierungen (H. Kolaska, "Pulvermetallurgie der Hartmetalle", Hagen, 1992, S.15/3).
- Die
DE 198 10 533 A1 beschreibt Hartmetalle zum Fräsen von Titan und Titanlegierungen mit einem Co-haltigen Binder mit relativ niedrigen Werten der magnetischen Sättigung. Hier liegt allerdings keine signifikante Verstärkung des Binders vor. - Ein Artikel von K.H. Cho, I.S. Chung, J.W. Lee, "The Influence of Carbon Content on the Properties of Binder and Carbide Phase of Cemented Carbide", Interceram, Vol. 48, No. 1, 1999, Seiten 30 bis 35 zeigt in Fig. 4, daß eine Erhöhung der Wolfram.Konzentration im Co des Binders eine Verringerung der spezifischen magnetischen Sättigung bewirkt. Weitere Funktionalitäten der spezifischen magnetischen Sättigung sind jedoch nicht angegeben.
- In einem Artikel von L. BARTHA L et al. "Investigation of Hip-Sintering of Nanocrystalline WC/Co Powder", Proceedings of the International Congress on High Speed Photograhy, Vol. 32, No. 3, Juli/2000, Seiten 23 bis 26 wird der Einfluß der Sintertemperatur auf die relative Dichte eines gesinterten Hartmetalls beschrieben. Weitere Einflußfaktoren werden dabei nicht genannt.
- Schließlich beschreibt die
US-Patentschrift 5,723,177 Hartmetalle, die 3 bis 60 Vol.% Diamantkörner mit einer Beschichtung aus Karbiden, Nitriden und/oder Karbonitriden der chemischen Elemente der Gruppen IV, V und VI des Periodensystems enthalten. Durch diese Beschichtung wird das direkte Auflösen der Diamantkörner im flüssigen Binder während des Sinterns vermieden. Allerdings wird die Beschichtung selbst relativ schnell im flüssigen Binder gelöst. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hartmetall bzw. ein hartmetallbestücktes Werkzeug mit verbesserten Eigenschaften und Leistungen zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Hartmetall mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Werkzeug nach Anspruch 25 gelöst.
- Durch die Absenkung der magnetischen Sättigung in den in Anspruch 1 angegebenen Bereich wird bei gatungsgemäßen, insbesondere grobkörnigen Hartmetallen entgegen herkömmlichem Forschungsstand eine Erhöhung der Biegebruchfestigkeit erreicht. Trotz des niedrigen Kohlenstoffgehaltes bilden sich dabei keine Makrobereiche von η-Phasen aus. Die Leistungsverbesserung wirkt sich insbesondere bei Hartmetallen mit Koerzitivfeldstärkewerten von bis zu 9,5 kA/m, besser noch bis 8 kA/m, vorzugsweise aber im Bereich von 1,6 - 6,4 kA/m aus. Dabei ist die WC-Mittelkorngröße vorzugsweise aus einem Bereich von 0,2 µm bis 20 µm, besser aus einem Bereich von 2 µm bis 20 µm, und besonders bevorzugt aus einem Bereich von 4 bis 20 µm zu wählen.
- Es ist bekannt, daß der Zustand des Binders eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit grobkörniger Hartmetalle spielt. Obschon in der derzeitigen Forschung der allgemeine Standpunkt vertreten wird, daß die WC- bzw. W-Konzentration im Binder nicht höher als 20 Gew.-% (ca. 9 Atom-%) sein kann (J. Willbrand, U. Wieland, "Techn.Mitt.Krupp.Forsch.-Ber.", 1975, Bd. 33, 1, S. 41 - 44), läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Hartmetall durch eine hohe Konzentration des Wolframs von 10 bis 30 Atom-% im Binder das Co wesentlich verstärken. Der in der Literatur beschriebene größte Wert der Gitterkonstante von Co in WC-Co-Hartmetallen ist normalerweise nicht höher als 0,357 nm (ca. 1% höher als der Wert von reinem Co) (H.Suzuki, H. Kubota, "Planseeberichte Pulvermetallurgie", 1966, Bd. 14, 2, S. 96 - 109). Bei dem erfindungsgemäßen Hartmetall ist die Gitterkonstante des Kobalts im Binder durch die höhere Konzentration des Wolframs jedoch über 1 bis 5% größer als die von reinem Kobalt (0,3545 nm).
