FI72753B - Slitstark kropp av en staol-haordkarbidkomposit, foerfarande foer framstaellning av densamma samt staol-haordkarbidverktyg med makrostruktur. - Google Patents

Description

1 72753

Kulumista kestävä teräs-kovakarbidiyhdistelmäkappale, menetelmä sen valmistamiseksi sekä makrorakenteiset teräs-kovakarbidityökalut

Vuodesta 1940 lähtien on valmistettu kulumiselle alttiita työkaluja ja laitteita kovametalliseoksista, jotka koostuvat hienojakoisesta kovakarbidifaasista, joka perustuu metalleihin, jotka on valittu jaksollisen järjestelmän ryhmistä IVB, VB ja VIB, ja joka on sementoitu koboltilla tai nikkelillä tai molemmilla. Kun sementoidut karbidi-seokset on valmistettu puristamalla hienoksi jauhettuja jauheita, jota seuraa nestefaasisintraus tiivistyksen aikaansaamiseksi, näillä seoksilla on mikrorakenteet, joille ovat ominaisia kovakarbidirakeet, joiden koko on yleensä 1-15 mikronia.

Raudan tai teräksen käyttö sideaineina on osoittautunut vaikeaksi, koska kovien faasien hienojakoinen tila ja suuri ominaispinta edistävät verraten hauraiden, volfrämiä ja rautaa yhdessä hiilen kanssa sisältävien kaksoisväliseos-ten muodostumista, mikä pienentää vapaata sideainetilavuus-jaetta ja haurastuttaa sintrattua kappaletta enemmän tai vähemmän riippuen muodostus- ja sintrausparametrien tarkkuudesta ja vapaan hiilen lisäyksistä, jotka tehdään raudan ja hiilen välisen affiniteetin tyydyttämiseksi.

Päinvastoin kuin koboltti ja nikkeli rauta muodostaa stabiilin karbidin, Fe^Crn, ja sillä on suurempi taipumus muodostaa hauraita kaksoiskarbideja kuin koboltti- tai nikkelisideaineilla. Hiilen siirtymistä kovakarbidifaa-sista tai -faaseista raudaksi edistää rauta- tai terässide-aineen nestemäisen tai plastisen tilan läsnäolo nestetila-sintrauksen aikana, joka suoritetaan lämpötiloissa, jotka ovat lähellä sideaineen sulamispistettä, samat kuin se tai sen yläpuolella.

2 72753

Viime aikoina on valmistettu käyttökelpoisia kulumisosia valamalla juoksevaa terästä tai valurautasulatetta valmiiseen kerrokseen, joka koostuu verraten karkeasta, hiukkas-maisesta, esim. 3,12-4,76 mm sintratusta, sementoidusta karbidista.

Esillä oleva keksintö voidaan erottaa US-patenttien 4 024 902 ja 4 140 170 sulametallivalumenetelmästä ja US-patentin 4 119 459 sulavalurautamenetelmästä kahdella päätekijällä: (1) teräs- tai rauta- ja grafiittijauhepu-riste, joka sisältää dispergoituja, sintratun, sementoidun karbidin hiukkasia tai useita mitoitetun, sintratun, sementoidun karbidin paloja tai primaarisia, jauhamatto-mia, makrokiteisiä karbidikiteitä, sintrataan teräksen tai valuraudan sulamislämpötilan alapuolella olevassa lämpötilassa, ja (2) sen sijaan että käytettäisiin matriisi-seoksen sulamislämpötiloja seoksen tiivistyksen aikaansaamiseksi, käytetään suurpuristusyksikköpaineita sekä ennen sintrausta että sen jälkeen, jolloin estetään dispergoitu-neen kovan faasin hiukkaspintojen huononeminen hajoamisen, sulamisen tai hiilen diffuusioreaktioiden vaikutuksesta.

Valumenetelmistä puuttuvat myös tunnetut taloudelliset, jauhemetallurgiamenetelmiin kuuluvat edut, erityisesti kun on valmistettava useita leikkaukseltaan pieniä tai ohuita kulumisosia. Pakostakin suhteellisen korkeiden työstölämpötilojen ja nestemäisyyden takia voi myös muodostua liian suuria määriä haitallisia kaksoiskarbideja huolimatta verraten karkeiden, pienpinta-alaisten karbidihiuk-kasten käytöstä.

Koska sekä tavanomainen jauhemetallurgiamanetelmä, jossa hienoksi jauhettuja teräksellä sementoituja karbidijau-heita puristetaan ja sintrataan, että menetelmät, joissa nestemäistä terästä tai nestemäistä valurautaa valetaan hiukkasmaiseen, sementoituun, ennalta muotteihin sovitettuun karbidiin, aiheuttavat yllä kuvattuja ongelmia, on 3 72753 tämän keksinnön ensisijaisena tarkoituksena kehittää menetelmä, jolla voidaan valmistaa teräksellä sementoitu kovakarbi-diseos, joka on pääasiassa vapaa raudan ja volframin hiilen kanssa muodostamista kaksoisväliseoksista ja jossa dispergoi-tuneessa kovakarbidifaasissa ei esiinny raja-alueen hajoamista, sulamista tai lämpösäröilyä ja joka on lujasti sidottu teräsmatriisiin, joka on oleellisen vapaa makrohuokoisuudesta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on myös tuottaa kulumista kestävä yhdistelmäkappale, jossa dispergoitunut kovakarbidimate-riaali on lujasti ja takertuvasti sidottu metallimatriisiin jauhemetallurgiamenetelmällä, johon kuuluu puristus ja korkea lämpötila sekä suurpainediffuusiosidos, sekä aikaansaada menetelmä tällaisen kulumista kestävän yhdistelmäkappaleen valmistamiseksi.

