EP4127258A1 - Kobaltfreier wolframkarbid-basierter hartmetallwerkstoff - Google Patents

Kobaltfreier wolframkarbid-basierter hartmetallwerkstoff

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EP4127258A1
EP4127258A1 EP21711586.4A EP21711586A EP4127258A1 EP 4127258 A1 EP4127258 A1 EP 4127258A1 EP 21711586 A EP21711586 A EP 21711586A EP 4127258 A1 EP4127258 A1 EP 4127258A1
Authority
EP
European Patent Office
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hard metal
metal material
tungsten carbide
content
cobalt
Prior art date
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Pending
Application number
EP21711586.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph USELDINGER
Claudio BERTALAN
Leonel Pereira Coelho
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Ceratizit Luxembourg SARL
Original Assignee
Ceratizit Luxembourg SARL
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4127258A1 publication Critical patent/EP4127258A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor

Definitions

  • the present invention relates to a cobalt-free tungsten carbide-based hardening material.
  • Tungsten carbide-based hard metal materials are composite materials in which hard material particles formed at least predominantly by tungsten carbide form the predominant part of the composite material and spaces between the hard material particles are filled by a ductile metallic binder.
  • Such hard metal materials have been used for many years due to their advantageous material properties, such as in particular high hardness in connection with good fracture toughness in a wide variety of areas, such as metal cutting, in wear parts, in woodworking tools, in forming tools, etc.
  • the material requirements when using such hard metal materials in the various areas of application are very different.
  • a high hardness is primarily decisive, for other applications, for example, good fracture toughness Ki c .
  • a high level of corrosion resistance and high flexural strength can also be important.
  • the ductile metallic binder is formed by cobalt or a cobalt-based alloy.
  • a basic alloy of an element is understood to mean that this element forms the largest component of the alloy.
  • hard metal materials with binders based on iron-nickel are also discussed, which basically have good mechanical properties at room temperature and therefore have the potential to replace conventional hard metal materials with cobalt-based binders.
  • these hard metal materials with iron-nickel-based binders show clear disadvantages compared to conventional hard metal materials with cobalt-based binders
  • the object of the present invention is to provide an improved cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material which, in addition to high hardness, good fracture toughness Ki c and relatively high flexural strength BBF, also has good corrosion resistance and high heat resistance and is also reliable in one customary production plant for hard metal materials.
  • the object is achieved by a cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material according to claim 1.
  • Advantageous further developments are given in the dependent claims.
  • the cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material has: 70-97% by weight of hard material particles, which are at least predominantly formed by tungsten carbide, and 3-30% by weight of a metallic binder, which is an iron-nickel-based alloy, which is at least iron , Nickel and chromium.
  • the hard metal material has a ratio of Fe to (Ni + Fe) of 0.70 ⁇ Fe / (Fe + Ni) ⁇ 0.95 and a Cr content of
  • the hard metal material optionally has a Mo content in relation to (Fe + Ni + Cr) of 0% by weight ⁇ Mo / (Fe + Ni + Cr) ⁇ 10% by weight and optionally one
  • V content in relation to (Fe + Ni + Cr) of 0% by weight ⁇ V / (Fe + Ni + Cr) ⁇ 2% by weight; and unavoidable impurities up to a maximum of 1% by weight of the hard metal material.
  • the hard metal material would not have a satisfactory corrosion resistance and would have a pronounced plastic behavior at high temperatures, that is, a low creep resistance. To have a sufficient positive effect through the
  • the proportion of Cr / (Fe + Ni + Cr) of Cr to the total proportion of Fe, Ni and Cr is at least 0.5% by weight. It has been found that only such a minimum amount of Cr in the metallic binder leads to satisfactory corrosion resistance and sufficient improvement in creep resistance. However, the solubility of Cr in the metallic binder is limited. If Cr is added in excess of the solubility limit, Cr-containing precipitates occur in the form of mixed carbides, which have a very adverse effect on the mechanical properties of the hard metal material, in particular greatly reducing the flexural strength.
  • the solubility of Cr in the metallic binder is also dependent on the Fe content of the binder (or on the Fe / (Fe + Ni) ratio).
  • the higher the Fe content the lower the solubility of Cr in the metallic binder.
  • the carbon balance in the hard metal material in the powder metallurgical manufacturing process is also decisive.
  • the carbon balance in the hard metal work is also significantly reduced
  • Process atmosphere during manufacture influenced.
  • the process atmosphere cannot be set as precisely as desired, but in particular the carbon balance is subject to considerable tolerances.
  • the process window becomes the
  • the hard material particles are at least predominantly formed by tungsten carbide.
  • the hard material particles can preferably consist at least approximately only of tungsten carbide. However, small amounts of other hard material particles are also possible in addition to the tungsten carbide.
  • the hard metal material is preferably at least essentially free of silicon.
  • the silicon content is preferably ⁇ 0.08% by weight, more preferably ⁇ 0.05% by weight. Even more preferably, the hard metal material is completely free of silicon.
  • Fe / (Fe + Ni) ⁇ 0.90 applies.
  • high corrosion resistance can be achieved.
  • Ni ⁇ 0.90. In this case, good corrosion resistance and good creep resistance are achieved particularly reliably.
  • the content of the metallic binder is 5-25% by weight.
  • the hardness, the fracture toughness and the flexural strength can be set in a range that is advantageous for many different applications.
  • the Mo content Mo / (Fe + Ni + Cr) can preferably be> 0% by weight.
  • V content V / (Fe + Ni + Cr) ⁇ 1% by weight.
  • the metallic one formed by an iron-nickel base alloy Binder no pronounced grain growth of the tungsten carbide grains occurs during production, no significant vanadium contents are required. Furthermore, undesired embrittlement can be avoided by keeping the vanadium content as low as possible.
  • a good improvement in the corrosion resistance and creep resistance is achieved by a relatively high proportion of chromium dissolved in the iron-nickel base alloy.
  • Ratio Fe / (Fe + Ni) - the Cr content is chosen so that the following applies to the Cr content: Cr / (Fe + Ni + Cr) ⁇ 2.2% by weight, then the manufacturing process can be used for all iron contents can be carried out in a particularly reliable and stable manner with regard to tolerances.
  • the mean grain size of the tungsten carbide is 0.05-12 ⁇ m.
  • the properties of the cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material can be specifically adapted to the respective application by adjusting the grain size. Since in the iron-nickel base alloy of the metallic binder, in contrast to cobalt-based binder systems, there is no strong grain growth of the tungsten carbide grains, even very small mean grain sizes can be set by selecting the tungsten carbide starting powder accordingly.
  • the mean grain size of the tungsten carbide is preferably 0.1-6 ⁇ m.
  • the hard metal material has a specific composition, which is described in more detail below.
