NL1016112C2 - Lichaam van gradueel hardmetaal zoals stansgereedschap en werkwijze voor het produceren daarvan. - Google Patents

Description

Titel: Lichaam van gradueel hardmetaal zoals stansgereedschap en werkwijze voor het produceren daarvan.

De uitvinding heeft betrekking op een lichaam van gradueel hardmetaal zoals 5 stansgereedschap en werkwijze voor het produceren daarvan. Volgens de uitvinding speelt de toepassing van op zichzelf bekende statische en dynamische verdichtingstechnieken voor de vervaardiging van nieuwe lichamen van hardmetaal zoals gereedschap met een hard eerste uiteinde en een taai tweede uiteinde, bijvoorbeeld snij- en vormgereedschap zoals stansgereedschap, een essentiële rol. 10 Alvorens de uitvinding in detail te bespreken volgt eerst een toelichting betreffende de in deze beschrijving en conclusies gebruikte termen respectievelijk de volgens de onderhavige uitvinding toegepaste technieken.

Lichamen van hardmetaal 15

Onder lichamen van hardmetaal worden producten verstaan die een harde verbinding zoals een metaalcarbide en een metallisch bindmiddel bevatten, en die aan sintering of hot isostatic pressing zijn onderworpen. Hun relatief grote hoeveelheid carbide maakt het hardmetaal stijf, hard en slijtvast. Het bindmiddel geeft het geheel de nodige 20 taaiheid en sterkte.

In de onderhavige beschrijving en conclusies wordt de harde verbinding aangeduid met A en het metallische bindmiddel met B.

De harde verbindingen A zijn bijvoorbeeld carbiden, boriden, nitriden en diamant.

25 De harde verbindingen A hebben de volgende eigenschappen: hoge hardheid, geringe taaiheid, grote druksterkte, lage treksterkte en een hoog smeltpunt. Daarnaast zijn ze niet of zeer weinig ferromagnetisch. Wolfraamcarbide is de meest toegepaste harde metallische verbinding in hardmetalen producten.

De taaie verbindingen B zijn bijvoorbeeld metalen zoals Co, Cr, Ni, Fe (roestvast 30 staal) en legeringen daarvan.

Over hardmetalen producten, de methoden voor de vervaardiging daarvan met inbegrip van sintering en hot isostatic pressing is in de algemeen technische literatuur en in de octrooiliteratuur veel informatie te vinden. Voor een algemeen overzicht over mifii 12 I 1 2 "cemented carbides" kan worden verwezen naar het ASM Metals Handbook, 9e editie, Vol. 16, "Machining", blz. 71-83, gepubliceerd in 1989. De inhoud van deze publicatie dient hier als ingelast te worden beschouwd.

Voor de productie, eigenschappen en testmethoden van hardmetalen producten op 5 basis van wolfraamcarbide kan voorts worden verwezen naar het boek Cemented Tungsten Carbides, Production, Properties, and Testing, 1998, van Gopal S. Upad-hyaya, uitgegeven door Noyes Publications, U.S.A.. Hierbij wordt in het bijzonder verwezen naar de informatie over sintering en hot isostatic pressing (HIP) met inbegrip van sinter HIP. De desbetreffende tekst van blz. 110-130 van deze publicatie van 10 Upadhyaya dient als hier ingelast te worden beschouwd.

Statische en dynamische verdichtingstechnieken

Statische en dynamische verdichtingstechnieken zijn op zichzelf bekend voor de 15 verdichting (compactie) van poedervormige materialen.

Statische verdichtingstechnieken, die in het kader van de onderhavige uitvinding kunnen worden toegepast, zijn derhalve algemeen bekend en lijken geen nadere toelichting te behoeven. Voor een overzicht van statische verdichtingstechnieken, die in het kader van de onderhavige uitvinding een rol (kunnen) spelen, kan worden verwezen 20 naar J.S. Reeds Principles of ceramic processing, 2 ed., J. Wiley & Sons, New York (1995).