Tämän keksinnön toisena tarkoituksena on valmistaa työkaluja, joissa on kovakarbidikulumis- tai leikkuusisäkkeet, jotka on upotettu ja sidottu tiivistettyyn teräsjauhematriisiin tai tämän keksinnön mukaiseen kulumista kestävään yhdistelmäkap-paleeseen.

Tämän keksinön lisätarkoituksena on valmistaa osia, joita ei juuri voida työstää ja joilla on riittävä iskulujuus, niin että ne sopivat käytettäviksi varmuuslevyinä ja riippulukko-komponentteina .

Esillä olevan keksinnön mukaisesti on aikaansaatu kulumista kestävä teräs-kovakarbidiyhdistelmäkappale, joka sisältää 30-80 paino-% karbidiainetta, jonka koko on suurempi kuin 37 yUin, joka karbidiaine on kovakarbidi, joka koostuu volfra-mikarbidista, titaanikarbidista, tantaalikarbidista, niobi-karbidista, zirkoniumkarbidista, vanadiinikarbidista, haf-niumkarbidista, molybdeenikarbidista, kromikarbidistä, boori-karbidista, piikarbidista, niiden seoksista, niiden jähmeistä liuoksista tai niiden sementoiduista yhdistelmistä, ja 20-70 4 72753 paino-% matriislainetta, joka koostuu teräksestä, teräksestä ja raudasta, teräksestä ja kuparista, tai teräksestä ja nikkelistä, jolle kappaleelle on tunnusomaista, että karbidiaine on upotettu ja sidottu matriisiin puristus- ja jähmediffuu-siomenetelmillä, ja että karbidiaineen ja matriisin välillä on rajapinta, jonka paksuus on enintään 50 ^um.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaan karbidiaineessa on metal lipinnoite, joka muodostaa sitkeän ja kiinnitarttuvan sidoksen karbidiaineen ja matriisin välille.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle kulumista kestävien teräs-kovakarbidiyhdistelmäkappaleiden valmistamiseksi on tunnusomaista, että 20-70 paino-% teräsmuovausjauheita sekoitetaan 30-80 paino%:iin kovia karbidihiukkasia, joiden hiukkaskoko on välillä 8 mm-37 ^um, seoksen muodostamiseksi, seos kylmäpu-ristetaan puristetun esipuristeen valmistamiseksi, ja puristettu esipuriste tiivistetään korkealämpötila- ja suurpaine-diffuusiosidos- ja sintrausprosessilla, ja että mainittu korkea lämpötila on teräksen sulamislämpötilan alapuolella.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä sekoitetaan sintrattuja, sementoituja volframikarbidihiukkasia tai primäärisiä, jauha-mattomia, makrokiteisiä (ts. suurempia kuin 37 ^um) volfra-mikarbidikiteitä rauta- ja grafiittijauhe- tai teräsjauhemat-riisiin, seos kylmäpuristetaan isostaattisesti esimuovausmuo-tissa haluttuun muotoon, sintrataan sitten jähmeässä tilassa suhteellisen alhaisessa lämpötilassa, erityisesti teräksen sulamislämpötilan alapuolella olevassa lämpötilassa, edullisesti 1038-1232°C:ssa, ja sintrattu kappale kuumapuriste-taan sitten isostaattisesti (HIP) lämpötilassa, joka on reilusti teräksen sulamispisteen alapuolella lopullisen tiivistyksen aikaansaamiseksi. Kovakarbidihiukkasten ja ympäröivän teräsjauheen välille muodostuu diffuusiosidos, joka pitää kulumista kestävät kovakarbidihiukkaset paikoillaan.

5 72753

Keksintö koskee lisäksi keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettua työkalua, joka käsittää työstöpään, jossa on kova kulumista kestävä, koboltilla sementoitu karbidisisäke, ja terästä sisältävän rungon, jolle työkalulle on tunnusomaista, että sisäke on jauhemetallurgisesti sidottu runkoon diffuu-siovyöhykkeellä, joka on muodostettu korkealämpötilasintrauk-sen aikana teräksen sulamispisteen alapuolella, ja että dif-fuusiovyöhyke sisältää rautaa ja kobolttia.

Keksintö koskee lopuksi keksinnön mukaisen menetelmän käyttöä tällaisen sementoidun karbidityökalun muodostamiseksi siten, että ennalta mitoitettu, koboltilla sementoitu karbidisisäke upotetaan ennalta määrättyyn kohtaan teräsmuovausjauheseok-sessa, jauhe tiivistetään sisäkkeen ympärille esipuristeen muodostamiseksi, ja kobolttia sisäkkeestä diffundoituu rautaan tiivistetystä teräsmuovijauheesta sisäkkeen vieressä korkeassa lämpötilassa teräksen sulamispisteen alapuolella, jolloin samanaikaisesti muodostuu suuren paineen alaisena metallurginen sidos sisäkkeen ja teräksen välille.