  • the hard metal material consists predominantly of 70-97% by weight of hard material particles, which are at least predominantly formed by tungsten carbide.
  • the hard material particles can consist of tungsten carbide.
  • the hard metal material also has 3-30% by weight of a metallic binder.
  • the proportion of the metallic binder can preferably be 5 to 25% by weight of the hard metal material.
  • the metallic binder is an iron-nickel base alloy, so it has iron and nickel as the main components. In addition to iron and nickel, the metallic binder has at least chromium.
  • the hard metal material is cobalt-free, i.e. does not show any cobalt or at most traces of cobalt as unavoidable impurities.
  • the hard metal material can optionally also contain up to 10% by weight of molybdenum in relation to the total content of iron, nickel and chromium, ie Mo / (Fe + Ni + Cr) ⁇ 10% by weight, up to a maximum of 2% by weight.
  • the iron-nickel base alloy of the metallic binder has a higher proportion of iron than nickel.
  • the iron content is 70-95% by weight of the total iron and nickel content (Fe + Ni).
  • the iron content is preferably a maximum of 90% by weight of the total iron and nickel content, particularly preferably 75-90% by weight of the total iron and nickel content.
  • the chromium content of the hard metal material is at least 0.5% by weight of the total content (Fe + Ni + Cr) of iron, nickel and chromium.
  • the chromium content can preferably be at least 1.5% by weight of the total iron, nickel and chromium content, more preferably at least 2.0% by weight.
  • phase diagrams of FIGS. 1 to 3 the problems that arise for the industrial production of cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material with a metallic binder formed by an iron-nickel-based alloy are explained in greater detail.
  • chromium is added.
  • the carbon content in% by weight is plotted on the horizontal axis.
  • Area 10 with a chromium content of Cr / (Fe + Ni + Cr) of 3.0% by weight is only very narrow.
  • the phase diagram in FIG. 3 at 1000 ° C. it only extends between carbon contents of approx. 5.565% by weight to approx. 5.605% by weight.
  • the risk of undesired mixed carbide or phase precipitations increases rapidly if the process atmosphere and thus the carbon balance cannot be kept within tight tolerances.
  • the cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material can - depending on the intended area of application - have a mean grain size of
  • Tungsten carbide from 0.05 to 12 pm, preferably from 0.1 to 6 pm.
  • the mean grain size of the tungsten carbide grains in the hard metal material can be determined using the "equivalent circle diameter (ECD)” method from EBSD (electron backscatter diffraction) recordings. This method is for example in “Development of a quantitative method for grain size measurement using EBSD”; Master of Science Thesis, Sweden 2012, described by Frederik Josefsson.
  • the cobalt-free tungsten carbide-based hard metal material according to the embodiment was produced by powder metallurgy using WC powder with a particle size (FSSS, Fisher sieve sizes) of 0.6 ⁇ m or
  • Chromium can be added in the powder metallurgical production of the hard metal material, for example as pure metal or in the form of Cr3C2 or Cr2N powder.
  • Mo can preferably be added in the form of Mo2C powder, but it is also possible, for example, to add it as pure metal or as, for example, (W, Mo) C mixed carbide.
  • Fe, Ni, Cr can be added individually or in pre-alloyed form.
  • Cobalt-free tungsten carbide-based hard metal materials and comparative examples according to the invention were produced by the method described above.
  • the hard metal materials produced in the examples and comparative examples were each examined with regard to the mean grain size. Furthermore, the Vickers hardness HV10, the fracture toughness Kic and the bending strength BBF were determined on the hard metal materials produced.
  • the Vickers hardness HV10 was determined in accordance with ISO 3878: 1991 (“Hardmetals - Vickers hardness test”).
  • the fracture toughness Kic in MPa m 1/2 was determined according to ISO 28079: 2009 with an indentation load of 10 kgf (corresponding to 98.0665 N).
  • the bending strength BBF was determined according to the ISO 3327: 2009 standard using a test object with a cylindrical cross-section (shape C).
  • the conventional cobalt-containing hard metal materials of the types N and O which also contain chromium and vanadium in addition to cobalt, also show both good and good corrosion resistance
  • Creep resistance Due to their smaller mean grain size and their lower proportion of metallic binder, these grades N and O show a higher hardness and higher flexural strength, but on the other hand also a significantly reduced fracture toughness compared to grade A.
  • the L grade of a cobalt-containing tungsten carbide-based hard metal material which also serves as a comparative example and which has neither chromium nor vanadium in addition to cobalt, has very high fracture toughness due to its higher content of metallic binder, but the corrosion resistance and creep resistance are both poor .
  • the comparative examples of types B, C, D and E are each cobalt-free tungsten carbide-based hard metal materials in which the metallic binder is an iron-nickel-based alloy that has no chromium.
  • the types B, C, D and E differ in the iron-nickel ratio of the metallic binder.
  • the total iron and nickel content (Fe + Ni) was adjusted in such a way that the resulting volume of the binder is essentially that of a conventional cobalt-containing binder Tungsten carbide-based hard metal material with 10% by weight cobalt binder.
  • a comparison of the example of the type M with the comparative example of the cobalt-containing type L shows that acceptable physical properties can be achieved compared to conventional cobalt-containing hard metal materials even with higher proportions of the metallic binder in the hard metal material.
  • Grain size of the tungsten carbide grains achieved an acceptable corrosion resistance and an acceptable creep resistance. Due to the smaller mean grain size and the lower proportion of the metallic binder, a higher hardness is achieved on the one hand and an increased flexural strength is achieved due to the smaller mean grain size, but on the other hand the fracture toughness Kic decreases as expected. Overall, however, the physical properties achieved are quite acceptable compared to conventional cobalt-containing tungsten carbide-based hard metal materials of the types N and O.

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Abstract

Es wird ein kobaltfreier Wolframkarbid-basierter Hartmetallwerkstoff bereitgestellt, mit 70-97 Gew.-% Hartstoffpartikeln, die zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildet sind, und 3-30 Gew.-% eines metallischen Binders, der eine Eisen-Nickel-Basislegierung ist, die zumindest Eisen, Nickel und Chrom aufweist, mit einem Verhältnis von Fe zu (Ni + Fe) von 0,70 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,95; einem Cr-Gehalt von 0,5 Gew.-% ≤ Cr/(Fe + Ni + Cr) und (i) für den Bereich 0,7 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,83: Cr/(Fe + Ni + Cr) ≤ (- 0,625 * (Fe/(Fe + Ni)) +3,2688) Gew.-%; (ii) für den Bereich 0,83 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,85: Cr/(Fe + Ni + Cr) ≤ (- 27,5 * (Fe/(Fe + Ni)) + 25,575) Gew.-% und (iii) für den Bereich 0,85 ≤ Fe/(Fe + Ni) ≤ 0,95: Cr/(Fe + Ni + Cr) ≤ 2,2 Gew.-%; mit optional einem Mo-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von 0 Gew.-% ≤ Mo/(Fe + Ni + Cr) ≤ 10 Gew.-%; mit optional einem V-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von 0 Gew.-% ≤ V/(Fe + Ni + Cr) ≤ 2 Gew.-%; und unvermeidlichen Verunreinigungen bis zu insgesamt maximal 1 Gew.-% des Hartmetallwerkstoffs.

