Formkörper aus einem hartmetallischen verschleißfestem Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung Shaped body made of a hard-metal wear-resistant material and process for its production
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf einen Formkörper aus einem verschleißfesten Werkstoff, bestehend aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Sinterkörper, mit einer Mischung aus mindestens einem Hartlegierungspulver und mindestens einem artfremden Hartstoffpulver als Ausgangsprodukt.The invention relates to a shaped body made of a wear-resistant material, consisting of a powder-metallurgically produced sintered body, with a mixture of at least one hard alloy powder and at least one foreign hard material powder as the starting product.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers.The invention further relates to a method for producing such a shaped body.
Chemische, thermische und mechanische Abnutzung machen konstruktive Bauteile mit der Zeit unbrauchbar. Die Folge ist ein großer volkswirtschaftlicher Schaden, denn Ersatzinvestitionen, Reparaturen, Überwachungen und Montage verursachen hohe Kosten. Zusätzlich entstehen Verluste durch Produktionsausfälle sowie Umweltschäden. Dem Verschleißschutz kommt daher eine hohe wirtschaftliche Bedeutung bei.Chemical, thermal and mechanical wear and tear make structural components unusable over time. The result is great economic damage, because replacement investments, repairs, monitoring and assembly cause high costs. In addition, there are losses from lost production and environmental damage. Wear protection is therefore of great economic importance.
Es ist Stand der Technik, zum Schutz gegen Korrosion, Erosion, Kavitation, abrasiven und adhäsiven Verschleiß sowie gegen Hitze und Thermoschock, Werkstoffe in Form von Hartlegierungen zu verwenden. Solche Legierungen auf der Basis von Eisen, Nickel, aber vor allem Kobalt, werden beispielsweise von der Firma Deloro Stellite weltweit vertrieben und in einschlägigen
öffentlichen Firmendruckschriften hinsichtlich ihrer Zusammensetzung beschrieben.It is state of the art to use materials in the form of hard alloys to protect against corrosion, erosion, cavitation, abrasive and adhesive wear as well as against heat and thermal shock. Such alloys based on iron, nickel, but above all cobalt, are sold worldwide by Deloro Stellite, for example, and in relevant public company publications described with regard to their composition.
Eine besondere Rolle nehmen dabei die Kobalt-Chrom-Wolfram-Kohlenstoff- Legierungen ein, die unter dem Warenzeichen "Stellite"® vertrieben werden.The cobalt-chromium-tungsten-carbon alloys, which are sold under the trademark "Stellite" ® , play a special role.
Diese Stellite® besitzen eine zähe metallische Mischkristallmatrix, bei denen sich in der Matrix bei der Verarbeitung auch Karbide bilden, die auch als legierungseigene oder arteigene Hartstoffe bezeichnet werden.These Stellite ® have a tough metallic mixed crystal matrix, in which carbides also form in the matrix during processing, which are also referred to as alloy-specific or species-specific hard materials.
Trotz der in sich erzeugten Hartstoffe gibt es Anwendungsbereiche, wo die Hartstoffdichte der aus Hartlegierungen hergestellten Formkörper in der Praxis nicht mehr ausreichen.Despite the hard materials produced in themselves, there are areas of application where the hard material density of the molded articles made from hard alloys is no longer sufficient in practice.