- Das erfindungsgemäße Hartmetall läßt sich noch weiter verstärken, indem in dem Binder Nano-Partikel (Partikel feiner als 100 nm) aus Wolfram und Kobalt und/oder Kohlenstoff in der Co-Matrix eingebettet sind. Dadurch sind im Vergleich zu herkömmlichen Hartmetallen die Verschleißfestigkeit und Biegebruchfestigkeit des Hartmetalls wesentlich erhöht. Die Biegebruchfestigkeit derartiger Hartmetalle ist bis zu 30% höher als die konventioneller Hartmetalle mit ähnlicher WC-Korngröße und gleichem Co-Gehalt.
- Erreicht die Einlagerung von Nano-Partikeln im Binder in Hartmetallen mit einer magnetischen Sättigung in dem in Anspruch 1 angegebenen Bereich eine Größenordnung von mindestens 5 Vol.-% des Binders, so sind völlig unerwartet viele mechanische Eigenschaften wie Härte, Bruchzähigkeit, Bruchfestigkeit signifikant höher als die von konventionellen Hartmetallen und zwar wider Erwarten unabhängig von den Koerzitivfeldstärkewerten. Das gilt sowohl für grobkörnige als auch für feinkörnige Hartmetalle und sogar für solche zum Schneiden von Metallen.
- Ein mindestens 5 Vol.-% Nano-Partikel im Binder aufweisendes erfindungsgemäßes Hartmetall kann bevorzugt bis zu 40 Gew.-% Karbide, Nitride und/oder Karbonitride von Ta, Nb, Ti, V, Cr, Mo, B, Zr und/oder Hf enthalten.
Vorzugsweise enthalten die Nano-Partikel dabei weiterhin Ni, Fe, Ta, Nb, Ti, V, Cr, Mo, Zr und/oder Hf. Die mit der Kobaltmatrix kohärenten Nano-Partikel sorgen für eine Stabilisierung des Binders und somit für die bereits beschriebenen Verbesserungen der Hartmetalleigenschaften sowie eines damit versehenen Werkzeugs. - Vorteilhafterweise weisen die Nano-Partikel eine hexagonale oder kubische Gitterstruktur auf, wobei die Nano-Partikel aus einer oder mehrerer der Phasen CoXWYCz bestehen mit Werten X von 1 bis 7, Y von 1 bis 10 und Z von 0 bis 4. Insbesondere können die Nano-Partikel aus einer Phase Co2W4C bestehen. Auch ist es möglich, daß die Nano-Partikel aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen von Wolfram und Kobalt bestehen und so zu einer weiteren Verbesserung des Binders im Sinne der obengenannten Aufgabe beitragen.
- Den Binder verstärkend kann sich auch auswirken, wenn dieser fcc-Co und/oder hcp-Co in Form einer festen Lösung von W und/oder C in Co aufweist. Die Gitterkonstanten dieser festen Lösung sind dabei größenordnungsmäßig 1 bis 5 % größer als die von reinem Co.
- Auch kann der Binder weiterhin bis zu 30 Gew.-% Eisen enthalten.
- Die erfindungsgemäßen Hartmetalle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt bzw. hoher Konzentration von W im Binder erhalten außerdem anteilig oder sämtlich runde WC-Körner, was eine sehr positive Wirkung auf die Standzeit hat. Unter runden WC-Körnern sind dabei nicht nur kreisrunde Formen, sondern sogar meist unregelmäßige Kornformen mit gerundeten Ecken, ohne scharfe Facettierungen zu verstehen.
- Ebenso führen Anteile von jeweils bis zu 1,5 Gew.-% Cr, No, V, Zr und/oder Hf in Form von Karbiden und/oder festen Lösungen im Binder zu einer Verbesserung der Standzeit.
- Die erfindungsgemäßen Hartmetalle mit hohem W-Gehalt im Binder können unter Einbindung beschichteter Diamantkörner sogar in der Gruppe der ultraharten Hartmetall-Materialen eine deutliche Leistungsverbesserung bewirken und erfolgreich verwendet werden, da die Kombination der hohen Wolframkonzentration im Binder bei niedriger magnetischer Sättigung einen Auflösungsprozeß der Beschichtung der Diamantkörner wesentlich unterdrückt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Hartmetall 3 Vol.-% bis 60 Vol.-% Diamant-Körner mit einer Beschichtung aus Karbiden, Karbonitriden und/oder Nitriden von Ti, Ta, Nb, W, Co, Mo, V, Zr, Hf und/oder Si auf.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten sind anhand der nachfolgend ausgeführten Beispiele 1 bis 4 und Abbildungen 1 bis 4 näher erläutert:
- Abbildung 1 zeigt die Grenzwerte der magnetischen Sättigung für den in Anspruch 1 definierten Bereich.