Esillä olevan keksinnön eräs kriittinen tekijä on suurpaine-tiivistys, sekä kylmä että kuuma, jolloin vältytään prosessi-lämpötiloilta, jotka aiheuttavat terässideainefaasin juokse-vuuden ja niin ollen edistävät edellä mainittuja ei-toivottu-ja reaktioita terässideaineen ja kovan dispergoituneen faasin välillä. Menetelmää parantaa tässä suhteessa kovan dispergoituneen hiukkasen tei hiukkasten käyttö, joilla on pieni ominaispinta. Menetelmä edistää myös merkittävästi tuotanto-tehoa valmistettaessa teräskarbidikulumisosia, joilla on suhteellisen pieni koko tai ohut leikkaus tai mutkikas rakenne, verrattuna edellä luetelluissa US-patenteissa esitettyihin menetelmiin, joissa sulaa terästä tai sulaa valurautaa valetaan muottiin, joka on ennalta täytetty sementoiduilla karbi-dihiukkasilla.

6 72753

Lisäksi matriisiseoksen sekä kemiallinen säätö että koostumuksen joustavuus ovat ylivoimaisesti paremmat kuin sulame-tallivalumenetelmissä. Teräksen tai valuraudan sulatuksen ja valun vaatimien korkeiden prosessilämpötilojen välttäminen parantaa muottien taloudellisuutta, jolloin muotteja voidaan käyttää uudelleen, ja matriisimetallien taloudellisuutta, koska ne eivät aiheuta valuhukkaa eikä uudelleenkäyttökustan-nuksia. Esillä olevan keksinnön menetelmä sopii hyvin sellaisten osien muodostukseen, joiden on kestettävä erittäin hankaavia, kuluttavia voimia samoin kuin iskuvoimia.

Menetelmä sopii ihanteellisesti muodostamaan kulumisen-kestäviä osia ja leikkuuteriä, joita käytetään maanviljelys-koneissa, tienrakennuksessa ja teiden kunnossapidossa, rouhinnassa, hienonnuksessa, maankaivuutöissä ja työstössä. Koska tällä menetelmällä valmistettujen tuotteiden kulumisenkestävyys on niin hyvä, niin ettei niitä juuri voida työstää, ne sopivat myös ihanteellises- 7 72753 ti käytettäviksi kassakaappien varmuuslevyinä. Tämän kulumisenkestävyytensä ja iskulujuutensa ansiosta nämä seokset sopivat myös riippulukoissa käytettäviksi.

Esillä olevan keksinnön tarkka luonne käy selvemmin esille seuraavasta yksityiskohtaisesta selityksestä, jossa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa: kuvio 1 on 1500-kertaisesti suurennettu mikrovalokuva, joka esittää sementoitua karbidihiukkasta, jossa koboltti-sideaine on upotettu ja sidottu puristettuun teräsjauhemat-riisiin, kuvio 2 on poikkileikkausperspektiivikuva kulumislevystä, jossa sementoidut karbidisisäkkeet on upotettu ja sidottu puristettuun teräsjauhematriisiin, ja kuvio 3 on poikkileikkauskuva leikkuutyökalun osasta, jossa kovametallinuppi on upotettu ja sidottu puristettuun teräs-jauhematriisiin.

Esiseostettu teräsmatriisijauhe tai rautajauheen ja grafiitti jauheen seos, joka sisältää 20-70 paino-% lopullista seosta sekoitetaan 30-80 paino-%:iin W:n, Ti:n, Ta:n,

Nb:n tai Zr:n, V:n, Hf:n, Mo:n, B:n, Si:n, Cr:n tai näiden seosten kovakarbidihiukkasiin, joko sintrattuina, sementoituina karbidihiukkasina tai primaarisina, sementoimattornina, sintraamattomina, jauhamattomina karbidikiteinä.

Noin 3 % naftaa tai muuta nestemäistä hiilivetyä lisätään jauheseokseen sekoituksen aikana suuremman tiheyden omaa-vien karbidihiukkasten erotuksen estämiseksi sekoituksen ja muotin täytön aikana, erityisesti kun dispergoitu kova faasi muodostuu kovakarbidihiukkasista, jotka ovat karkeampia kuin n. 250 mikronia.

Dispergoituja kovafaasihiukkasia varten, jotka ovat hienompia kuin n. 250 mesh, voidaan käyttää paraffiinivahaa tai kiinteää voiteluainetta kuten sinkkistearaattia, koska kom- 8 72753 ponenttihiukkasten erotuksen mahdollisuus tällöin pienenee sekoituksen aikana.

Seuraavaksi dispergoidun kovakarbidifaasin sisältävä mat-riisijauhe pakataan polyuretaanista tai muusta elastomee-risesta muovista tehtyyn esimuovausmuottiin. Teräsjauheita, joilla on erilaiset kamialliset koostumukset, (kuten hiili-, lejeerinki- tai ruostumattomat teräsjauheet) alkuainejau-hetta kuten rautaa, kuparia tai nikkeliä voidaan myös pakata samaan muottiin pääteräsjauhe-karbidiseoksen sijaitessa missä tahansa kohdassa dispergoidun kovakarbidifaasin sisältävän kappaleen vieressä ja kosketuksessa siihen tai tällaisen kappaleen ympärillä tai mitoitetun, sintratun, sementoidun karbidisisäkkeen ympärillä. Pakattu muotti, jonka päälle on sovitettu sopiva kansi, suljetaan sen jälkeen ja sijoitetaan kumipussiin tai palloon, joka sen jälkeen evakuoidaan, suljetaan ja puristetaan isostaattisesta, edullisesti paineessa n. 241,317 MPa, mutta vähintään 68,948 MPa.

