WO1990007017A1 - Hartmetallverbundkörper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Hartmetallverbundkörper und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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    • C22C49/14—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments

Definitions

  • the invention relates to a hard metal composite body consisting of hard material phases such as tungsten carbide and / or carbides or nitrides or elements of the IVa or Va group of the periodic table, of reinforcing materials and of a binder metal phase such as cobalt and / or iron and / or nickel . Furthermore, the invention relates to a method for producing a hard metal composite material by powder metallurgy.
  • the single crystals known in principle from the prior art have excellent mechanical properties, such as great tensile and shear strength.
  • DE-PS 259249 describes a sintered hard metal consisting of hard materials and binders, which hard materials in the form of needle-shaped single crystals in an amount of at least 0.1%, preferably 0.5 to 1.5% of the contains total hard material.
  • WC in the form of acicular single crystals is added to the hard material before grinding, after the addition of a binding metal to the iron group, the hard metal batch is pressed and sintered to form a liquid phase.
  • the monocrystalline WC portion largely dissolves in the binding phase (cf. DE-Z "Metall", July 1974, issue 7).
  • the proposed hard single crystals do not suffice to obtain a noticeable improvement in the wear properties, in particular also not because only as many hard single crystals should be added until the hard grain fraction (grains with an average diameter below 2 ⁇ m) is replaced. It is an object of the present invention to provide a hard metal composite body which, compared to the previously known hard metal composite bodies, has a higher toughness resistance, greater hardness, even when the hard metal composite body is subjected to high thermal loads, and less susceptibility to breakage. It is also an object of the present invention to provide a method for producing such a hard metal composite body.
  • EP-0067584 B1 describes a process for producing a composite material from a metallic, ceramic glass or plastic base material and therein substantially homogeneously and uniformly distributed deagglomerated silicon carbide whiskers for reinforcing the base material, in which silicon carbide whiskers are used in a polar solvent stirring to form a slurry and then grinding the slurry to form a slurry of deagglomerated silicon carbide whiskers, mixing the slurry therefrom with a base material to form a homogeneous mixture, then drying and shaping into a blank.
  • composite materials are known from EP-0213615 A2, in which silicon carbide and silicon nitride whiskers are contained in a metal matrix.
  • a particular advantage of an inert whisker coating is, however, that a targeted strength of the bond with the matrix can be set.
  • the storage of coated whiskers leads to an increase in hardness with a simultaneous increase in toughness, even under high-temperature loads, such as those e.g. take place at Schneidtechnik ⁇ . This is advantageously also achieved in the case of hard metals which have a low binder content (less than 8% by volume).
  • the inert coating has a certain protective function for the coated single crystals, i.e. the single crystals cannot be dissolved in the binder; in particular, WC single crystals can be used for the first time in a proportion which is effective in relation to the hard metal composition.
  • the part of the task relating to the method known from the prior art is achieved by the features specified in claim 11, in particular with contents of up to 20 volume -3.
  • the normal sintering process, the combined sintering / HIP process or the sintering with a subsequent hot isostatic pressing in a separate plant and, in the case of higher reinforcing material contents, the hot pressing is preferred.
  • the production of whisker hard metal composites is basically based on known powder metallurgical process steps.
  • the reinforcing materials whiskers, platelets
  • the reinforcing materials are first prepared, deagglomerated and classified and preferably coated using a CVD or PVD process before they are subjected to the further process steps.
  • the hard metal composite material according to the invention has greater hardness and higher strength values than composite materials known from the prior art.