Description

KOBALTFREIER WOLFRAMKARBID-BASIERTER HARTMETALLWERKSTOFF
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kobaltfreien Wolfram karbid-basierten H a rtm eta 11 we rkstoff .
Wolfram karbid-basierte Hartmetallwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, bei denen zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildete Hartstoffteilchen den überwiegenden Teil des Verbundwerkstoffs bilden und Zwischenräume zwischen den Hartstoffteilchen durch einen duktilen metallischen Binder gefüllt sind. Derartige Hartmetallwerkstoffe kommen seit vielen Jahren aufgrund ihrer vorteilhaften Materialeigenschaften, wie insbesondere hoher Härte in Verbindung mit guter Risszähigkeit in verschiedensten Bereichen, wie z.B. bei der Metallzerspanung, in Verschleißteilen, in Holzbearbeitungswerkzeugen, in Umformwerkzeugen, etc. zum Einsatz. Die Materialanforderungen bei der Anwendung solcher Hartmetallwerkstoffe in den verschiedenen Anwendungsbereichen sind dabei sehr unterschiedlich. Für manche Anwendungen ist hauptsächlich eine hohe Härte entscheidend, für andere Anwendungen z.B. eine gute Risszähigkeit Kic. Je nach Anwendung kann es neben einem guten Verhältnis von Härte zu Risszähigkeit Kic unter anderem auch auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Biegebruchfestigkeit ankommen.
Bei den meisten der derzeit kommerziell erhältlichen Wolfram karbid-basierten Ha rtm eta II Werkstoffen ist der duktile metallische Binder durch Kobalt oder eine Kobalt-Basislegierung gebildet. Unter einer Basislegierung eines Elementes ist dabei zu verstehen, dass dieses Element den größten Bestandteil der Legierung bildet. Gemäß der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 des Europäischen Parlaments und des Rates zur Änderung der Verordnung (EG)
Nr. 1908/2006, der sogenannten REACH-Verordnung, werden Co-haltige Gemische und Stoffe in die Kategorie 1 B hinsichtlich Kanzerogenität eingestuft, wenn deren Gehalt an Co > 0,1 % beträgt. Somit sind Co-haltige Hartmetallwerkstoffe sowie Hartmetallpulver und -granulate ebenfalls in die Krebskategorie 1 B der Stoffe einzuordnen, die wahrscheinlich beim Menschen karzinogen sind. Im Hinblick darauf, dass immer wieder eine potentielle Gesundheitsgefährdung diskutiert wird, die von kobalthaltigen Materialien ausgehen soll, sowie darauf, dass die natürlichen Kobaltvorkommen häufig in Konfliktregionen zu finden sind, gibt es schon seit längerer Zeit Bestrebungen, alternative Bindersysteme zu entwickeln, die frei von Kobalt sind.
In diesem Zusammenhang werden auch Hartmetall Werkstoffe mit Binder auf Eisen-Nickel-Basis diskutiert, die grundsätzlich bei Raumtemperatur gute mechanische Eigenschaften besitzen und daher das Potential haben, herkömmliche Hartmetallwerkstoffe mit kobaltbasiertem Binder zu ersetzen. Als deutliche Nachteile gegenüber den herkömmlichen Hartmetallwerkstoffen mit kobaltbasiertem Binder zeigen diese Hartmetallwerkstoffe mit Binder auf Eisen- Nickel-Basis jedoch
- eine geringere Korrosionsbeständigkeit und - eine ausgeprägte plastische Deformation bei hohen Temperaturen
(geringe Kriechbeständigkeit).
Obwohl grundsätzlich versucht werden kann, diese Eigenschaften durch die Zugabe geringer Mengen weiterer Elemente oder Verbindungen zu verbessern, führen solche Zugaben auch zu zusätzlichen Problemen. Es kann insbesondere zu einer erheblichen Reduktion der Biegebruchfestigkeit aufgrund von Mischkarbid- und h-Phasen-Ausscheidungen und zu einer Verringerung der Prozessstabilität bei der Herstellung des Hartmetallwerkstoffs, insbesondere aufgrund einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in der Prozessatmosphäre bei der Herstellung, kommen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoff bereitzustellen, der neben einer hohen Härte, einer guten Risszähigkeit Kic und einer relativ hohen Biegebruchfestigkeit BBF auch eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Warmfestigkeit aufweist und sich ferner auch zuverlässig in einer üblichen Produktionsanlage für Hartmetall Werkstoffe hersteilen lässt. Die Aufgabe wird durch einen kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoff nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der kobaltfreie Wolframkarbid-basierte Hartmetall Werkstoff hat: 70-97 Gew.-% Hartstoffpartikel, die zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildet sind, und 3-30 Gew.-% eines metallischen Binders, der eine Eisen-Nickel- Basislegierung ist, die zumindest Eisen, Nickel und Chrom aufweist. Der Hartmetall Werkstoff hat ein Verhältnis von Fe zu (Ni + Fe) von 0,70 < Fe/(Fe + Ni) < 0,95 und einen Cr-Gehalt von
0,5 Gew.-% < Cr/(Fe + Ni + Cr) und
(i) für den Bereich 0,7 < Fe/(Fe + Ni) < 0,83:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < (- 0,625 * (Fe/(Fe + Ni)) +3,2688) Gew.-%
(ii) für den Bereich 0,83 < Fe/(Fe + Ni) < 0,85: Cr/(Fe + Ni + Cr) < (- 27,5 * (Fe/(Fe + Ni)) + 25,575) Gew.-%
(iii) für den Bereich 0,85 < Fe/(Fe + Ni) < 0,95:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < 2,2 Gew.-%.