Puristettu jauhe-esipuriste poistetaan sen jälkeen muotista ja kuumennetaan tyhjössä tai suoja- tai pelkistyskaasu-kehässä, esim. vetykehässä, teräsmatriisin sulamislämpö-tilan alapuolella olevaan lämpötilaan, edullisesti 1038-1149°C:een, 20-90 minuuttia.

Vaihtoehtoisessa esimuovausmenetelmässä yhdistelmäseos, joka sisältää edullisesti nestemäistä hiilivetyä, esim. naftaa, edullisesti 7 paino-%, ja metyyliselluloosaa, edullisesti 0,5 paino-%, puristusvoiteluaineena ja vastaavasti sintraarnattoman tilan sideaineena, pakataan te-räsesimuovausmuottiin. Raaka esipuriste ilmakuivataan sitten huoneen lämpötilassa muotissa ja poistetaan sen jälkeen muotista sekä sijoitetaan kumipussiin, joka sitten evakuoidaan ja suljetaan valmiina isostaattiseen kylmäpuristukseen, kuten edellä on kuvattu.

72753 Näin kiinteässä tilassa sintratuissa puristekappaleissa on jäljellä hieman huokoisuutta; kutistuminen sintrauksen aikana ei ylitä 1 %:a. On kuitenkin havaittu, että isostaattisella suurpainepuristuksella ja sitä seuraavalla sintrauksella saavutettu tiivistys, kuten tässä on kuvattu, riittää poistamaan mahdolliset toisiinsa liittyneet huokoset ja että sintratut kappaleet sen tähden sopivat tehokkaaseen, tunnetuilla isostaattisilla kuumapuristusmenetelmillä (HIP) suoritettuun lopulliseen tiivistykseen.

Tämän keksinnön tarkoituksiin käytettyä isostaattista kuuma- puristusta käytetään inertissä kaasukehässä, edullisesti 871-o 1260 C:ssa tai missä tahansa teräksen sulamislämpötilan alapuolella olevassa lämpötilassa 20-90 minuutin ajan vähim-mäispaineessa 68,948 MPa, mutta edullisesti paineessa n. 103,421 MPa 60 minuutin ajan. Yhtä tärkeää on, että lejeerin-kikerros muodostuu sementoitujen karbidihiukkasten ja teräs-matriisin rajapintoihin. Tämä rajapintalejeerinkisidos, joka ensin muodostuu sintrauksen aikana ja joka myöhemmin paranee isostaattisen kuumapuristuksen aikana, koostuu ohuesta raja-alueesta esimerkiksi 0,75 % hiiliteräsmatriisin ja dispergoi-tujen, koboltilla sementoitujen karbidihiukkasten välillä, joiden koko on alueella 3,175-4,763 mm. Sidos on tyypillisesti alle 40 ^um paksu eikä paksumpi kuin 50 ^um. Rajapintaa idosle jeer inki koostuu näissä olosuhteissa pääasiassa koboltista ja raudasta. Sidoksen muodostuminen käy tärkeäksi erityisesti kun kova dispergoitu faasi sisältää verraten karkeita hiukkasia, koska näillä on taipumuksena vetäytyä ulos, jos niitä ei ole kiinnitetty lujasti matriisilejeerinkiin.

Dispergoidun kovan faasin muodostavien, sementoitujen volfra-mikarbidihiukkasten koot valitaan yleiseltä kokoalueelta 8-0,149 mm (2,5-100 mesh US-seulasarjassa), edullisten koko-alueiden ollessa 0,84-1,53 mm (+20 - -12 mesh), 1,53-3,36 mm (+12 - -6 mesh) ja 3,36-4,76 mm (+6 - -4 mesh). Tietyt valitut kokoalueet voidaan valmistaa tunnetuilla menetelmillä, joilla sintratut, sementoidut karbidityökalukom- 1 o 72753 ponentit rouhitaan ja lajitellaan koon mukaan. Nämä le-jeeringit perustuvat yleisemmin koboltilla tai nikkelillä sementoituun volframikarbidiin (WC)/ joka joskus sisältää myös TiC, TaC tai NbC tai näiden kovarkarbidien yhdistelmiä.

Esillä olevan keksinnön menetelmän toinen käyttökelpoinen näkökohta on levittää lejeerinki- tai metallipinnoite, edullisesti Corson-pronssi- tai nikkelipinnoite, mitoitetun tietynmuotoisen ja -kokoisen, sintratun, sementoidun volframikarbidisisäkkeen pinnoille tai useiden tällaisten sisäkkeiden pinnoille. Sisäkkeet upotetaan sen jälkeen teräs- tai rauta-grafiittimatriisijauheeseen valituissa kohdissa esimuotissa, ennenkuin täytetty muotti puristetaan kokoon isostaattisesta. Käytetty Corson-pronssipinnoite voi olla jompi kumpi taulukossa 1 esitetyistä kahdesta nimellis seoksesta.