  • the toughness resilience is higher with a reduced risk of breakage, without having to set higher binding contents.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkörper aus Hartstoff, einem Bindemittel und eingelagertem Verstärkungsmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallverbundkörpers auf pulvermetallurgischem Weg. Um einen Hartmetallverbundkörper mit einer höheren Zähigkeitsbelastbarkeit, größeren Härte und einer geringeren Bruchanfälligkeit zu erhalten, wird vorgeschlagen, einkristalline, vorzugsweise mit einer gegenüber der Bindemetallphase inerten Beschichtung versehene nadel- und/oder plättchenförmige Verstärkungsmaterialien aus Boriden und/oder Carbiden, und/oder Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente der Gruppe IVa oder Va oder Mischungen hiervon und/oder beschichtetes einkristallines Verstärkungsmaterial aus SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2, AlN und/oder BN einzubauen. Der Hartmetallverbundkörper wird auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, wobei das Verstärkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form ggf. mittels CVD oder PVD mit einer gegenüber der Bindemetallphase inerten Beschichtung mit der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt, getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch gepreßt und durch Sintern bzw. einen kombinierten oder getrennten Sinter/HIP-Prozeß oder durch Axial-Heißpressen der Verbundkörper hergestellt wird. Das Axial-Heißpressen wird vorzugsweise bei Verstärkungsmaterialgehalten oberhalb von 20 Volumen-% durchgeführt, darunter bevorzugt man die übrigen genannten Verfahren.

Description

Beschreibung
Hartmetallverbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkörper, bestehend aus Hartstoffphasen, wie Wolframcarbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden de Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystems, aus Verstär¬ kungsmaterialien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt und/oder Eisen und/oder Nickel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines HartmetallVerbundwerkstoffes auf pulvermetallurgi¬ schem Weg.
Die nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Einkristalle be¬ sitzen hervorragende mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine große Zug- und Schubfestigkeit.
In der DE-PS 259249 wird ein aus Hartstoffen und Bindemitteln beste¬ hendes Sinterhartmetall beschrieben, das Hartstoffe in Form- von nadel- förmigen Einkristallen in einer Menge von wenigstens 0,1 %, vorzugs¬ weise 0,5 bis 1,5 % des gesamten Hartstoffanteils enthält. Zur Her¬ stellung dieses Sinterhartmetalls wird dem Hartstoffanteil vor dem Vermählen WC in Form von nadeiförmigen Einkristallen zugesetzt, wobei nach Zusatz eines Bindemetalls der Eisengruppe der Hartmetallansatz gepreßt und unter Bildung einer flüssigen Phase gesintert wird. Nach¬ teiligerweise löst sich jedoch der einkristalline WC-Anteil weitgehend in der Bindephase (vgl. DE-Z "Metall", Juli 1974, Heft 7). Im übrigen reichen die vorgeschlagenen Hartstoff-Einkristalle nicht aus, um eine merkliche Verbesserung der Verschleißeigenschaften zu erhalten, insbe¬ sondere auch deshalb nicht, weil maximal nur so viel Hartstoff-Einkri¬ stalle zugegeben werden sollen, bis der Hartstoffeinkornanteil (Körner mit mittlerem Durchmesser unter 2 μm) ersetzt ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hartmetallverbundkör- per anzugeben, der gegenüber den bisher bekannten Hartmetallverbund- körpern eine höhere Zähigkeitsbelastbarkeit, eine größere Härte, auch bei starker thermischer Belastung des Hartmetallverbundkörpers und eine geringere Bruchanfälligkeit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hartmetallverbundkörpers anzugeben.
Die Aufgabe wird durch einen HartmetallVerbundkörper der im Anspruch 1 genannten Zusammensetzung gelöst.
Die Verwendung von Whiskern ist zwar nach dem Stand der Technik bei anderen Stoffen bereits vorgeschlagen worden:
So z.B. in der US-PS 3441 392 eine faserverstärkte Metallegierung, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt worden ist und die bei¬ spielsweise Fasern aus <C-Aluminiumoxid und Siliciumcarbid enthält.
Die US-PS 4543345 beschreibt eine Keramik (AlpOg-Matrix) mit einge¬ lagerten SiC-Einkristallen.
Aus der DE-3303295 A1 ist bekannt, daß die Festigkeits- und Bruchzä¬ higkeitseigenschaften einer siliciumcarbidfaserverstärkten Keramik besser als die der Keramikmatrix sind. Entsprechende Angaben werden auch in der DE-Z ZwF 83 (1988) 7, Seiten 354 bis 359 gemacht.