Der Hartmetallwerkstoff hat optional einen Mo-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von 0 Gew.-% < Mo/(Fe + Ni + Cr) < 10 Gew.-% und optional einen
V-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von 0 Gew.-% < V/(Fe + Ni + Cr) < 2 Gew.-%; sowie unvermeidliche Verunreinigungen bis zu insgesamt maximal 1 Gew.-% des Hartmetallwerkstoffs.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden Gehalte und Verhältnisse von Elementen zueinander immer in Gewichtsverhältnissen bzw. Gewichtsprozent (Gew.-%) angegeben, solange nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Dabei werden die Verhältnisse dort, wo es sinnvoller ist - wie z.B. beim Anteil der Hartstoffpartikel und beim Anteil des metallischen
Binders - bezogen auf den Hartmetallwerkstoff angegeben, jedoch dort, wo es auf das Verhältnis zu speziellen anderen Bestandteilen ankommt (z.B. im Verhältnis zu den anderen Bestandteilen des metallischen Binders) bezogen auf diese anderen Bestandteile. Da das Verhältnis der beiden Hauptbestandteile des Binders Fe und Ni zueinander in dem Bereich 0,70 < Fe/(Fe + Ni) < 0,95 liegt, also der Binder deutlich mehr Fe als Ni enthält (70-95 Gew.-% bezogen auf den Gesamtgehalt von (Fe + Ni)), wird ein guter Kompromiss im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften Härte, Risszähigkeit und Biegebruchfestigkeit erreicht. Bei einem noch höheren Anteil an Fe würde der Hartmetall werkst off zu spröde werden.
Bei einem niedrigeren Anteil an Fe, d.h. einem höheren relativen Anteil an Ni, würden weder eine zufriedenstellende Härte noch eine zufriedenstellende Risszähigkeit erreicht.
Ohne die Zugabe von Cr besäße der Hartmetallwerkstoff jedoch keine zufriedenstellende Korrosionsbeständigkeit und hätte ein ausgeprägtes plastisches Verhalten bei hohen Temperaturen, also eine geringe Kriechbeständigkeit. Um einen ausreichenden positiven Effekt durch die
Zugabe von Cr zu erzielen, beträgt der Anteil Cr/(Fe + Ni + Cr) von Cr zu dem Gesamtanteil von Fe, Ni und Cr zumindest 0,5 Gew.-%. Es wurde festgestellt, dass nur eine solche Mindestmenge an Cr in dem metallischen Binder zu einer zufriedenstellenden Korrosionsbeständigkeit und zu einer ausreichenden Verbesserung der Kriechbeständigkeit führt. Die Löslichkeit von Cr in dem metallischen Binder ist jedoch beschränkt. Bei einer die Löslichkeitsgrenze überschreitenden Zugabe von Cr kommt es zu Cr-haltigen Ausscheidungen in Form von Mischkarbiden, die die mechanischen Eigenschaften des Hartmetall Werkstoffs sehr nachteilig beeinflussen, insbesondere die Biegebruchfestigkeit stark reduzieren.
Die Löslichkeit von Cr in dem metallischen Binder ist ferner von dem Fe-Anteil des Binders (bzw. von dem Verhältnis Fe/(Fe + Ni)) abhängig. Je höher der Fe- Anteil ist, desto geringer ist die Löslichkeit von Cr in dem metallischen Binder. Bei niedrigerem Fe-Anteil, also höherem Ni-Anteil in dem metallischen Binder, ist die Cr-Löslichkeit höher.
Für die zuverlässige Herstellung eines kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoffs, ohne dass sich die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussende Mischkarbid- oder r|-Phasen-Ausscheidungen bilden, ist ferner die Kohlenstoffbilanz in dem Hartmetallwerkstoff bei dem pulvermetallurgischen Herstellungsprozess entscheidend. Neben dem über die Ausgangspulver, wie z.B. WC-Pulver und Cr3C2-Pulver, vorgegebenen Anteile an Kohlenstoff wird die Kohlenstoffbilanz in dem Hartmetall werkst off auch wesentlich über die
Prozessatmosphäre bei der Herstellung beeinflusst. In den üblicherweise für die Herstellung von Hartmetall Werkstoffen verwendeten Sinteröfen kann die Prozessatmosphäre nicht beliebig genau eingestellt werden, sondern insbesondere auch die Kohlenstoffbilanz ist mit erheblichen Toleranzen behaftet. Mit zunehmendem Cr-Gehalt wird das Prozessfenster der
Kohlenstoffbilanz, innerhalb von dem sich weder Mischkarbid-Ausscheidungen noch Ausscheidungen von h-Phase bilden, immer kleiner.
Es wurde gefunden, dass es für eine prozessstabile Herstellbarkeit des kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoffs in üblichen industriellen Sinteröfen für die Produktion von Hartmetallwerkstoffen erforderlich ist, den Cr-Gehalt innerhalb einer sehr engen Bandbreite zu halten, wobei die Obergrenze des Cr-Gehalts stark vom Fe-Gehalt der Eisen-Nickel- Basislegierung des metallischen Binders abhängt. Bis zu einem Fe-Gehalt im Verhältnis zum (Fe + Ni)-Gesamtgehalt von etwa 83 Gew.-% können relativ große Mengen Cr bis nahe an die Löslichkeitsgrenze des Cr im metallischen Binder zugegeben werden, ohne die Toleranzanfälligkeit bei der Herstellung stark negativ zu beeinflussen. Ab einem Fe-Gehalt größer 83 Gew.-% bis 85 Gew.-% muss der maximale Cr-Gehalt jedoch stark reduziert werden, um eine stabile prozesssichere Herstellung zu ermöglichen. In dem Bereich oberhalb von Fe/(Fe + Ni) = 0,85 bleibt die Obergrenze der sinnvoll möglichen Cr-Zugabe hingegen wieder im Wesentlichen konstant. Die Obergrenze des Cr- Gehalts lässt sich dabei wie folgt ausdrücken: für den Bereich 0,7 < Fe/(Fe + Ni) < 0,83: Cr/(Fe + Ni + Cr) < (- 0,625 * (Fe/(Fe + Ni)) +3,2688) Gew.-% für den Bereich 0,83 < Fe/(Fe + Ni) < 0,85:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < (- 27,5 * (Fe/(Fe + Ni)) + 25,575) Gew.-% und für den Bereich 0,85 < Fe/(Fe + Ni) < 0,95: Cr/(Fe + Ni + Cr) < 2,2 Gew.-%. Es wurde gefunden, dass ein Mo-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von 0 Gew.-% < Mo/(Fe + Ni + Cr) < 10 Gew.-% die Eigenschaften des Hartmetall Werkstoffs nicht nachteilig beeinflusst. Ferner wurden auch keine starken nachteiligen Effekte bei einer Zugabe von V von bis zu V/(Fe + Ni + Cr) < 2 Gew.-% beobachtet.
Die Hartstoffpartikel sind zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildet. Bevorzugt können die Hartstoffpartikel dabei zumindest annähernd nur aus Wolframkarbid bestehen. Es sind jedoch auch neben dem Wolframkarbid geringe Mengen anderer Hartstoffpartikel möglich.
Der Hartmetall Werkstoff ist bevorzugt zumindest im Wesentlichen frei von Silizium. Insbesondere beträgt der Siliziumgehalt bevorzugt < 0,08 Gew.-%, mehr bevorzugt < 0,05 Gew.-%. Noch bevorzugter ist der Hartmetall Werkstoff vollkommen frei von Silizium.