- Es wurde ein WC-Co-Hartmetall mit 6,5% Gew.-% Co und niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke dieses Hartmetalls beträgt 7,0 kA/m, die magnetische Sättigung ist σ"= 0,8 µTm3/kg bzw. 4πσ=10,0 µTm3/kg, die Härte beträgt HV30 = 1100, die Biegebruchfestigkeit beträgt 2400 MPa. Im Makrobereich (am Lichtmikroskop) ist erkennbar, daß das Hartmetall runde WC-Körner, Co-Binder und keine η-Phase enthält. Zur Untersuchung durch TEM (Transmissionselektronenmikroskopie) wurde eine foliendünne Probe hergestellt. Die W-Konzentration im Binder wurde an der Probe mit EDX (energy-dispersive X-ray microanalysis) gemessen. Die Co-Gitterkonstante wurde durch TEM und Röntgenuntersuchungen bestimmt.
- Die W-Konzentration im Binder der Probe beträgt 18 bis 19 Atom-% und der Binder enthält Nano-Partikel, die in Abb. 2 dargestellt sind. Die Elektronenbeugungen des Binders zeigen Reflexe der wolframhaltigen kubischen Kobaltmatrix mit fcc-Struktur und der Gitterkonstante von 0,366 nm sowie Reflexe der dazwischen liegenden Nano-Partikel, die ca. 3 bis 10 nm groß sind (Abb. 3). Der größte messbare Dhkl-Wert der Nano-Partikel (Elektronenbeugungsaufnahme mit Zonenachsenorientierung der Kobaltmatrix entlang [111]) ist 0,215 nm.
- Als Referenz wurde ein konventionelles Hartmetall mit 6,5% Co und normalem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke des Referenzhartmetalls beträgt 6,4 kA/m, die magnetische Sättigung ist σ = 0,95 µTm3/kg bzw. 4πσ = 11,9 µTm3/kg, Härte HV30 = 1140 und Biegebruchfestigkeit = 1950 MPa. Es wurden Straßenmeißel mit Schneidelementen aus beiden Hartmetallen hergestellt und an Straßenfräsen getestet.
- Gefräst wurde verschleißintensiver Asphalt, im Mittel 20 cm über Betondecke, mit im Mittel 10 Metern Vorschub pro Minute. Die Fräse wurde zur Hälfte mit den Meißeln des neuen Hartmetalls und zur anderen Hälfte mit denen des konventionellen Hartmetalls bestückt.
Ergebnisse des 1. Feldtests: Hartmetall Verschleiß der Meißel, die eine Drehung ausführten, in mm Anteil der Meißel, die keine Drehung vollführten (eventuelle Brüche) und Verschleiß, in mm Konventionell 6,9 30% 8,6 Neu 3,4 6% 3,8 - Die Ergebnisse des 1. Feldtests zeigen, daß die Verbesserung der Verschleißfestigkeit des neuen Hartmetalls ca. 50% beträgt. Von den Meißeln, die keine Drehung vollführten, ist der Anteil an Meißeln mit dem neuen Hartmetall wesentlich niedriger als bei dem konventionellen Hartmetall. Hieraus ergibt sich, daß es bei dem neuen Hartmetall signifikant weniger Brüche und/oder zerstörerischen Verschleiß während des Schneidens gibt.
- Abb. 4 zeigt die verschlissenen Meißel nach dem Feldtest im Vergleich.
- Straßenmeißel mit Schneidelementen aus dem Hartmetall aus Beispiel 1 wurden beim Fräsen von im Mittel 30 cm dickem Zement mit im Mittel 8 Metern Vorschub pro Minute untersucht.
Ergebnisse des 2. Feldtests: Hartmetall Verschleiß, in mm Anteil der gebrochenen Meißel konventionell 9,7 13,6% neue 2,8 2,4% - Die Ergebnisse des 2. Feldtests zeigen, daß die Verschleißfestigkeit des neuen Hartmetalls ca. 3 mal höher ist als die des konventionellen. Die Bruchzähigkeit des neuen Hartmetalls ist auch signifikant besser als die des konventionellen. Nach dem 2. Feldtest wurde festgestellt, dass sowohl die Schneidelemente aus dem neuen als auch diejenigen aus konventionellem Hartmetall thermische Risse (sogenannte "snake skin") aufwiesen. Die Risse in den Schneidelementen aus dem neuen Hartmetalls waren aber ungleich schmaler und kürzer als die im konventionellen Hartmetall.