Die EP-0067584 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus einem metallischen, keramischen Glas- oder Kunststoff-Grundmaterial und darin im wesentlichen homogen und gleich¬ mäßig verteilten desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern zur Verstär¬ kung des Grundmaterials, bei dem man Siliciumcarbidwhisker in einem polaren Lösungsmittel zur Bildung einer Aufschlämmung rührt und an¬ schließend die Aufschlämmung zur Bildung einer Aufschlämmung aus desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern vermahlt, die Aufschlä mung hieraus mit einem Grundmaterial zur Bildung einer homogenen Mischung vermischt, anschließend trocknet und zu einem Rohling formt. Schließlich sind aus der EP-0213615 A2 Verbundwerkstoffe bekannt, bei denen in einer Metallmatrix Siliciumcarbid- und Siliciu nitrid- whisker enthalten sind.
Die Einbringung von nadel- oder plättchenförmigen Einkristallen bei Hartmetallen in größeren Mengen wurde jedoch nie durchgeführt, weil bisher eine Lösung der Einkristalle in der flüssigen Bindemittelphase befürchtet worden ist. In der Tat ist die Löslichkeit des WC in einem Bindemittel wie Cobalt groß, was bewirkt, daß die Verwendung von WC- Einkristallen - wie in der DE-PS 259242 vorgeschlagen - keine Verbes¬ serung der Verschleißeigenschaften bringt.
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 dargelegt.
Ein besonderer Vorteil einer inerten Whiskerbeschichtung liegt jedoch darin, daß eine gezielte Festigkeit der Bindung mit der Matrix einge¬ stellt werden kann. Insgesamt führt die Einlagerung von beschichteten Whiskern zu einer Härteerhöhung mit einer gleichzeitigen Zähigkeitssteigerung, und zwar auch bei Hochtemperaturbelastungen, wie sie z.B. bei Schneidwerkstoffeπ stattfinden. Vorteilhafterweise wird dies auch bei solchen Hartmetallen erreicht, die einen geringen Bindemittelgehalt aufweisen (weniger als 8 Volumen-%).
Darüber hinaus kommt der inerten Beschichtung eine gewissen Schutz¬ funktion für die umhüllten Einkristalle zu, d.h. die Einkristalle kön¬ nen nicht im Bindemittel gelöst werden, insbesondere lassen sich erst¬ malig WC-Einkristalle in einem bezogen auf die Hartmetallzusammenset¬ zung wirkungsvollen Anteil verwenden.
Der auf das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren bezogene Aufgabenteil wird durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale ge¬ löst, wobei insbesondere bei Gehalten bis zu 20 Volumen-3. dem normalen Sinter-, dem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß oder dem Sintern mit einem nachfolgenden heißisostatischen Pressen in einer getrennten Anlage und bei höheren Verstärkungsmaterialgehalten dem Heißpressen der Vorzug gegeben wird. Die Herstellung der Whisker-Hartmetallverbundwerkstoffe lehnt sich grundsätzlich an bekannte pulvermetallurgische Verfahrensschritte an. So werden im Unterschied zum Stand der Technik die Verstärkungsmate¬ rialien (Whisker, Plättchen) zunächst aufbereitet, desagglomeriert und klassifiziert sowie vorzugsweise mittels eines CVD- oder PVD-Verfah- rens beschichtet, bevor sie den weiteren Verfahrensschritten unterzo¬ gen werden. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen vier Verdichtungsverfahren: Dem üblichen Sintern, einem kombinierten Sin¬ ter/HIP-Prozeß, bei dem unmittelbar auf den Sintervorgang in der Hitze ein heißisostatisches Pressen bei 20 bis 100 bar, maximal 200 bar, durchgeführt wird, dem Sintern mit nachfolgenden heißisostatischen Pressen bei Drücken um beispielsweise ca. 1000 bar in einer getrennten Anlage und schließlich dem erwähnten Heißpressen.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mi¬ schung aus 4 Volumen-% Co, Rest WC im Anschluß an das Naßmahleπ 21 Volumen-% TiC-Whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form zugegeben worden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mi¬ schung aus 4 Volumen-% Co, Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen 21 Volumen-% WC-whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form, die mittels des im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannten CVD- Prozesses mit TiC beschichtet worden sind, zugegeben worden. Die ge¬ samte Mischung wurde jeweils anschließend getrocknet, granuliert und kaltisostatisch zu einem Grünling vorgepreßt, bevor über das Heißpres¬ sen der Whisker-Verbundwerkstoff fertiggestellt wurde.