Gemäß einer Weiterbildung gilt Fe/(Fe + Ni) < 0,90. In diesem Fall kann eine hohe Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Bevorzugt gilt 0,75 < Fe/(Fe +
Ni) < 0,90. In diesem Fall werden besonders zuverlässig eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine gute Kriechbeständigkeit erreicht.
Gemäß einer Weiterbildung beträgt der Gehalt des metallischen Binders 5 - 25 Gew.-%. Insbesondere in diesem Bereich können die Härte, die Risszähigkeit und die Biegebruchfestigkeit in einem für viele verschiedene Anwendungen vorteilhaften Bereich eingestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung gilt für den Mo-Gehalt: 0 Gew.-% < Mo/(Fe + Ni+
Cr) < 6 Gew.-%. In diesem Bereich ist besonders zuverlässig sichergestellt, dass der Mo-Gehalt die physikalischen Eigenschaften des Hartmetallwerkstoffs nicht nachteilig beeinflusst. Der Mo-Gehalt Mo/(Fe + Ni + Cr) kann bevorzugt > 0 Gew.-% sein.
Gemäß einer Weiterbildung gilt für den V-Gehalt: V/(Fe + Ni + Cr) < 1 Gew.-%. Da bei dem durch eine Eisen-Nickel-Basislegierung gebildeten metallischen Binder bei der Herstellung kein ausgeprägtes Kornwachstum der Wolframkarbidkörner auftritt, sind keine nennenswerten Vanadium-Gehalte erforderlich. Ferner kann eine unerwünschte Versprödung vermieden werden, indem der Vanadium-Gehalt möglichst gering gehalten wird.
Gemäß einer Weiterbildung gilt für den Cr-Gehalt: Cr/(Fe + Ni + Cr) > 1 ,5 Gew.-%. In diesem Fall wird durch einen relativ hohen Anteil von in der Eisen- Nickel-Basislegierung gelöstem Chrom eine gute Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Kriechbeständigkeit erreicht. Bevorzugt gilt für den Cr-Gehalt: Cr/(Fe + Ni + Cr) > 2,0 Gew.-%. Wenn - unabhängig vom
Verhältnis Fe/(Fe + Ni) - der Cr-Gehalt so gewählt wird, dass für den Cr-Gehalt gilt: Cr/(Fe + Ni + Cr) < 2,2 Gew.-%, dann kann über alle Eisengehalte der Herstellungsprozess besonders zuverlässig und stabil gegenüber Toleranzen durchgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung beträgt die mittlere Korngröße des Wolframkarbid 0,05 - 12 pm. In diesem Fall können die Eigenschaften des kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoffs gezielt über die Einstellung der Korngröße an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden. Da bei der Eisen-Nickel-Basislegierung des metallischen Binders im Unterschied zu Kobalt-basierten Bindersystemen kein starkes Kornwachstum der Wolframkarbidkörner auftritt, können auch sehr kleine mittlere Korngrößen durch eine entsprechende Wahl des Wolframkarbid-Ausgangspulvers eingestellt werden. Bevorzugt beträgt die mittlere Korngröße des Wolframkarbid 0,1 - 6 pm.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Von den Figuren zeigen: Fig. 1 : ein berechnetes Phasendiagramm für eine Hartmetallwerkstoff- Zusammensetzung aus Wolframkarbid mit 9,2 Gew.-% eines metallischen Eisen-Nickel-Binders mit einem Fe/(Fe + Ni)- Verhältnis von 0,85 und mit einem Chromgehalt von Cr/(Fe + Ni + Cr) = 2,2 Gew.-%;
Fig. 2: ein berechnetes Phasendiagramm für eine Hartmetallwerkstoff- Zusammensetzung aus Wolframkarbid mit 9,2 Gew.-% eines metallischen Eisen-Nickel-Binders mit einem Fe/(Fe + Ni)- Verhältnis von 0,85 und mit einem Chromgehalt von Cr/(Fe + Ni + Cr) = 2,6 Gew.-%;
Fig. 3: ein Fig. 1 und Fig. 2 entsprechendes berechnetes Phasendiagramm, jedoch für einen Chromgehalt von Cr/(Fe + Ni + Cr) = 3,0 Gew.-%;
Fig. 4: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte F;
Fig. 5: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte G;
Fig. 6: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte H; Fig. 7: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte I;
Fig. 8: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte J;
Fig. 9: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte K;
Fig. 10: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte K und kürzerer
Vorbehandlung durch Ätzen;
Fig. 11 : eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte M; und
Fig. 12: eine lichtmikroskopische Aufnahme mit 1500-facher Vergrößerung des Hartmetallwerkstoffs gemäß der Sorte P. AUSFUHRUNGSFORM
Eine Ausführungsform des kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetallwerkstoffs wird im Folgenden zunächst allgemein beschrieben.
Der Hartmetall Werkstoff hat eine spezifische Zusammensetzung, die im Folgenden eingehender beschrieben wird.
Der Hartmetall Werkstoff besteht überwiegend, zu 70-97 Gew.-%, aus Hartstoffpartikeln, die zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildet sind. Die Hartstoffpartikel können dabei aus Wolframkarbid bestehen. Der Hartmetall Werkstoff hat ferner 3-30 Gew.-% eines metallischen Binders. Bevorzugt kann der Anteil des metallischen Binders 5 - 25 Gew.-% des Hartmetall Werkstoffs betragen. Der metallische Binder ist eine Eisen-Nickel- Basislegierung, weist also Eisen und Nickel als Hauptbestandteile auf. Neben Eisen und Nickel weist der metallische Binder zumindest Chrom auf. Der Hartmetall Werkstoff ist kobaltfrei, d.h. erweist keinen Kobalt oder höchstens Spuren von Kobalt als unvermeidliche Verunreinigungen auf. Der Hartmetall Werkstoff kann optional ferner bis zu 10 Gew.-% Molybdän im Verhältnis zum Gesamtgehalt an Eisen, Nickel und Chrom aufweisen, d.h. Mo/(Fe + Ni + Cr) < 10 Gew.-%, bis zu maximal 2 Gew.-% Vanadium im Verhältnis zum Gesamtgehalt an Eisen, Nickel und Chrom, d.h. V/(Fe + Ni + Cr) < 2 Gew.-%, sowie bis zu insgesamt maximal 1 Gew.-% vom Hartmetall Werkstoff unvermeidliche Verunreinigungen. Bevorzugt gilt für den Mo-Gehalt: Mo/(Fe + Ni + Cr) < 6 Gew.-%. Bevorzugt gilt für den V-Gehalt: V/(Fe + Ni + Cr) < 1 Gew.-%.