Taulukko I

Corson-pronssiseokset

A D

2,5 paino-% Ni 10 paino-% Mn 0,6 paino-% Si 4 paino-% Co 0,25 paino-% Mn 86 paino-% Cu loppuosa Cu

Isostaattisen kylmäpuristuksen jälkeen ja sitä seuraavan karbiditeräspuristeen sintrauksen ja isostaattisen kuuma-puristuksen aikana sementoidulla karbidikappaleella oleva pinnoite autogeenisesti muodostaa diffuusiosidoksen sen sidoslujuuden lisäämiseksi, jolla mitoitettuja, sementoituja karbidikappaleita pidetään matriisissa. Tämän menetelmän avulla sementoitu karbidikappale tai useat tällaiset kappaleet, joilla on tietty muoto ja koko, voivat korvata fiiukkasmaisen, dispergoidun kovakarbidifaasin ja niin ollen muodostaa kulumista kestävän kappaleen tai työkalun metallin tai kallion leikkausta ja porausta varten.

11 72753

On selvää, että tämän keksinnön menetelmässä käytetyt verraten alhaiset prosessilämpötilat voidaan antaa tulokseksi riittämättömän sidoslujuuden matriisin ja karbidihiukkasten välipinnassa silloin, kun käytetään teräsmatriisijauheseoksia, jotka eivät sitoudu kunnolla dispergoidun kovakarbidifaasin hiukkasiin. Näissä tapauksissa, esimerkiksi kun käytetään te-räslejeerinkijauheita, joiden tiedetään olevan huonommin sint-rautuvia tämän keksinnön menetelmässä esitetyissä, verraten alhaisissa kiinteän tilan sintrauslämpötiloissa, on todettu edulliseksi esipinnoittaa kovakarbidihiukkaset nikkelillä tai kuparilla esimerkiksi kemiallisella metallin saostuspinnoi-tuksella tai tyhjöhöyryfaasipinnoituksella. Tällä tavoin dis-pergoituneelle kovakarbidijakeelle ennen sekoitusta levitettyjen nikkelipinnoitteiden on todettu parantavan karbidihiuk-kasten sidoslujuutta. Tällainen kovakarbidihiukkasten esipin-noitus olisi myös edullinen, kun käytetään ruostumattomia teräs jauheita .

Esillä olevan keksinnön toinen ja käyttökelpoinen osa on sisällyttää teräs- tai rauta-grafiittijauhepuristeeseen disper-goitu kovakarbidifaasi, joka muodostuu jauhamattornista, mak-rokiteisistä karbidikiteistä, joiden kokojakeet ovat 0,037-0,250 mm (400-60 mesh) ja joiden edulliset kokoalueet ovat esim. 0,149-0,250 mm (+100 - -60 mesh), 0,074-0,177 mm (+200 - -80 mesh) tai 0,044-0,099 mm (+325 - -150 mesh) sementoitujen karbidihiukkasten sijasta. Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä makrorakenteisten sementoitujen karbidiseosten muodostamiseksi on täsmälleen kuten edellä on kuvattu.

Käytetyt suhteellisen alhaiset prosessilämpötilat antavat tulokseksi makrorakenteen, joka on oleellisen vapaa hauraista raudan ja volframin kaksoiskarbideista (eta-faasi) ja karkeasta huokoisuudesta. Nestefaasisintratuilla, mikro-rakenteisilla, sementoiduilla volframikarbidiseoksilla, joissa käytetään terässideainetta esimerkiksi tavallisen koboltti-sideaineen sijasta, on tunnetusti taipumuksia kehittää 1 2 7275 3 hauraita eta-tyyppisiä fasseja. Uskotaan, että nestefaasi-sintrauksen välttäminen ja niin ollen hiilen siirtymän välttäminen, jota tällainen käytäntö edistää, samoinkuin dispergoidun kovafaasin muodostavien, jauhamttomien, mak-rokiteisten karbidihiukkasten ainutlaatuisen pieni ominais-pinta ovat oleellisen tärkeitä tällä menetelmällä tuotettujen kaksifaasisen teräskarbidi-makrorakenteiden onnistuneen muodostumisen kannalta. On selvää, että tässä mainittu nestefaasisintraus tarkoittaa sintrausta lämpötilassa jossa terässideaine on ainakin osaksi nestemäinen. Neste-faasisintrauksen kieltäminen tässä keksinnössä ei sen tähden päde mihinkään alemman sulamispisteen omaaviin metallei-hin tai lejeerinkeihin (esim. kupaiiin tai Corson-prons-siin), jotka voidaan lisätä jauheena tai pinnoitteena sidoksen tai tiivistyksen parantamiseksi ja jotka voivat tarkoituksellisesti tulla nestemäisiksi sintrauksen tai isostaattisen kuumapuristuksen aikana.

Jauhamattomien makrokiteisten kovakarbidikiteiden käyttö dispergoituneena kovafaasina on tämän keksinnön menetelmän eräs edullinen suoritusmuoto, koska se on tehokas keino ylläpitää kovafaasia, jolla on pieni ominaispinta. Kuitenkin on selvää, että hienompien tai jauhettujen kovakarbi-dien oleellisesti sideaineettomia, kovia aggregaatteja voidaan myös käyttää.