- Es wurde ein WC-Co-Hartmetall mit 9,5% Gew.-% Co und niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke beträgt 6,1 kA/m, die magnetische Sättigung ist σ = 1,18 µTm3 /kg bzw. 4πσ =14,8 µTm3/kg, Härte HV30 = 990, Biegebruchfestigkeit = 2720 MPa. Im Makrobereich enthält das Hartmetall runde WC-Körner, Co-Binder und keine η-Phase.
- Als Referenz wurde ein konventionelles Hartmetall mit 9,5% Co und normalem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke beträgt 4,3 kA/m, magnetische Sättigung σ = 1,42 µTm3/kg bzw. 4πσ = 17,8 µTm3/kg, Härte HV30 = 1020, Biegebruchfestigkeit = 2010 MPa.
- Die TEM-Untersuchungen des neuen Hartmetalls zeigen, daß die W-Konzentration im Binder 19 bis 21 Atom-% betragen und der Binder Nano-Partikel enthält. Die Gitterkonstante von fcc-Co im Binder beträgt 0,368 nm.
- Es wurden Meißel mit Schneidelementen aus den beiden Hartmetallen hergestellt und im Labor beim Schneiden von abrasivem Beton sowie Granit getestet. Die Meißel wurden auch in einer Kohlemine beim Schneiden von Kohle/Sandstein mit hohem Sandsteingehalt getestet. Mit den Meißeln mit Schneidelementen aus dem neuen Hartmetall konnten Schneidleistungen von 700 m Beton bis zum Verschleiß von 1 mm erreicht werden, während bei den Meißeln mit konventionellem Hartmetall bei gleichem Verschleiß die Schneidleistung nur 100 m betrug. Die Standzeit der Meißel beim Granitschneiden mit dem neuen Hartmetall war ca. 2,5 mal größer als die der Meißel mit konventionellem Hartmetall.
- Beim 3. Feldtest wurden zwei Schneidköpfe mit den Schneidelementen der beiden Hartmetalle bestückt. Die beiden Schneidköpfe mit den Meißeln mit dem neuen Hartmetall erreichten eine Schneidleistung von 3000 m3 Kohle/Sandstein. Sie übertrafen damit die Schneidleistung der Schneidköpfe der Meißel mit konventionellem Hartmetall um etwa das Doppelte. Der Feldtest zeigte auch, daß sich in dem neuen Hartmetall signifikant weniger thermische Risse gebildet hatten als in dem konventionellen Hartmetall.
- Es wurde ein WC-Co-Hartmetall mit 6,5% Gew.% Co und niedrigem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke dieses Hartmetalls beträgt 31,2 kA/m, die magnetische Sättigung ist σ = 0,75 µTm3/kg bzw. 4πσ = 9,4 µTm3/kg, die Härte beträgt HV30 = 2020, die Biegebruchfestigkeit beträgt 2900 MPa und die Bruchzähigkeit K1c= 12,4 MPam1/2. Die W-Konzentration im Binder der Probe beträgt 17 bis 18 Atom-% und der Binder enthält Nano-Partikel, die in fcc-Co eingebettet sind. Die Konzentration der Nano-Partikel im Binder wurde durch das Linienschnittverfahren bestimmt. Die Konzentration der Nano-Partikel beträgt 7,0 ± 0,5 Vol.-%. Als Referenz wurde ein konventionelles Hartmetall ohne Nano-Partikel mit 6,5% Co und normalem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Die Koerzitivfeldstärke des Referenzhartmetalls beträgt 31,0 kA/m, magnetische Sättigung σ = 0,97 µTm3/kg bzw. 4πσ = 12,2 µTm3/kg, Härte HV30 = 1810, Biegebruchfestigkeit = 1900 Mpa, Bruchzähigkeit K1c= 9,3 MPam 1/2. Somit besitzt auch in diesem Fall das neue Hartmetall erkennbar eine bessere Kombination aus Härte, Biegebruchfestigkeit und Bruchzähigkeit.