Die Eisen-Nickel-Basislegierung des metallischen Binders weist einen höheren Anteil an Eisen als an Nickel auf. Der Eisen-Anteil beträgt dabei 70-95 Gew.-% vom Gesamtgehalt (Fe + Ni) an Eisen und Nickel. Bevorzugt beträgt der Eisen- Anteil maximal 90 Gew.-% vom Gesamtgehalt an Eisen und Nickel, besonders bevorzugt 75-90 Gew.-% vom Gesamtgehalt an Eisen und Nickel. Der Chromgehalt des Hartmetallwerkstoffs beträgt zumindest 0,5 Gew.-% vom Gesamtgehalt (Fe + Ni + Cr) an Eisen, Nickel und Chrom. Bevorzugt kann der Chromgehalt zumindest 1 ,5 Gew.-% vom Gesamtgehalt an Eisen, Nickel und Chrom betragen, mehr bevorzugt zumindest 2,0 Gew.-%. Für den Fall eines Eisen-Nickel-Verhältnisses in dem Bereich 0,7 < Fe/(Fe + Ni) < 0,83 beträgt der Chrom-Gehalt im Verhältnis zum Gesamtgehalt (Fe + Ni + Cr) höchstens (- 0,625 * (Fe/(Fe + Ni)) + 3,2688) Gew.-%. Bei einem Eisen-Nickel-Verhältnis in dem Bereich 0,83 < Fe/(Fe + Ni) < 0,85 beträgt der Chrom-Gehalt im Verhältnis zum Gesamtgehalt (Fe + Ni + Cr) höchstens (- 27,5 * (Fe/(Fe + Ni)) + 25,575) Gew.-%. Bei einem noch höheren Eisen-Anteil beträgt der Chrom-
Gehalt im Verhältnis zum Gesamtgehalt (Fe + Ni + Cr) höchstens 2,2 Gew.-%.
Im Folgenden werden unter Bezug auf die berechneten Phasendiagramme der Fig. 1 bis Fig. 3 beispielhaft die Probleme eingehender erläutert, die sich für die industrielle Herstellung von kobaltfreiem Wolframkarbid-basiertem Hartmetall Werkstoff mit einem durch eine Eisen-Nickel-Basislegierung gebildeten metallischen Binder ergeben, wenn Chrom hinzugegeben wird. In den Phasendiagrammen der Fig. 1 bis Fig. 3 ist auf der horizontalen Achse jeweils der Kohlenstoffgehalt in Gew.-% aufgetragen. Die Phasendiagramme wurden für einen Hartmetallwerkstoff mit einer Zusammensetzung von 9,2 Gew.-% metallischem Eisen-Nickel-Basislegierungs-Binder mit einem Verhältnis von Fe/(Fe + Ni) von 85 Gew.-%, Cr/(Fe + Ni + Cr) = 2,2 Gew.-%
(Fig. 1) bzw. 2,6 Gew.-% (Fig. 2) bzw. 3,0 Gew.-% (Fig. 3), Rest Wolframkarbid berechnet.
In dem Phasendiagramm aus Fig. 1 (d.h. für einen Chromgehalt von Cr/(Fe + Ni + Cr) von 2,2 Gew.-%) ist bei 1000°C in etwa zwischen Kohlenstoffgehalten von 5,565 bis 5,64 Gew.-% der Bereich 10 („fco + WC“) zu erkennen, der bei der Herstellung des kobaltfreien Wolfram karbid-basierten Hartmetall Werkstoffs angestrebt wird, nämlich ein Bereich in dem Wolframkarbid-Körner und metallischer Binder vorliegen, ohne dass sich h-Phase ausbildet (wie bei niedrigerem Kohlenstoffgehalt, s. Bereich „fco + WC + h“) und ohne dass sich Mischkarbid-Ausscheidungen bilden (wie bei höherem Kohlenstoffgehalt, s. Bereich „fco + WC + M7C3“). Bei einem Chromgehalt im Verhältnis zu dem Gesamtgehalt von Eisen, Nickel und Chrom von 2,2 Gew.-%, wie es in Fig. 1 zu sehen ist, muss der Kohlenstoffgehalt bei der Herstellung des Hartmetall Werkstoffs bereits innerhalb relativ enger Toleranzen gehalten werden, um Ausscheidungen zu vermeiden. Dies ist aber mit vertretbarem Aufwand noch möglich.
Wie bei einem Vergleich mit dem Fig. 2 dargestellten Phasendiagramm für einen Chrom-Gehalt von Cr/(Fe + Ni + Cr) = 2,6 Gew.-% ersichtlich ist, nimmt die Breite des gewünschten Bereichs 10 („fco + WC“) mit zunehmendem Chrom-Gehalt jedoch stark ab. Wie in Fig. 3 ersichtlich, ist die Breite des
Bereichs 10 bei einem Chrom-Gehalt von Cr/(Fe + Ni + Cr) von 3,0 Gew.-% nur noch sehr schmal. In dem Phasendiagramm in Fig. 3 erstreckt er sieh bei 1000°C nur noch zwischen Kohlenstoffgehalten von ca. 5,565 Gew.-% bis ca. 5,605 Gew.-%. Mit anderen Worten nimmt bei zunehmendem Chromgehalt das Risiko von unerwünschten Mischkarbid- oderr|-Phasen-Ausscheidungen schnell zu, wenn die Prozessatmosphäre und somit die Kohlenstoffbilanz nicht innerhalb enger Toleranzen gehalten werden kann.
Der kobaltfreie Wolframkarbid-basierte Hartmetall Werkstoff kann - je nach beabsichtigtem Anwendungsbereich - eine mittlere Korngröße des
Wolframkarbid von 0,05 - 12 pm haben, bevorzugt von 0,1 - 6 pm. Die Bestimmung der mittleren Korngröße der Wolframkarbidkörner in dem Hartmetall Werkstoff kann gemäß der „equivalent circle diameter (ECD)“- Methode aus EBSD (electron backscatter diffraction)-Aufnahmen erfolgen. Diese Methode ist z.B. in „Development of a quantitative method for grain size measurement using EBSD”; Master of Science Thesis, Stockholm 2012, von Frederik Josefsson beschrieben.
Der kobaltfreie Wolframkarbid-basierte Hartmetall Werkstoff gemäß der Ausführungsform wurde pulvermetallurgisch hergestellt unter Verwendung von WC-Pulver mit einer Partikelgröße (FSSS, Fisher sieve sizes) von 0,6 pm bzw.