Voor dynamische verdichtingstechnieken, die in het kader van de onderhavige uitvinding een rol (kunnen) spelen, kan worden verwezen naar de publicatie "The Dynamic Compaction of Powdered Materials" van S. Clyens en W. Johnson in Materials 25 Science and Engineering, 30 (1977) 121-139. In deze publicatie worden vier hoofdgebieden aangegeven, waarbij verdichting van poeder (powder compaction processes) wordt toegepast: de poedermetallurgie-, brandstof-, keramische en farmaceutische industrie. Met betrekking tot deze industrieën wordt het volgende vermeld: "Powder metallurgy fabrication techniques have been developed for three principal reasons. 30 Firstly, because for some components and materials established methods of forming are not suitable, e.g., refractory metals have long been fabricated by powder metallurgy because of the difficulties encountered in melting and casting. Secondly, in some cases powder metallurgy processes are more economical; many iron-base alloys are fabri- 1n1R1 3 cated from powders into finished components because the savings in materials and machining make it worthwhile. Thirdly, the greater control of both grain size and component distribution afforded by the processes often results in a more homogeneous metallurgical structure.

5 For many years the ceramic industry has employed compaction techniques to form dry- or slightly moist ceramic powders into a wide range of products. The drypressing technique has two main advantages; unlike the wet-forming methods, dry pressing may be fully automated with high rates of production and one operator may take charge of several presses. Also, as the powder is pressed dry, the expense of filter 10 pressing and drying is avoided, so that dimensional tolerances to better than 1% in the fired product may be achieved.

The pharmaceutical industry employs powder compaction processes to form medicinal powders into tablets. Tabletting has been used mainly as a convenient and simple form of dosage and there are now few countries in which tablets are not manu-15 factured.

In the fuel industries many processes lead to the production of powdered fuels which cannot be handled conveniently or re-used. Such powders have often been disposed of as waste representing an economic loss to industry and, in some instances, a major cause of pollution. Compaction processes have been used to form these powders 20 into briquettes which may be handled easily and used again.".

Opgemerkt wordt dat bovenstaande informatie geen betrekking heeft op relatief sterke verdichting. De compactietechniek die in de keramische industrie wordt toegepast betreft bijvoorbeeld het voorpersen van keramische poeders alvorens ze gesinterd worden, zodat de "dimensionele tolerantie beter dan 1% is". Het gaat hier in feite om 25 een verdichting die als mogelijke voorverdichting (niet verplicht) bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt toegepast, zoals verderop nader wordt beschreven.

De publicatie van Clyens et al. besteed na de inleiding van de in 1977 conventionele statische verdichtingsmethoden aandacht aan de dynamische verdichtingsme-thoden. Over het verschil met de tot dan toe gebruikelijke verdichtingsmethoden wordt 30 gezegd: "These methods differ from the more conventional consolidation techniques in respect of the compacting pressure and the speed or rate of compaction used. There is now some evidence to suggest that increasing the rate of compaction results in a more uniform density distribution, improved green strength, and in the case of die com- 10161 12 é 1 4 paction, lower compact ejection forces.". In de zin die loopt van biz. 121 naar biz. 122 wordt het volgende gezegd: "In the powder metallurgy and ceramic industries efforts have concentrated mainly upon developing methods capable of producing high-density components of complex shape or large, semi-finished articles, whereas, in the pharma-5 ceutical and fuel industry, interest has concentrated upon increasing production rates.".

De verdichting (compaction) waarvan sprake is in de hierboven genoemde literatuur brengt uiteraard een vermindering van de porositeit met zich mee. Dit betekent dat het poriënvolume wordt verminderd en dus de dichtheid toeneemt. In de onderhavige context - ook die van de verderop besproken uitvinding - wordt de dichtheid niet 10 als absolute waarde (in g/cm3) weergegeven, maar als relatieve dichtheid (RD) ten opzichte van de dichtheid van de vaste stof zonder poriën, ofwel de Theoretisch Maximale Dichtheid (TMD) van de stof. Het is duidelijk dat bij de hierboven besproken bekende compactie op het gebied van de hardmetaalproductie een relatief geringe verdichting plaatsvindt, waarbij de RD van de desbetreffende materialen nimmer wordt 15 verhoogd tot een waarde die ligt boven ongeveer 65% TMD, hetgeen de deskundigen onmiddellijk duidelijk zal zijn.

Voor de dynamische verdichtingstechnieken en de daaraan ten grondslag liggende mechanismen wordt verwezen naar de genoemde publicatie van Clyens et al., waarvan de inhoud als hier ingelast dient te worden beschouwd.

20

Het aan de onderhavige uitvinding ten grondslag liggende probleem

Zoals in de eerste alinea van deze beschrijving is aangegeven, betreft de uitvinding lichamen van gradueel hardmetaal en de productie daarvan. Het aan de 25 onderhavige uitvinding ten grondslag liggende probleem wordt toegelicht aan de hand van stansgereedschap, maar vergelijkbare problemen worden ondervonden bij allerlei werktuigen die uit hardmetaal zijn vervaardigd en die op verschillende locaties verschillende mechanische eigenschappen (moeten) bezitten.