- Erfindungsgemäß werden insoweit nach den durchgeführten Untersuchungen Hartmetalle bevorzugt, deren Dhkl-Wert der geordneten Phasen bis zu 0,215 nm ± 0,007 nm beträgt.
- Durch den oben beschriebenen Binder weisen die erfindungsgemäßen Hartmetalle mit grobkörnigem Gefüge eine verbesserte Kombination von Biegebruchfestigkeit, Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Werkzeuge mit diesen Hartmetallen besitzen eine sehr hohe Leistung im Bereich des Gestein- und Asphaltschneidens und haben als Verschleißteile eine erheblich verlängerte Standzeit.
Claims (25)
- Hartmetall aus WC für Werkzeuge zum mechanischen Bearbeiten von insbesondere Gestein, Beton und Asphalt, mit 5 bis 25 Gew.-% Binder auf der Basis von Co oder Co und Ni, wobei die Koerzitivfeldstärke des Hartmetalls maximal 9,5 kA/m beträgt, der Binder bis zu 30 Gew.% Fe enthält und das Hartmetall eine magnetische Sättigung (σ oder 4πσ, jeweils in Einheiten von Mikrotesla mal Kubikmeter pro Kilogramm) in Abhängigkeit des Co-Anteils (X) in Gew.-% des Hartmetalls in einem Bereich von
oder
aufweist. - Hartmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Koerzitivfeldstärke maximal 8,0 kA/m beträgt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Koerzitivfeldstärke maximal 7,2 kA/m beträgt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß seine Koerzitivfeldstärke in einem Bereich von 1,6 kA/m bis 6,4 kA/m liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder Nano-Partikel enthält, die feiner als 100 nm sind und aus einer oder mehrerer der geordneten Phasen CoxWyCz mit x = 1 bis 7, y = 1 bis 10 und z = 0 bis 4 bestehen.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine WC-Mittelkorngröße in einem Bereich von 0,2 µm bis 20 µm liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß seine WC-Mittelkorngröße in einem Bereich von 2 µm bis 20 µm liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß seine WC-Mittelkorngröße in einem Bereich von 4 µm bis 20 µm liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es bis zu insgesamt 0,4 Gew.-% Ta, Nb und/oder Ti in Form kubischer Karbide und/oder fester Lösung im Binder enthält.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es bis zu jeweils 1,5 Gew.% Cr, Mo, V, Zr und/oder Hf in Form von Karbiden und/oder festen Lösungen im Binder enthält.
- Hartmetall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder mindestens 5 Vol.-% Nano-Partikel enthält, die feiner als 100 nm sind und aus einer oder mehrerer der Phasen CoxWyCz mit x = 1 bis 7, y = 1 bis 10 und z = 0 bis 4 bestehen.
- Hartmetall nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es bis zu 40 Gew.- % Karbide, Nitride und/oder Karbonitride von Ta, Nb, Ti, V, Cr, Mo, B, Zr und/oder Hf enthält.
- Hartmetall nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano-Partikel Ni, Fe, Ta, Nb, Ti, V, Cr, Mo, Zr und/oder Hf enthalten.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano-Partikel mit der Kobaltmatrix kohärent sind.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der größte meßbare Dhkl-Wert der geordneten Phasen der Nano-Partikel 0,215 nm ± 0,007 nm beträgt.
- Hartmetall nach einem der Anspruche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der Nano-Partikel eine hexagonale Gitterstruktur haben.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teile der Nano-Partikel eine kubische Gitterstruktur haben.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano-Partikel aus einer Phase Co2W4C bestehen.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano-Partikel aus einer oder mehreren intermetallischen Phasen von W und Co bestehen.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die WC-Körner teilweise oder sämtlich rund sind.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die W-Konzentration im Binder in einem Bereich von 10 bis 30 Atom-% liegt.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß es 3 bis 60 Vol.-% Diamant- Körner mit einer Beschichtung aus Karbiden, Karbonitriden und/oder Nitriden von Ti, Ta, Nb, W, Cr, Mo, V, Zr, Hf und/oder Si enthält.
- Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder fcc-Co und/oder hcp-Co in Form einer festen Lösung von W und/oder C in Co aufweist.
- Hartmetall nach Anspruch 10 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der festen Lösung 1 % bis 5 % größer als die von reinem Co sind.
- Werkzeug zum mechanischen Bearbeiten von insbesondere Gestein, Beton und Aspalt, mit zumindest einem Schneidelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidelement aus einem Hartmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 24 besteht.
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