Edellä mainittujen makrorakenteisten kappaleiden eräs tärkeä ominaisuus on, että matriisi-karbidijauheseoksia tai kumpaakin näistä kahdesta aineesta erikseen ei tarvitse jauhaa kuulamyllyssä tai muuten hienontaa ennen isostaattista kylmäpuristusta, sintrausta ja HIPrtä. Aiempi käytäntö, jota on laajalti pidetty oleellisen tärkeänä kaupallisten sementoitujen karbidirakenteiden kannalta, edistää karbidien ja rautapohjaisten matriisijauheiden välistä reaktiota, jolloin muodostuu hauraita kaksoiskarbideja. Jauheen jauhatuksen poisjäänti alentaa myös kustannuksia.

13 72753

Keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää mitä tahansa makrokiteisiä karbideja tai niiden jähmeiden liuosten yhdistelmiä, erityisesti WC, TiC, TaC tai NbC, joilla kaikilla on pieni ominaispinta ja kulmikkaat, harkkomaiset muodot, jotka ovat tyypillisiä näille mono- ja kaksoiskarbideille. On tunnettua, että primaarisia makrokiteisiä karbidiaineita voidaan jauhaa hienoksi yhdessä koboltin ja nikkelin kanssa sementoitujen karbidimikrorakenteiden muodostamiseksi nestefaa- o sisintrauksella lämpötila-alueella 1316-1538 C, jolloin saadut dispergoituneet kovakarbidifaasit ovat tyypillisesti välillä 1 ja n. 10 ^um. Keksinnön mukainen menetelmä sen sijaan antaa tulokseksi dispergoituja, yksinkertaisia, makrokiteisiä karbidirakeita, joiden kokoalueet ovat paljon karkeampien rajojen 250 - n. 40 ^um puitteissa.

Keksintöä selittävät lisäksi seuraavat esimerkit:

Esimerkki 1

Kulumista kestäviä leikkuukärkiä valmistettiin pyöriviä soke-riruokoleikkureita varten. Valmistettiin tasaisesti sekoitettu seos, joka sisälsi n. 55 paino-% koboltilla sementoituja 3,175-4,763 mm volframikarbidirakeita, n. 44,67 paino-% rau-tajauhetta, joka oli hienonnettu hiukkaskokoon alle 0,149 mm (-100 mesh), ja 0,33 paino-% grafiittijauhetta, jonka hiuk-kaskoko oli alle 0,044 mm (-325 mesh).Sekoituksen aikana lisättiin 5 paino-% naftaa suuremman tiheyden omaavien sementoitujen karbidihiukkasten erotuksen minimoimiseksi. Kostea seos puristettiin käsin elastomeeriseen polyuretaanimuottion-teloon, jolla oli haluttu työkalun muoto ja joka oli mitoitettu mahdollistamaan jauheen isostaattisen kylmäpuristuksen sekä 1 %:n sintrauskutistuman. Isostaattisen kylmäpuristuksen jälkeen paineessa 241,317 MPa puristettu esipuriste poistettiin muotista ja tyhjösintrattiin 1093°C:ssa 60 minuuttia, minkä jälkeen sintrattu kappale puristettiin isostaattisesti 1232 c:ssa 60 minuuttia paineessa 103,421 MPa heliumkehässä.

14 72753

Metallografinen tutkimus osoitti matriisirakenteen, joka koostui enimmäkseen perliitistä ja pienestä määrästä ferriittiä, mikä on tyypillistä tavanomaiselle, hitaasti jäähdytetylle 0,75 % hiiliteräkselle, jolla on pieni huokoisuus. Sementoidun karbidin ja matriisin rajapinnoilla oli n. 5 ^um leveitä kaistoja, jotka koostuivat lejeeringistä, jonka arveltiin koostuvan pääasiassa raudasta ja koboltista. Havaittiin, ettei lämpösäröily ollut huonontanut sementoidun karbidin dispergoituneita hiukkasia eikä dispergoituneen karbidi-faasin liukenemista, sulamista tai hajoamista havaittu esiintyvän rajapintojen rajoilla tai niiden lähellä, näiden rajojen ollessa teräviä lukuunottamatta edellä mainittua rauta-kobolttilejeeringin diffuusiovyöhykettä. Eta-faasin mahdollisesti haitallisia konsentraatioita ei havaittu. Koekappaleita taivutettiin käsin tuurnan yli vasaroimalla huoneen lämpötilassa ja niillä todettiin olevan hyvä kestävyys iskukuormi-tusta vastaan, eikä niissä juuri esiintynyt hauraita murtumia.

Kuvio 1 on mikrovalokuva esimerkin 1 mukaisesti valmistetun yhdistelmän tyypillisestä alueesta paitsi, että sintraus suo-o ritettiin 1149 C:ssa. Koboltilla sementoitu volframikarbi-dirae 40 on esitetty metallurgisesti sidottuna tavalliseen hiiliteräkseen, jolla on enimmäkseen perliittirakenne 50, rautaa ja kobolttia sisältävällä diffuusiovyöhykkeellä 45. Diffuusiovyöhyke 45 on n. 3 ^um paksu.