Stansgereedschap dient aan de stanskant hard (slijtvast) te zijn, en aan de terug-30 stootkant slagvast (taai). Tot dusver zijn deze eigenschappen niet te combineren binnen één materiaal zodat stansgereedschap in het algemeen uit twee materialen wordt opgebouwd. De terugstootkant is in het algemeen van snelstaal (een slijtvaste staalsoort) terwijl de stanskant uit hardmetaal (wolfraamcarbide met kobalt, WC/Co) bestaat. Deze 1016112 5 materialen worden mechanisch aan elkaar verbonden. Hierdoor komt er gedurende het gebruik van het gereedschap speling in de verbinding, hetgeen tot een vermindering van de productkwaliteit leidt. Dit beperkt de stanstijd van het stansgereedschap (zoals stansstempels) waardoor dit gereedschap vroegtijdig moet worden vervangen hetgeen 5 kostenverhogend werkt en waardoor het productieproces veelvuldig moet worden onderbroken. Daarom zou het gewenst zijn over stansgereedschap te beschikken, dat geheel uit hardmetaal is opgebouwd, maar waarin door het graduele verloop van de samenstelling er toch een slagvaste (taaie) kant en een slijtvaste (harde) stanskant is. Met betrekking tot dit probleem wordt bijvoorbeeld verwezen naar de Amerikaanse 10 octrooischriften 4.820.482 en 5.543.235.

Zo wordt in het Amerikaanse octrooischrift 4.820.482 in de inleiding beschreven dat tijdens het sinteren van lichamen van hardmetaal diffusie van de bindmiddelfase plaatsvindt hetgeen leidt tot gesinterde lichamen met een nagenoeg uniforme bindmiddelfase. Ook wordt de techniek besproken waarbij uitgangsmaterialen met verschil-15 lende deeltjesgrootten worden gebruikt of waarbij het hardmetalen lichaam is onderverdeeld in zones met verschillende deeltjesgrootten. Ook die technieken falen om op gecontroleerde wijze lichamen met enerzijds slagvaste locaties en anderzijds slijtvaste locatie te produceren. In dit octrooischrift wordt een oplossing gegeven voor dit probleem door toepassing van "carburizing" van het gesinterde lichaam in een zodanige 20 mate dat daarbij de zogeheten eta-fase volledig te verwijderen. Daarbij ontstaat een lichaam met twee zones: een kern met een relatief hoog gehalte bindmiddel en een op-pervlaktezone met een relatief laag gehalte bindmiddel (en mogelijk kleine hoeveelheden vrij grafiet). Bij deze techniek kan weliswaar een lichaam worden verkregen waarvan de kern andere eigenschappen heeft dan het oppervlak, maar lichamen met een 25 slagvaste kant en een harde stanskant, waarin een geleidelijke overgang van het bind-middelgehalte aanwezig is, kunnen volgens deze techniek niet worden vervaardigd.

Van recentere datum (1996) is het bovengenoemde Amerikaanse octrooischrift 5.543.235, waarin "multiple grade" producten van hardmetaal en een werkwijze voor het vervaardigen daarvan worden beschreven. Ook in de inleiding van dit octrooischrift 30 (kolom 1, regels 56-64) wordt melding gemaakt van "cemented carbide articles are invariably fabricated having a substantially uniform composition and microstructure.... and substantially uniform properties throughout the volume of the article. Many such substantially homogeneous compositions exist in the prior art.". Volgens dit Ameri- 1 n 1 1 9 ' 4 6 kaanse octrooischrift worden de uitgangsmaterialen voor het hardmetalen lichaam in een mal gebracht, die in verschillende compartimenten kan worden onderverdeeld, waarbij de scheidingsschotten van die compartimenten kunnen worden verwijderd. De compartimenten worden met verschillende mengsels gevuld, waarna de scheidings-5 schotten worden verwijderd en het poeder wordt samengeperst tot een "single compact" met de gewenste vorm. Hierna wordt gesinterd.

Het probleem komt ook aan de orde in het recente (1998) bovengenoemde boek Cemented Tungsten Carbides van G. Upadhyaya, in het bijzonder biz. 365/366, waar onder "Functionally Graded Cemented Carbides" het volgende wordt vermeld: "Com-10 position gradient cemented carbide tools are expected to offer a number of advantages for specific engineering applications. For example, a tough bulk and a hard surface would be interesting in the case of cutting picks used in the mining industry, which are subjected to shocks.