Formkörper aus einem hartmetallischen verschleißfesten Werkstoff lassen sich sowohl nach gießtechnischen als auch nach pulvermetallurgischen Verfahren herstellen. Die Erfindung wendet sich an letztere Technologie, bei der die Hartlegierung als Metallpulver vorliegt und mit einem Binder zu einer verarbeitungsfähigen homogenen Masse vermischt wird. Der Binder ist typischerweise ein Gemisch aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Thermoplast, mit entsprechenden Zusätzen (Additive). Danach wird die Masse aufbereitet, z.B. granuliert und aus der aufbereiteten Masse durch Metallspritzgiessen oder durch Strangpressen ein Formkörper-Grünling ausgeformt, aus dem anschließend der Binder ausgetrieben und der danach zu dem fertigen Produkt gesintert wird. Das fertige Produkt kann ein Halbzeug sein z. B. ein durch Strangpressen erzeugter Stab oder es kann das fertige Bauteil sein, wenn es durch Metallspritzgiessen hergestellt wird. Mit dem Metallspritzgiessen lassen sich dabei dichte, engtolerierte Fertig-Bauteile herstellen, die in der Regel ohne Nacharbeit eingesetzt werden können.Shaped bodies made of a hard-metal, wear-resistant material can be produced using both casting and powder metallurgy processes. The invention applies to the latter technology, in which the hard alloy is in the form of a metal powder and is mixed with a binder to form a processable, homogeneous mass. The binder is typically a mixture of a plastic, preferably a thermoplastic, with appropriate additives. The mass is then prepared, e.g. granulated and from the prepared mass by metal injection molding or by extrusion a molded green body, from which the binder is then driven out and which is then sintered into the finished product. The finished product can be a semi-finished product, e.g. B. a rod produced by extrusion or it can be the finished component if it is produced by metal injection molding. Metal injection molding can be used to produce tight, tight-tolerance finished parts that can generally be used without rework.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs bezeichneten, aus der EP 0 651 067 A2 bekannten Formkörper so auszubilden, daß die Härte des
Formkörpers signifikant gesteigert werden kann, sowie auch andere physikalischen Eigenschaften gezielt beeinflußt werden können.The invention is based on the object of designing the shaped body described at the outset and known from EP 0 651 067 A2 in such a way that the hardness of the Shaped body can be increased significantly, and other physical properties can be influenced in a targeted manner.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt ausgehend von dem eingangs bezeichneten Formköφer aus einem hartmetallischen, verschleißfesten Werkstoff, bestehend aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Sinterköφer mit einer Mischung aus mindestens einem Hartlegierungspulver und mindestens einem artfremden Hartstoffpulver als Ausgangsprodukt, gemäß der Erfindung dadurch, daß die Korngröße der Hartlegierung im Sinterköφer im Bereich von 0, 1 μm bis 100 μm und die Korngröße des artfremden Hartstoffes im Bereich von 1 nm bis 100 μm liegt.This object is achieved on the basis of the molded body made of a hard-metal, wear-resistant material, consisting of a powder-metallurgically produced sintered body with a mixture of at least one hard alloy powder and at least one foreign hard material powder as the starting product, according to the invention in that the grain size of the hard alloy in Sintered bodies in the range from 0.1 μm to 100 μm and the grain size of the non-species hard material in the range from 1 nm to 100 μm.
Das pulvermetallurgische Prinzip erlaubt es, zu der als Pulver vorliegenden Hartlegierung artfremde Hartstoffe mechanisch zuzumischen, um so die Härte des hergestellten Formköφers über die Erhöhung der Hartstoffdichte und eine gezielte Sinterung signifikant zu steigern und damit neue Anwendungsgebiete für hartmetallische verschleißfeste Werkstoffe zu erschließen. Durch Form und Korngröße der zugegebenen artfremden Hartstoffe lassen sich auch andere physikalische Eigenschaften, wie Festigkeit, E-Modul des Formköφers usw. gezielt einstellen.The powder-metallurgical principle allows mechanical hard materials to be added to the hard alloy in powder form in order to significantly increase the hardness of the molded body by increasing the hard material density and targeted sintering, thereby opening up new areas of application for hard metal wear-resistant materials. Due to the shape and grain size of the added alien hard materials, other physical properties such as strength, elastic modulus of the molded body, etc. can also be set in a targeted manner.