Esimerkki 2 - 2

Valmistettiin kulumista kestävä, 12,9 cm pxnta-alamen ja 9,5 mm paksu levy, joka koostui 60 paino-%:sta jauhamatonta makrokiteistä WC:a, jonka hiukkaskoko oli 0,149-0,250 mm (+100 - -60 mesh) ja joka oli sementoitu 40 paino-%:lla 0,75 % C-terästä, joka sisälsi 2 paino-% Cu. Tasaisesti kuiva sekoitettu seos, joka sisälsi makrokiteisiä WC-kiteitä, joiden hiukkaskoko oli 0,1490,250 mm (+100 - -60 mesh), grafiitti-jauhetta, jonka hiukkaskoko oli alle 0,044 mm (-325 mesh), rautajauhetta, jonka hiukkaskoko oli alle 0,149 mm (-100 mesh) ja kuparijauhetta, jonka hiukkaskoko oli alle 0,044 mm (-325 mesh) kuivasekoitettiin jauhamattoraana tasaiseksi seokseksi.

15 72753 kostutettiin sen jälkeen sekoittamalla siihen nestemäistä naftaa ja metyyliselluloosaa, joiden määrät olivat 7 paino-% ja vastaavasti 0,5 paino-% kuivasta seoksesta, ja pakattiin sen jälkeen teräsesimuovausmuottiin kiinteäksi, sintraamatto-maksi levymuodoksi, jonka mitat olivat suunnilleen 102 % halutusta lopullisesta koosta.

Ilmakuivauksen jälkeen muotissa huoneen lämpötilassa puriste poistettiin muotista, sijoitettiin kumipussiin ja sitä jatko-käsiteltiin isostaattisella kylmäpuristuksella, sintrauksella ja HIP:llä, kuten esimerkissä 1 on kuvattu. Metallografinen tutkimus paljasti tasaisesti koko teräsmatriisiin dispergoi-tuneen makrokiteisen WC-makrorakenteen. WC-teräsrajapinnoissa havaittiin 5 um paksu sidoskerros, jonka koostumus oli tuntematon. Näissä rajapinnoissa ei esiintynyt hauraita kak-soiskarbidifaaseja eikä säröjä.

Esimerkki 3 - 3

Valmistettiin 55,31 cm kulumista kestävä teräskappale, joka ympäröi sintratusta, 5 paino-%:lla kobolttia sementoidusta volframikarbidista muodostuvaa, mitoitettua levyä, jolloin mitoitettu levy tarkoituksellisesti upotettiin sintrattuun, sementoituun karbidiin raakajauheessa ennen iso-puristusta, niin että sen ulkopinta sijaitsi kohdakkain teräskuution ulkopinnan kanssa. Valmistettiin kuiva jauhamaton seos, joka sisälsi 97,25 paino-% rautajauhetta, joka oli hienonnettu hiukkaskokoon alle 0,149 mm (-100 mesh), 2 paino-%

Cu-jauhetta, jonka hiukkaskoko oli alle 0,044 mm (-325 mesh) ja 0,75 paino-% grafiittia, minkä jälkeen siihen sekoitettiin naftaa ja metyyliselluloosaa, joiden määrät olivat 5 paino% ja vastaavasti 0,3 paino-% kuivasta seoksesta. Tämä pakattiin , 2 sitten elastomeeriseen muottiin, minkä jälkeen 6,54 cm ne-liöpintainen ja 6,35 mm paksu sintrattu sementoitu karbidilevy puristettiin alas rautajauheseokseen, niin että ulkopinnat olivat kohdakkain.

Muotti sijoitettiin sulkemisen jälkeen kumipussiin, evakuoitiin, suljettiin ja puristettiin tällä hetkellä isostaatti- 72753 16 sesti, poistettiin muotista, sintrattiin ja kuumapuristet-tiin isostaattisesti kuten esimerkissä 1. Metallograafi-nen tutkimus paljasti, että ennalta sijoitettu sintrattu karbidilevy oli sitoutunut 5 mikronin rajapintasidosfaa-silla sitä kolemlla sivulla ympäröivään teräsmatriisiin ja että koko rakenne näytti virheettömältä ja säröttömältä.

Kuvio 2 esittää kulumislevyä 20, joka on valmistettu tässä esimerkissä kuvatulla tavalla paitsi, että kolme sementoitua karbidisisäkettä 30 on upotettu yhden sijasta levyyn 20 ja että kunkin sisäkkeen 30 pinta 45 on oleellisesti kohdakkain työkalun työstöpään 40 kanssa. Havaitaan, että rajapintasidos 35 on oleellisen tasainen ja yhtenäinen ja muodostaa sitkeän ja kiinni tarttuvan sidoksen sementoidun karbidin ja tiivistetyn hiiliteräs- ja kuparimatriisin 25 välille.

Joissakin kulumiskäytöissä, riippuen sen ympäristön syövyttävästä luonteesta, jossa kulumislevyä tullaan käyttämään, ruostumattomia teräs- tai teräslejeerinkijauheita voidaan edullisesti käyttää tässä esimerkissä käytettyjen rauta-, hiili- ja kuparijauheiden sijasta.

Kuvio 3 esittää poikkileikkauskuvaa esillä olevan keksinnön mukaisen työkalun toisesta suoritusmuodosta. Työkalu 1 voidaan valmistaa pääasiassa kuten esimerkissä 3 on kuvattu paitsi, että sementoidun karbidisisäkkeen 5 työstöpää 2 ulkonee: ulospäin ja työkalun 1 teräsrungon 10 yli. Kuten tässä kuviossa esitetään, sisäke 5 on sidottu teräsrunkoon 10 diffuusiovyöhykkeellä 15, joka on muodostunut koboltin sisäkkeestä 5 tapahtuvan ja raudan teräsrungosta 10 tapahtuvan keskinäisen diffuusion avulla suurlämpötila- ja suurpainesintrausvaiheiden aikana.