The first attempt to study a model of such a type of structure was done'by Cooper 15 et al. in order to explain the migration of cobalt from the coarse grained to fine grained layers of a hardmetal composite. The driving force for migration was the higher capillary forces existing in the fine grained layer during liquid phase sintering.

Coling et al. investigated multilayer graded structures in WC-Co cemented carbides with cobalt content varying from 10-30 wt% from one side of the structure to the 20 other, prepared by solid state or liquid phase sintering routes. In the case of solid state sintering, the graded structure remained after sintering, as there was no risk of homogenization during such sintering. In the case of liquid phase sintering, the sintering time had to be much shorter because densification occurred much faster with the liquid phase. This required precise control of sintering time, which had to be as short as 25 possible in order to avoid homogenization of the structure. In the former case, to obtain dense material, post-sintering HIP treatment became necessary.".

Volgens de uitvinding wordt het probleem van ongewenst massatransport, leidend tot homogenisatie, opgelost doordat een methode wordt verschaft die het mogelijk maakt lichamen te produceren die nagenoeg geheel uit hardmetaal bestaan 30 met een ondergeschikte hoeveelheid bindmiddel waarin de samenstelling van A en B een gradueel verloop heeft.

l n 1K11 o .

7

De uitvinding betreft derhalve een werkwijze voor het produceren van een lichaam van hardmetaal bestaande uit een harde verbinding A en een bindmiddel B, waarbij men gekozen hoeveelheden poedervormig A en B of een al dan niet voorver-5 dicht voorwerp dat A en B in gekozen hoeveelheden bevat, in een houder brengt en het A en B bevattende materiaal onderwerpt aan verdichting in een of meer stappen ter verhoging van de relatieve dichtheid (RD) tot een waarde die ligt boven 70% van de Theoretisch Maximale Dichtheid (TMD) onder 10 vorming van een lichaam van hardmetaal, waarin enerzijds ten minste een zone (Za) met een relatief grote hoeveelheid B en anderzijds ten minste een zone (Zb) met een relatief kleine hoeveelheid B aanwezig zijn en de hoeveelheid B van ten minste een zone Za gradueel naar ten min-15 ste een zone Zb afneemt, waarna men dit lichaam eventueel onderwerpt aan sintering, hot isostatic pressing (HIP) of sinter-HIP.

Wanneer in de onderhavige beschrijving en conclusies wordt gesproken over "verdichting" (compactie), dan wordt hiermee niet bedoeld de verdichting (consolida-20 tie) die optreedt bij een temperatuurbehandeling zoals sintering, HIP of sinter-HIP.

De werkwijze volgens de uitvinding maakt het mogelijk B op een gewenste en gecontroleerde wijze te immobiliseren ten opzichte van A. Met immobilisatie van B ten opzichte van A wordt bedoeld dat geen volledig of nagenoeg geen massatransport van B optreedt tijdens het sinteren of hot isostatic pressing (HIP). Aan de uitvinding ligt het 25 inzicht ten grondslag dat die gewenste immobilisatie van B, dat wil zeggen het niet volledig optreden van massatransport tijdens sintering of HIP, tot stand kan worden gebracht door het poriënvolume van het poedervormige uitgangsmateriaal A en B tot een geschikte waarde te verminderen. Deze vermindering van het poriënvolume gaat verder dan de uit de stand van de techniek bekende voorverdichting, die vooraf gaat aan 30 sintering of HIP van voorproducten. Zoals boven reeds is vermeld ligt de voorverdichting volgens de stand van de techniek in de ordegrootte van maximaal 65% TMD.

1016112 8 *

Om de gewenste immobilisatie van B tijdens sintering of HIP te verkrijgen dient men bij voorkeur een verdichting van het uitgangsmateriaal boven 80% TMD, in het bijzonder boven 90% TMD, te bewerkstelligen.

Hoe sterker de verdichting, des te geringer het transport van B bij sinteren of HIP 5 is. Via het T,t-effect kan het transport respectievelijk immobilisatie van bindmiddel B worden geregeld. Een grote verdichting (zelfs tot 100% TMD) verzekert een zeer aanzienlijke of zelfs volledige immobilisatie van B ten opzichte van A volgens de uitvinding indien het verdichte product wordt onderworpen aan sintering of HIP. Zo zal een te lange sintertijd en/of een te hoge sintertemperatuur toch (uiteindelijk) tot een 10 hardmetaal met een homogene samenstelling leiden. Daarentegen zal een te korte sintertijd en/of te lage temperatuur een onvoldoende diffusie van B teweegbrengen waardoor de (te) steile B-gradiënt blijft bestaan in het eindproduct.