Bei dem erfindungsgemäßen Formköφer bildet die Hartlegierung die Grundmatrix, in die die Hartstoffe eingelagert sind. Das Material des Formköφers kann auch als "Pseudolegierung" bezeichnet werden. Bei der Erfindung gehen die Harstoffpulverteilchen sozusagen in Lösung mit den Pulverteilchen der Hartlegierungs-Grundmatrix eingelagert werden, d. h. einen sehr innigen Gefügeschluß bilden. Dadurch können die Hartstoffteilchen des Sinterköφers beim Gebrauch nicht herausgerissen werden, wodurch der Formköφer verschleißfester ist und damit das zugehörige Werkzeug eine wesentlich höhere Lebensdauer hat.
Die Mischung aus einem Hartlegierungspulver und einem Hartstoffpulver als Werkstoff ist an sich bekannt. Sie wird zum Teil beim Plasmaspritzen und beim thermischen Spritzen im Rahmen des Auftragens von Beschichtungen eingesetzt. Dennoch hat dieser Stand der Technik den Fachmann nicht dazu anregen können, diese Pulvermischung im Rahmen der Herstellung von pulvermetallurgischen Sinterköφern für Formköφer aus einem hartmetallischen verschleißfesten Werkstoff als Ausgangsprodukt zu verwenden.In the molded article according to the invention, the hard alloy forms the basic matrix in which the hard materials are embedded. The material of the molded body can also be called a "pseudo alloy". In the invention, the urea powder particles are, so to speak, stored in solution with the powder particles of the hard alloy base matrix, ie form a very intimate structure. As a result, the hard material particles of the sintered body cannot be torn out during use, as a result of which the molded body is more wear-resistant and the associated tool therefore has a significantly longer service life. The mixture of a hard alloy powder and a hard material powder as a material is known per se. It is used in part in plasma spraying and in thermal spraying as part of the application of coatings. Nevertheless, this prior art has not been able to stimulate the person skilled in the art to use this powder mixture as a starting product in the production of powder-metallurgical sintered bodies for molded bodies made of a hard-metal, wear-resistant material.
Der metallkeramische Sinterköφer nach der zitierten EP 0 651 067 A2 besitzt, ebenso wenig wie der Sinterköφer nach der DE 34 16 126 AI die charakteristischen Korngrößen nach der Erfindung.The metal-ceramic sintered body according to EP 0 651 067 A2 cited, just as little as the sintered body according to DE 34 16 126 AI has the characteristic grain sizes according to the invention.
Die Schriften beschreiben einen Sinter-Formköφer mit einem metallkeramischen Grundköφer, in den unregelmäßig geformte Köφer aus einem Hartstoff eingebettet sind. Trotz des Sintervorganges verbleiben die eingebetteten Hartstoffköφer in ihrer Form, analog einem faserverstärkten Material, d. h. bilden keinen intensiven Gefügeschluß, keine Pseudolegierung wie im Fall der Erfindung mit den charakteristischen Korngrößen.The writings describe a sintered shaped body with a metal-ceramic basic body, in which irregularly shaped bodies made of a hard material are embedded. Despite the sintering process, the embedded hard material bodies remain in their shape, analogous to a fiber-reinforced material, ie. H. do not form an intensive structural conclusion, no pseudo-alloy as in the case of the invention with the characteristic grain sizes.
Versuche haben gezeigt, daß die Härtesteigerung besonders groß ist, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Anteil des artfremden Hartstoffes im Sinterköφer bezogen auf den Hartlegierungsanteil im Bereich von 5 bis 60 Volum- %, vorzugsweise bei 50 % liegt.Experiments have shown that the increase in hardness is particularly great if, according to one embodiment of the invention, the proportion of the foreign hard material in the sintered body, based on the hard alloy proportion, is in the range from 5 to 60% by volume, preferably 50%.
Je nach den Verschleißanforderungen an den Formköφer enthält der Sinterköφer als Hartlegierungsanteil eine Hartlegierung auf der Basis von Eisen, Nickel oder von Kobalt.