Insgesamt besitzt der erfindungsgemäße Hartmetallverbundwerkstoff eine größere Härte und höhere Festigkeitswerte als nach dem Stand der Tech¬ nik bekannte Verbundwerkstoffe. Die Zähigkeitsbelastbarkeit ist bei vermindertem Bruchrisiko höher, ohne daß höhere Bindegehalte einge¬ stellt werden mußten.

Claims

Patentansprüche
1. Hartmetallverbundkörper bestehend aus Hartstoffphasen, wie Wolf¬ ramcarbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystems, aus Verstärkungsmaterialien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt und/oder Eisen und/oder Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß einkristallines na- del- und/oder plättchenförmiges Verstärkungsmaterial aus Boriden und/oder Carbiden und/oder Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente der Gruppe IVa (Ti, Zr, Hf) oder Va (V, Nb, Ta) oder Mischungen hiervon und/oder einkristallines Verstärkungsmaterial aus SiC, Si3N4, Si^O, A1203, Zr02, A1N und/oder BN eingebaut ist, wobei der Anteil des Verstärkungsmaterials jeweils 2 bis
40 Volumen-%, vorzugsweise 10 bis 20 Volumen-% beträgt.
2. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nadeiförmigen Einkristalle (Whisker) eine Länge von 3 μm bis 100 μm aufweisen.
3. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, daß die nadeiförmigen Einkristalle einen Durchmesser von 0,1 bis 10 μm haben.
4. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Einkristalle (Plättchen) eine Dicke von 0,5 μm bis 10 μm und einen Durchmesser 3 μm bis 100 μm auf¬ weisen.
5. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch gekennzeichnet, daß SiC-nadel- oder plättchenförmige Ein¬ kristalle vorliegen und zu mehr als 90 % die ß -SiC-Struktur aufweisen.
6. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial mit einer ge¬ genüber der Bindemetallphase inerten Beschichtung versehen ist.
7. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial ganz oder teilweise durch Boride und/oder Carbide und/oder Nitride und/oder Carbonitride der Ele¬ mente der Vla-Gruppe des Periodensystems oder Mischungen hiervon ersetzt ist.
8. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine inerte Beschichtung aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der IVa-Gruppe (Ti, Zr, Hf) und/oder aus Zr02, A1203 und/oder BN.
9. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung mindestens 0,02 μm und maximal 2/10 des Nadeldurchmessers bzw. der Plätt¬ chendicke, vorzugsweise 1/10 hiervon bzw. mindestens 0,05 μm, beträgt.
10. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 9, da¬ durch gekennzeichnet, daß die inerte Beschichtung der nadel- und/oder plättchenförmigen Einkristalle mittels des CVD- (chemical vapour deposition)Verfahrens oder des PVD-(physical vapour deposition)Verfahrens auf die Einkristalle aufgebracht ist.
11. Verfahren zur Herstellung des Hartmetallverbundkörpers nach Ansprüchen 1 bis 5 auf pulvermetallurgischem Weg, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form mit der gemahlenen Mischung aus Hart¬ stoffen und Binder vermischt, dann getrocknet, granuliert, uni¬ axial oder kaltisostatisch gepreßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, durch Sin¬ tern mit einem HIP-Prozeß nach zwischenzeitiger Abkühlung oder durch Axial-Heißpressen hergestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver¬ stärkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form mittels des CVD- oder PVD-Verfahrens mit Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der IVa-Gruppe, Va-Gruppe oder Vla-Gruppe oder Mischungen hiervon und/oder SiC, S N., S N^O, A1203> Zr02, A1N und/oder BN beschichtet wird, bevor es mit der gemah¬ lenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt, dann ge¬ trocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch gepreßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen kombinierten Sin¬ ter/HIP-Prozeß, durch Sintern mit einem HIP-Prozeß nach zwi¬ schenzeitiger Abkühlung oder durch Axial-Heißpressen hergestellt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verstärkungsmaterial-Gehalten bis zu 20 Volumen-3. das nor¬ male Sintern, das Sintern mit einem nach Abkühlung erfolgenden heißisostatischen Pressen oder der kombinierte Sinter-HIP-Prozeß und bei Gehalten oberhalb von 20 Volumen-5. das Axial-Heißpressen durchgeführt wird bzw. werden.
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