Het probleem van de conventionele hardmetaalproductie is dat de T,t-combinatie die benodigd is voor het verwijderen van de porositeit (een eerste vereiste voor sterke 15 producten) reeds een homogenisatie van het bindmiddel B teweeg brengt. De verdichting volgens de uitvinding maakt het mogelijk gradueel hardmetaal dicht te sinteren voordat homogenisatie in grote mate of volledig optreedt.

Aan de korrelgrootten van A en B worden bij.de werkwijze volgens de uitvinding geen bijzondere eisen gesteld. Hierbij kan worden verwezen naar de waarden voor de 20 korrelgrootten zoals die bij de conventionele hardmetaalproductie worden toegepast.

De verdichting volgens de uitvinding kan in één keer of in diverse stappen worden uitgevoerd. Het is vaak doelmatig het poeder van A en B, dat op gecontroleerde wijze in een houder wordt gebracht, aan een voorverdichting te onderwerpen, waardoor de daaropvolgende eindverdichtingsstap of -stappen effectiever zijn. Derhalve betreft 25 de uitvinding volgens een voorkeursuitvoeringsvorm een werkwijze zoals hierboven omschreven, waarbij men de verdichting in twee stappen uitvoert: a) een eerste verdichting (voorverdichting) ter verhoging van de RD tot een waarde van maximaal 70% TMD; b) een tweede verdichting waarbij de RD van het voorverdichte poeder of voorwerp van stap a) verder wordt verhoogd tot een waarde boven 70% TMD, bij voorkeur boven 80% TMD, in het bijzonder tot boven 90% TMD.

De werkwijze volgens de uitvinding maakt het mogelijk dat mechanische bindingen, die in werktuigen zoals stansgereedschap vaak worden toegepast, kunnen worden 10 16112 9 geëlimineerd omdat volgens de uitvinding werktuigen kunnen worden vervaardigd die geheel uit hardmetaal (met een variërend percentage bindmiddel) zijn opgebouwd. Doordat de samenstelling van A en B gradueel verloopt is er toch een slagvaste (taaie) kant en een slijtvaste (harde) stanskant. Derhalve betreft de uitvinding eveneens een 5 werkwijze zoals hierboven beschreven, waarbij men verschillende mengsels van A en B in twee of meer zones van de houder brengt, waarbij de gewichtsverhouding A:B in de twee of meer zones verschillende waarden hebben.

Voor bijvoorbeeld de vervaardiging van stansgereedschap wordt volgens de uitvinding een werkwijze toegepast, waarbij de houder een langwerpige vorm heeft en 10 men de houder zodanig vult met verschillende mengsels van A en B dat de hoeveelheid bindmiddel aan het ene uiteinde van de vorm H kleiner is dan aan het andere uiteinde van de vorm T. Mogelijke uitvoeringsvormen worden verderop in deze beschrijving aan de hand van tekeningen nader toegelicht.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding zal dus in het algemeen gebruik worden 15 gemaakt van variërende hoeveelheden A en B, waarbij de hoeveelheid B aan het harde uiteinde uiteraard klein is en de hoeveelheid B aan het taaie uiteinde relatief hoog. Daarbij verdient het de voorkeur dat de hoeveelheid B aan uiteinde H van de vorm tenminste 1 gew.%, en de hoeveelheid B aan het uiteinde T van de vorm maximaal 50 gew.% bedraagt, waarbij de hoeveelheid betrokken zijn op het gewicht van het totale 20 mengsel. De uitvinding maakt het mogelijk de gewichtshoeveelheid B van uiteinde H naar uiteinde T gradueel te laten toenemen. Indien in deze beschrijving wordt gesproken van "uiteinde H" en "uiteinde T", wordt eveneens zone Zb respectievelijk zone Za bedoeld. Door keuze van de "geometrie" van de uitgangsmaterialen (rangschikking) kunnen voorwerpen met allerlei denkbare zones van harde en taaie gebieden worden 25 ingesteld, ook "binnen" in de voorwerpen.