Keksintöä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (14)

72753

1. Kulumista kestävä teräs-kovakarbidiyhdistelmäkappale, joka sisältää 30-80 paino-% karbidiainetta, jonka koko on suurempi kuin 37 ^um, joka karbidiaine on kovakarbidi, joka koostuu volframikarbidista, titaanikarbidista, tantaalikarbi-dista, niobikarbidista, zirkoniumkarbidista, vanadiinikarbi-dista, hafniumkarbidista, molybdeenikarbidista, kromikarbi-dista, boorikarbidista, piikarbidistä, niiden seoksista, niiden jähmeistä liuoksista tai niiden sementoiduista yhdistelmistä, ja 20-70 paino-% matriisiainetta, joka koostuu teräksestä, teräksestä ja raudasta, teräksestä ja kuparista, tai teräksestä ja nikkelistä, tunnetta siitä, että karbidiaine on upotettu ja sidottu matriisiin puristus- ja jähmediffuu-siomenetelmillä, ja että karbidiaineen ja matriisin välillä on rajapinta, jonka paksuus on enintään 50 ^um.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kappale, tunnettu siitä, että rajapinnan paksuus on 0-40 ^um.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kappale, tunnettu siitä, että karbidiaine on sementoitu yhdistelmäaine, jossa on kobolttisideaine, ja että rajapinta sisältää rautaa ja kobolttia ja sen paksuus on 0-40 ^um.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kappale, tunnettu siitä, että sementoitu yhdistelmäaine sisältää volframikarbi-dia.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kappale, tunnettu siitä, että kovakarbidi on volframikarbidi.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kappale, tunnettu siitä, että se on muovattava huoneen lämpötilassa. 18 72753

7. Patenttivaatimuksen 1, 3 tai 5 mukainen kappale, tunnettu siitä, että teräs on seostettu teräs.

8. Patenttivaatimuksen 1, 3 tai 5 mukainen kappale, tunnettu siitä, että teräs on ruostumaton teräs.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kappale, tunnettu siitä, että karbidlaineessa on metallipinnoite, joka muodostaa sitkeän ja kiinnitarttuvan sidoksen karbidiai-neen ja matriisin välille.

10. Menetelmä kulumista kestävien teräs-kovakarbidiyhdis-telmäkappaleiden valmistamiseksi, tunnettu siitä, että 20-70 paino-% teräsmuovausjauheita sekoitetaan 30-80 paino-%:iin kovia karbidihiukkasia, joiden hiukkaskoko on välillä 8 mm-37 ^um, seoksen muodostamiseksi, seos kylmäpuristetaan puristetun esipuristeen valmistamiseksi, ja puristettu esipu-riste tiivistetään korkealämpötila- ja suurpainediffuusiosi-dos- ja sintrausprosessilla, ja että mainittu korkea lämpötila on teräksen sulamislämpötilan alapuolella.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä kulumista kestävien teräs-kovakarbidiyhdistelmäkappaleiden valmistamiseksi, tunnettu siitä, että kovakarbidihiukkaset pinnoitetaan metallipinnoitteella ennen sekoitusta teräsmuovausjauheisiin .

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä kulutusta kestävien teräskovakarbidiyhdistelmäkappaleiden valmistamiseksi, jolloin puristetun esipuristeen tiivistys suoritetaan diffuusiosidoksen avulla, tunnettu siitä, että puris- o tettu esipuriste sintrataan lämpötilassa yli 1038 C 3a alle teräksen jähmetyslämpötilan toisiinsa liittyneiden huokosten minimoimiseksi esipuristeessa, ja että esipuriste sen jälkeen kuumapuristetaan isostaattisesti paineessa yli 68,95 MPa ja lämpötilassa välillä 871°C ja teräksen sulamislämpötila. 72753

13. Patenttivaatimuksen 10, 11 tai 12 mukaisella menetelmällä valmistettu työkalu, joka käsittää työstöpään, jossa on kova kulumista kestävä, koboltilla sementoitu karbidisisä-ke, ja terästä sisältävän rungon, tunnettu siitä, että si-säke on jauhemetallurgisesti sidottu runkoon diffuusiovyöhyk-keellä, joka on muodostettu korkealämpötilasintrauksen aikana teräksen sulamispisteen alapuolella, ja että diffuusiovyöhyke sisältää rautaa ja kobolttia.

14. Patenttivaatimuksen 10, 11 tai 12 mukaisen menetelmän käyttö patenttivaatimuksen 13 mukaisen sementoidun karbidi-työkalun muodostamiseksi, tunnettu siitä, että ennalta mitoitettu, koboltilla sementoitu karbidisisäke upotetaan ennalta määrättyyn kohtaan teräsmuovausjauheseoksessa, jauhe tiivistetään sisäkkeen ympärille esipuristeen muodostamiseksi, ja kobolttia sisäkkeestä diffundoituu rautaan tiivistetystä teräsmuovijauheesta sisäkkeen vieressä korkeassa lämpötilassa teräksen sulamispisteen alapuolella, jolloin samanaikaisesti muodostuu suuren paineen alaisena metallurginen sidos sisäkkeen ja teräksen välille.