1 ,2 pm bzw. 1 ,95 pm für die Hartmetallwerkstoffe mit den verschiedenen Korngrößen; Fe-Pulver mit einer FSSS-Partikelgröße von 2,3 pm, Ni-Pulver mit einer FSSS-Partikelgröße von 2,5 pm, Cr3C2-Pulver mit einer FSSS- Partikelgröße von 1 ,5 miti, Mo2C-Pulver mit einer FSSS-Partikelgröße von 1 ,35 pm und VC-Pulver mit einer FSSS-Partikelgröße von 1 pm. Bei den Vergleichsbeispielen kam ferner noch Co-Pulver mit einer FSSS-Partikelgröße 0,9 pm zum Einsatz. Die Herstellung erfolgte durch Mischen der jeweiligen Ausgangspulver mit einem Lösungsmittel in einer Kugelmühle bzw. einem Attritor und anschließendes Sprühtrocknen in der üblichen Weise. Das resultierende Granulat wurde gepresst und in die gewünschte Form gebracht und wurde anschließend in herkömmlicher Weise gesintert, um den Hartmetallwerkstoff zu erhalten. Chrom kann bei der pulvermetallurgischen Herstellung des Hartmetall Werkstoffs z.B. als reines Metall oder in Form von Cr3C2- oder Cr2N-Pulver zugegeben werden. Mo kann bevorzugt in Form von Mo2C-Pulver zugegeben werden, es ist jedoch z.B. auch eine Zugabe als reines Metall oder als z.B. (W, Mo)C-Mischkarbid möglich. Fe, Ni, Cr können sowohl einzeln als auch in vorlegierter Form zugegeben werden.
BEISPIELE UND VERGLEICHSBEISPIELE
Es wurden erfindungsgemäße kobaltfreie Wolframkarbid-basierte Hartmetall Werkstoffe und Vergleichsbeispiele nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
Die Zusammensetzung der hergestellten Hartmetallwerkstoffe ist in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst. TABELLE 1
Die Zuordnung als Beispiele und Vergleichsbeispiele ist in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst. In der letzten Spalte ist dabei bei den Vergleichsbeispielen der Grund angegeben, warum es sich um Vergleichsbeispiele handelt.
TABELLE 2
Die hergestellten Hartmetall Werkstoffe der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden jeweils im Hinblick auf die mittlere Korngröße untersucht. Ferner wurden an den hergestellten Hartmetall Werkstoffen die Vickers-Härte HV10, die Risszähigkeit Kic und die Biegebruchfestigkeit BBF ermittelt. Die Bestimmung der Vickershärte HV10 erfolgte dabei gemäß ISO 3878:1991 („Hardmetals - Vickers hardness test“). Die Risszähigkeit Kic in MPa · m1/2 wurde nach ISO 28079:2009 mit einer Prüflast (indentation load) von 10 kgf (entsprechend 98,0665 N) ermittelt. Die Biegebruchfestigkeit BBF wurde nach der Norm ISO 3327:2009 mit einem Prüfgegenstand mit zylindrischem Querschnitt (Form C) bestimmt.
Es wurden ferner Korrosionstests durchgeführt und die plastische Deformation bei erhöhten Temperaturen wurde untersucht. Die Korrosionsbeständigkeit und die Kriechbeständigkeit wurden qualitativ bewertet. Es wurden lichtmikroskopische Aufnahmen der Sorten angefertigt, von denen einige in den Fig. 4 bis Fig. 12 zu sehen sind. Die lichtmikroskopischen Aufnahmen wurden dabei jeweils mit 1500-facher Vergrößerung aufgenommen, bei Fig. 10 mit 500- facher Vergrößerung. Für die lichtmikroskopischen Aufnahmen wurden die Proben dabei jeweils in der üblichen Weise durch Ätzen vorbehandelt, wobei das Ätzen außer für die Aufnahme von Fig. 10 jeweils für zwei Minuten erfolgte. Für die Aufnahme von Fig. 10 wurde hingegen nur für 10 Sekunden geätzt, um Chromkarbid-Ausscheidungen besser sichtbar zu machen.
Die Ergebnisse der Messungen sind in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammengefasst.
TABELLE 3
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass der herkömmliche kobalthaltige Wolframkarbid-basierte Hartmetallwerkstoff der Sorte A, die neben Kobalt auch Chrom und Vanadium aufweist, insgesamt in Bezug auf Härte, Risszähigkeit, Biegebruchfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Kriechbeständigkeit gute Ergebnisse zeigt.
Auch die herkömmlichen kobalthaltigen Hartmetallwerkstoffe der Sorten N und O, die ebenfalls neben Kobalt auch Chrom und Vanadium aufweisen, zeigen sowohl eine gute Korrosionsbeständigkeit als auch eine gute
Kriechbeständigkeit. Aufgrund ihrer kleineren mittleren Korngröße und ihres geringeren Anteils an metallischem Binder zeigen diese Sorten N und O zwar eine höhere Härte und eine höhere Biegebruchfestigkeit, andererseits aber auch eine gegenüber der Sorte A deutlich verringerte Risszähigkeit.
Die ebenfalls als Vergleichsbeispiel dienende Sorte L eines kobalthaltigen Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoffs, der weder Chrom noch Vanadium zusätzlich zu dem Kobalt aufweist, zeigt zwar aufgrund seines höheren Gehalts an metallischem Binder eine sehr hohe Risszähigkeit auf, jedoch sind die Korrosionsbeständigkeit und die Kriechbeständigkeit jeweils schlecht.
Bei den Vergleichsbeispielen der Sorten B, C, D und E handelt es sich jeweils um kobaltfreie Wolframkarbid-basierte Hartmetallwerkstoffe, bei denen der metallische Binder jeweils eine Eisen-Nickel-Basislegierung ist, die kein Chrom aufweist. Die Sorten B, C, D und E unterscheiden sich in dem Eisen-Nickel- Verhältnis des metallischen Binders. Der Gesamtgehalt (Fe + Ni) an Eisen und Nickel wurde dabei derart angepasst, dass das resultierende Volumen des Binders im Wesentlichen dem eines herkömmlichen kobalthaltigen Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoffs mit 10 Gew.-% Kobaltbinder entspricht. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die Vergleichsbeispiele der Sorten B, C, D und E zwar akzeptable Ergebnisse bezüglich der Härte HV10, der Risszähigkeit Kic und der Biegebruchfestigkeit BBF zeigen, jedoch die Korrosionsbeständigkeit und die Kriechbeständigkeit jeweils schlecht bzw. sogar sehr schlecht ist. Dabei verschlechtern sich Korrosionsbeständigkeit und Kriechbeständigkeit mit zunehmendem prozentualen Eisenanteil des metallischen Binders. Die Beispiele von kobaltfreien Wolframkarbid-basierten Hartmetallwerkstoffen der Sorten F, G, H und I unterscheiden sich von den Vergleichsbeispielen der Sorten B, C, D und E im Wesentlichen durch die Zugabe von geringen Mengen Chrom. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, wird durch die Chromzugabe die Härte HV10 tendenziell leicht erhöht und die Risszähigkeit Kic verringert sich tendenziell leicht. Die Chromzugabe wirkt sich positiv auf die
Biegebruchfestigkeit BBF aus. Wie ebenfalls zu sehen ist, verbessert die Chromzugabe signifikant die Korrosionsbeständigkeit sowie die Kriechbeständigkeit. Es werden insgesamt gute Werte für die Härte HV10, die Risszähigkeit Kic und die Biegebruchfestigkeit BBF erreicht. Insgesamt werden gegenüber den Vergleichsbeispielen der Sorten B, C, D und E auch deutliche Verbesserungen in der Korrosionsbeständigkeit und der Kriechbeständigkeit erzielt. Für den Bereich von Fe/(Fe + Ni) bis zu 0,85 Gew.-% werden insgesamt physikalische Eigenschaften erreicht, die zwar nicht ganz die Werte herkömmlichen kobalthaltigen Wolframkarbid-basierten Hartmetall Werkstoffs (wie z.B. von Sorte A) erreichen, aber doch insgesamt diesen sehr nahe kommen. Für den Bereich Fe/(Fe + Ni) > 0,85 (s. Sorte I) werden verglichen damit eine etwas schlechtere Korrosionsbeständigkeit und eine etwas schlechtere Kriechbeständigkeit erreicht, die aber für einige Anwendungen durchaus noch ausreichend sein können.