Als uitgangsmaterialen A en B komen de bekende harde verbindingen enerzijds en de bekende metallische bindmiddelen anderzijds in aanmerking. Hierbij wordt verwezen naar de literatuur die in de inleiding van deze beschrijving genoemd is. Bij voorkeur wordt A gekozen uit de groep bestaande uit diamant of carbiden zoals SiC, 30 WC, TiC, TaC, NbC, ZrC, HfC, Cr3C2, M02C, nitriden zoals TiN, HfN en BN en bori-den zoals TiB2 en ZrB2, in het bijzonder wolfraamcarbide, en B wordt gekozen uit de groep bestaande uit de metalen Co, Cr, Ni, Fe (bijvoorbeeld roestvast staal) en legeringen hiervan, in het bijzonder kobalt.

1016Π2 10

De verdichting volgens de uitvinding wordt bij voorkeur uitgevoerd bij een temperatuur waarbij geen massatransport van de ene component in de andere component optreedt, dat wil zeggen dat zowel diffusie van B als A wordt vermeden. Dit houdt in dat men geen bijzondere maatregelen betreffende de temperatuur hoeft te nemen. Bij 5 voorkeur wordt bij omgevingstemperatuur gewerkt. Dit draagt bij aan een eenvoudige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding.

Het zal duidelijk zijn dat de poriënvolumevermindering van poedervormig A en B de kern van de onderhavige uitvinding vormt. Deze poriënvolumevermindering kan worden gerealiseerd volgens op zichzelf bekende methoden. Bij de werkwijze volgens 10 de uitvinding maakt men voor de verdichting in het algemeen gebruik van statische of dynamische verdichtingstechnieken, bij voorkeur (iso)dynamische verdichtingstechnie-ken zoals pneumomechanische uniaxiale compactie, ballistische compactie, explosieve compactie met inbegrip van schok(golf)verdichting ("shock compaction") en magnetische compactie. Voor de verdichtingstechnieken wordt verwezen naar de informatie en 15 literatuur die in de inleiding van deze beschrijving gegeven worden.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op hardmetalen lichamen, die volgens de hierboven vermelde werkwijzen volgens de uitvinding verkrijgbaar zijn, alsmede lichamen van hardmetaal omvattende een harde verbinding A en een bindmiddel B waarbij over een dwarsdoorsnede van het lichaam de gewichtsverhouding A:B veran-20 dert teneinde verschillende mechanische eigenschappen zoals enerzijds taaiheid in tenminste een zone Za of aan tenminste één uiteinde (T) en anderzijds hardheid in ten minste een zone Zb of aan tenminste één ander uiteinde (H) aan dat lichaam te verlenen, waarbij de verandering van de verhouding A:B gradueel is.

De uitvinding betreft voorts de toepassing van dynamische verdichtingstechnie-25 ken zoals genoemd in conclusie 10 voor de vervaardiging van uit één deel bestaande -lichamen van hardmetaal met tenminste één harde zone (Zb) of hard uiteinde (H) en tenminste één taaie zone (Za) of taai uiteinde (T). Het is niet bekend uit de stand van de techniek om verdichtingstechnieken zoals hierboven genoemd toe te passen voor de sterke poriënvolumevermindering volgens de uitvinding (dat wil zeggen tot boven 70% 30 TMD) van poedervormige mengsels of materialen die dienen als uitgangsmateriaal voor lichamen van hardmetaal.

Een belangrijk toepassingsgebied van lichamen volgens de uitvinding is stansge-reedschap.

1016112 I

11

Voorbeelden van graduele uitvoeringsvormen volgens de uitvinding zijn weergegeven in de figuren 1-4.

In de figuren zijn de concentratieverschillen van de componenten A en B door grijstinten weergegeven. Daarbij betekent wit een relatief lage hoeveelheid harde ver-5 binding (relatief veel bindmiddel) en zwart een relatief grote hoeveelheid harde verbinding (relatief weinig bindmiddel) betekent.

In figuur 1 is te zien dat door de zeer steile concentratiegradiënt in het persvlak na voorverdichting (midden tussen T en H) bij HIP nog wel (enig) transport van B optreedt, hetgeen de gradiënt in concentratie van B afvlakt en spontaan een gradueel 10 hardmetaal wordt gevormd.

In de figuren 2-4, waarbij telkens uitgegaan wordt van een andere rangschikking van A en B, blijkt dat een flauwe gradiënt te weinig drijvende kracht voor diffusie van B oplevert, waardoor de graduele samenstelling tijdens HIP behouden blijft.

Uit de bovenstaande voorbeelden blijkt dus duidelijk dat graduele patronen van 15 velerlei type kunnen worden ingesteld.

Voorbeelden

Volgens deze voorbeelden wordt hardmetaal vervaardigd uit een grote fractie 20 wolfraamcarbide en een kleine fractie kobalt. Als uitgangsmaterialen worden het bij deskundigen bekende materiaal Grade 8 en WC/Co 70/30 met respectievelijk 8 en 30m% Co. Om gradueel hardmetaal te maken worden deze uitgangsstoffen in verschillende verhoudingen met elkaar gemengd, zoals weergegeven in onderstaande tabel; zie ook de "stapelwijze" in Fig. 5..

Fractie Fractie Co-fractie Hardheid eind- TMD mengsel

Grade 8 WC/Co 70/30 in mengsel product [GPa] [g/cm3] ÏÖÖ Ö 8 Ï25Ö 14,74 75 25 Ï33 Ï12Ö Ï4/8 50 50 19 ÏÖIÖ 13^67 25 75 24/5 900 Ï3J9 Ö ÏÖÖ 3Ö 8ÏÖ 12/74 25 1016112 12 *

De in bovenstaande tabel aangegeven samenstellingen (poedercompacts) worden voorverdicht tot ongeveer 50% TMD door middel van koud uni-axiaal persen. Dit voorpersen wordt uitgevoerd met behulp van een buis van roestvast staal met een binnendiameter van 20 mm en een wanddikte van 1,5 mm, die eenzijdig wordt 5 afgesloten met een stop van roestvast staal (zie ook figuur 5, die hieronder nader wordt besproken). De onderste helft van de buis wordt vervolgens telkens gevuld met een hardmetaal poeder in de WC/Co massaverhouding zoals aangegeven in bovenstaande tabel. De bovenste helft van de buis wordt gevuld met hardmetaal poeder met een Co-fractie zoals aangegeven in bovenstaande tabel. Het poeder wordt steeds na het 10 aanbrengen van een geringe hoeveelheid poeder uni-axiaal aangeperst met een druk van ongeveer 100 MPa. Na dit vul- en voorverdichtingsproces wordt de buis bovenaan afgesloten met een stop van roestvast staal.

Een alternatieve uitvoering van het voorverdichten van het poeder is gebruik te maken van een Cold Isostatic Press (CIP). Hierbij wordt het poeder (of de verschillende 15 poedermengsels) in een cilindervormige rubberen houder gestort, waarna de houder met een eveneens rubberen stop wordt afgesloten. De het poeder bevattende houder wordt in de met vloeistof gevulde CIP geplaatst, waarna de CIP hermetisch wordt afgesloten. Via een pomp wordt de vloeistof op druk (3000 bar) gezet, waarbij het poeder in de rubberen houder isostatisch wordt voorverdicht. Met deze methode is een 20 begindichtheid van het poeder van 64% TMD bereikt. Na verwijdering van het cilindervormige poedercompact uit de rubberen houder wordt het omwikkeld met een metaalfolie (koperfolie met een dikte van 0,1 mm), waardoor de diameter van het compact kan worden aangepast op de binnendiameter van een net iets grotere metalen buis. De buis wordt vervolgens weer aan beide uiteinden afgesloten met metalen 25 stoppen.

Dynamische verdichting

Voor het dynamisch (explosief) verdichten van het poeder wordt de buis gecentreerd vastgelijmd in een PVC-cilinder met een lengte van 175 mm, een binnendiameter van 76 mm en een wanddikte van 4 mm. De tussenliggende 30 overgebleven ruimte wordt gevuld met een springstofpoeder op ammoniumnitraatbasis. De detonatiesnelheid van de springstofpoeder bedraag 3,6 km/s. Bij het detoneren van de springstof wordt de metalen buis (hoofdzakelijk) in diameter gereduceerd, daarmee het hardmetaalpoeder verdicht tot een relatieve dichtheid van ongeveer 90% TMD. Een mifii 1? 13 schematische weergave van een dergelijke opstelling voor het explosief verdichten is weergegeven in figuur 5, waarin de verwijzingscijfers de volgende betekenis hebben: 1. = detonator; 2. = poederexplosief; 5 3. = PVC-buis; 4. = metalen buis; 5. = hardmetaalpoeder; 6. = metalen stop; 7. = ondergrond.