Wie aus einem Vergleich des Vergleichsbeispiels der Sorte K mit dem Beispiel der Sorte H hervorgeht, wirkt sich eine Erhöhung der zugegebenen Menge Chrom zwar nicht unmittelbar nachteilig auf die Härte HV10 und die Risszähigkeit Kic aus, jedoch ist auch keine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Kriechbeständigkeit zu beobachten. Die erhöhte Chrom-Zugabe führt aber zu einer signifikanten Verschlechterung der Biegebruchfestigkeit BBF. In der lichtmikroskopischen Aufnahme der Sorte K von Fig. 10, bei der die Sorte K zur Vorbehandlung nur 10 Sekunden angeätzt wurde, ist zu erkennen, dass sich Mischkarbid-Ausscheidungen gebildet haben, auf die die signifikante Verschlechterung der Biegebruchfestigkeit BBF zurückgeführt wird.
Wie aus einem Vergleich der Beispiele der Sorten H und J hervorgeht, wirkt sich eine Zugabe von Molybdän hingegen nicht nachteilig auf die erzielbaren physikalischen Eigenschaften aus.
Bei einem Vergleich des Beispiels der Sorte M mit dem Vergleichsbeispiel der kobalthaltigen Sorte L ergibt sich, dass sich auch bei insgesamt höheren Anteilen des metallischen Binders an dem Hartmetall Werkstoff akzeptable physikalische Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen kobalthaltigen Hartmetall Werkstoffen erreichen lassen.
Wie ein Vergleich mit der Sorte P ergibt, werden auch bei einem insgesamt geringeren Gehalt des metallischen Binders und verringerter mittlerer
Korngröße der Wolframkarbidkörner eine akzeptable Korrosionsbeständigkeit und eine akzeptable Kriechbeständigkeit erzielt. Aufgrund der geringeren mittleren Korngröße und des geringeren Anteils des metallischen Binders wird dabei einerseits zwar eine höhere Härte erzielt und aufgrund der geringeren mittleren Korngröße wird eine erhöhte Biegebruchfestigkeit erzielt, andererseits sinkt die Risszähigkeit Kic dabei aber auch erwartungsgemäß ab. Insgesamt sind die erzielten physikalischen Eigenschaften aber im Vergleich zu herkömmlichen kobalthaltigen Wolfram karbid-basierten Hartmetall Werkstoffen der Sorten N und O durchaus akzeptabel.
Aus einem Vergleich der Sorten P und Q ist ersichtlich, dass die Zugabe geringer Mengen Vanadium zu einer leichten Erhöhung der Härte führt, aber mit einer Verringerung der Risszähigkeit und der Biegebruchfähigkeit einhergeht.

Claims

Ansprüche
1. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff, mit 70-97 Gew.-% Hartstoffpartikeln, die zumindest überwiegend durch Wolframkarbid gebildet sind, und
3-30 Gew.-% eines metallischen Binders, der eine Eisen-Nickel-
Basislegierung ist, die zumindest Eisen, Nickel und Chrom aufweist, mit einem Verhältnis von Fe zu (Ni + Fe) von
0,70 < Fe/(Fe + Ni) < 0,95; einem Cr-Gehalt von
0,5 Gew.-% < Cr/(Fe + Ni + Cr) und
(i) für den Bereich 0,7 < Fe/(Fe + Ni) < 0,83:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < (- 0,625 * (Fe/(Fe + Ni)) +3,2688) Gew.-%
(ii) für den Bereich 0,83 < Fe/(Fe + Ni) < 0,85:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < (- 27,5 * (Fe/(Fe + Ni)) + 25,575) Gew.-%
(iii) für den Bereich 0,85 < Fe/(Fe + Ni) < 0,95:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < 2,2 Gew.-%; mit optional einem Mo-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von
0 Gew.-% < Mo/(Fe + Ni + Cr) < 10 Gew.-%; mit optional einem V-Gehalt im Verhältnis zu (Fe + Ni + Cr) von
0 Gew.-% < V/(Fe + Ni + Cr) < 2 Gew.-%; und unvermeidlichen Verunreinigungen bis zu insgesamt maximal
1 Gew.-% des Hartmetall Werkstoffs.
2. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach Anspruch 1 , wobei Fe/(Fe + Ni) < 0,90, bevorzugt 0,75 < Fe/(Fe + Ni) < 0,90.
3. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gehalt des metallischen Binders 5 - 25 Gew.-% beträgt.
4. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Mo-Gehalt gilt:
0 Gew.-% < Mo/(Fe + Ni+ Cr) < 6 Gew.-%.
5. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den V-Gehalt gilt:
V/(Fe + Ni + Cr) < 1 Gew.-%.
6. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Cr-Gehalt gilt:
Cr/(Fe + Ni + Cr) > 1 ,5 Gew.-%.
7. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach Anspruch 6, wobei für den Cr-Gehalt gilt: Cr/(Fe + Ni + Cr) > 2,0 Gew.-%.
8. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für den Cr-Gehalt gilt:
Cr/(Fe + Ni + Cr) < 2,2 Gew.-%.
9. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer mittleren Korngröße des Wolframkarbid von 0,05 - 12 pm.
10. Kobaltfreier Wolfram karbid-basierter Hartmetall Werkstoff nach Anspruch 6, mit einer mittleren Korngröße des Wolframkarbid von 0,1 - 6 pm.
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