In 1«1 io

Claims (14)

1. Werkwijze voor het produceren van een lichaam van hardmetaal bestaande uit een harde verbinding A en een bindmiddel B, 5 waarbij men gekozen hoeveelheden poedervormig A en B of een al dan niet voorverdicht voorwerp dat A en B in gekozen hoeveelheden bevat, in een houder brengt en het A en B bevattende materiaal onderwerpt aan verdichting in een of meer 10 stappen ter verhoging van de relatieve dichtheid (RD) tot een waarde die ligt boven 70% van de Theoretisch Maximale Dichtheid (TMD) onder vorming van een lichaam van hardmetaal, waarin enerzijds ten minste een zone (Za) met een relatief grote hoeveelheid B en anderzijds ten minste een zone (Zb) met een relatief kleine hoe-15 veelheid B aanwezig zijn en de hoeveelheid B van ten minste een zone Za gradueel naar ten minste een zone Zb afneemt, waarna men dit lichaam eventueel onderwerpt aan sintering, hot isostatic pressing (HIP) of sinter-HIP.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij men het A en B bevattende materiaal ver dicht tot een RD-waarde boven 80% TMD, bij voorkeur boven 90% TMD.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij men de verdichting in twee stappen uitvoert: a) een eerste verdichting (voorverdichting) ter verhoging van de RD tot een waarde van maximaal 70% TMD; b) een tweede verdichting waarbij de RD van het voorverdichte poeder of voorwerp van stap a) verder wordt verhoogd tot een waarde boven 70% TMD, bij voorkeur boven 80% TMD, in het bijzonder tot boven 90% TMD.

4. Werkwijze volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij men verschil-25 lende mengsels van A en B in twee of meer zones van de houder brengt, waarbij de gewichtsverhouding A:B in de twee of meer zones verschillende waarden hebben.

5. Werkwijze volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij de houder een langwerpige vorm heeft en men de houder zodanig vult met verschillende mengsels 1016112 t t van A en B dat de hoeveelheid bindmiddel aan het ene uiteinde van de vorm (H) kleiner is dan aan het andere uiteinde van de vorm (T).

6. Werkwijze volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij de hoeveelheid B in Zone Zb tenminste 1 gew.%, en de hoeveelheid B in zone Za maximaal 50 5 gew.% bedraagt, waarbij de hoeveelheid betrokken zijn op het gewicht van het totale mengsel.

7. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de gewichtshoe-veelheid B gradueel van zone Zb naar zone Za al dan niet gradueel toeneemt.

8. Werkwijze volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij A wordt geko-10 zen uit de groep bestaande uit diamant of carbiden zoals SiC, WC, TiC, TaC, NbC, ZrC, HfC, Cr3C2, M02C, nitriden zoals TiN, HfN en BN en boriden zoals T1B2 en ZrB2, bij voorkeur wolfraamcarbide, en waarbij B wordt gekozen uit de groep bestaande uit de metalen Co, Cr, Ni, Fe (bijvoorbeeld roestvast staal) en legeringen hiervan, bij voorkeur kobalt.

9. Werkwijze volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij men de ver dichting uitvoert bij een temperatuur waarbij geen of nagenoeg geen massatransport van B of A optreedt, bij voorkeur omgevingstemperatuur.

10. Werkwijze volgens een of meer der voorgaande conclusies, waarbij men voor de verdichting gebruik maakt van statische of (iso)dynamische verdichtingstechnieken, 20 bij voorkeur dynamische verdichtingstechnieken zoals pneumomechanische uniaxiale compactie; ballistische compactie; explosieve compactie met inbegrip van schok(golf)verdichting ("shock compaction") en 25 magnetische compactie.

11. Lichaam verkrijgbaar volgens de werkwijze van een of meer der voorgaande conclusies.

12. Lichaam van hardmetaal omvattende een harde verbinding A en een bindmiddel B waarbij over een dwarsdoorsnede van het lichaam de gewichtsverhouding A:B ver- 30 andert teneinde verschillende mechanische eigenschappen zoals enerzijds taaiheid in tenminste een zone Za of aan tenminste één uiteinde (T) en anderzijds hardheid in ten minste een zone Zb of aan tenminste één ander uiteinde (H) aan dat lichaam te verlenen, waarbij de verandering van de verhouding A:B gradueel is. 1016112 » *

13. Lichaam van hardmetaal volgens conclusie 11 of 12, omvattende stansgereedschap.

14. Toepassing van dynamische verdichtingstechnieken zoals genoemd in conclusie 10 voor de vervaardiging van uit één deel bestaande lichamen met tenminste één harde zone (Zb) of hard uiteinde (H) en tenminste één taaie zone (Za) of taai uiteinde (T). 1016112