Eine besonders signifikante Härte läßt sich erzielen, wenn der Sinterköφer als Hartlegierungsanteil eine Kobalt-Chrom-Wolfram-Kohlenstoff- Legierung enthält.Depending on the wear requirements for the molded body, the sintered body contains a hard alloy based on iron, nickel or cobalt. A particularly significant hardness can be achieved if the sintered body contains a cobalt-chromium-tungsten-carbon alloy as a hard alloy component.
Als artfremde Hartstoffe kommen vorzugsweise gängige Refraktärmetallkarbide wie z. B. Wolframkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Chromkarbid, Vanadiumkarbid oder Niobkarbid, aber auch anders aufgebaute Hartstoffe auf der Basis Stickstoff oder Oxide, oder Mischungen davon, in Frage.Commonly used refractory metal carbides such as, for example, B. tungsten carbide, titanium carbide, tantalum carbide, chromium carbide, vanadium carbide or niobium carbide, but also differently structured hard materials based on nitrogen or oxides, or mixtures thereof, in question.
Eine besonders signifikante Härtesteigerung läßt sich erzielen, wenn die Hartlegierung eine Rockwellhärte in der Größenordnung von 60 HRC und der Hartstoff eine Vickershärte in der Größenordnung von 2000 HV besitzt. Für die Härteprüfung nach Rockwell gilt dabei als Norm die DIN EN 10109, für die nach Vickers die DIN 50133.A particularly significant increase in hardness can be achieved if the hard alloy has a Rockwell hardness in the order of 60 HRC and the hard material has a Vickers hardness in the order of 2000 HV. The standard for the Rockwell hardness test is DIN EN 10109, for Vickers DIN 50133.
Als Formköφer-Ausbildung sind sowohl Halbzeuge, z. B. Stäbe, die dann schweiß- oder löttechnisch weiterverarbeitet werden können, indem z. B. dünne von dem Stab abgeschnittene Scheibchen auf diverse Werkzeuge, z.B. auf ein Sägeblatt aufgelötet oder aufgeschweißt werden, als auch Fertig- Bauteile selbst, möglich.As Formköφer training are both semi-finished products, for. B. rods, which can then be processed by welding or soldering by z. B. thin slices cut from the rod onto various tools, e.g. can be soldered or welded onto a saw blade, as well as finished components themselves.
Die signifikante Erhöhung der Verschleißfestigkeit des erfindungsgemäßen Formköφers erschließt neue Anwendungsgebiete, z. B. in der Druckindustrie, im industriellen Nähmaschinenbau, in der Medizintechnik, bis hin zur Schloß- und Uhrenindustrie, um nur einige Beispiele zu nennen. Weitere Einsatzgebiete sind gegeben.The significant increase in wear resistance of the molded body according to the invention opens up new areas of application, for. B. in the printing industry, in industrial sewing machine construction, in medical technology, to the lock and watch industry, to name just a few examples. There are other areas of application.
Anhand der Patentzeichnung wird ein darin schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher beschrieben.
In der Verfahrensstufe A wird eine verarbeitungsfähige Mischung aus einem Hartlegierungspulver MP, mit einem Hartstoffpulver MP2 unter Zusatz eines Binders, der typischerweise aus einem Gemisch eines Kunststoffes K, vorzugsweise einem Thermplast, mit üblichen Zusätzen Z (Additive) besteht, hergestellt. Die zugeführten Stoffe werden zu einer homogenen Masse vermengt - die Metallpulvermischung wird sozusagen "angeteigt" - und anschließend aufbereitet, typischerweise granuliert. Entsprechende Vorrichtungen sind aus der Kunststoffindustrie bekannt und auf dem Markt.An exemplary embodiment of the method according to the invention which is shown schematically therein is described in more detail with reference to the patent drawing. In process stage A, a processable mixture of a hard alloy powder MP, with a hard material powder MP 2 with the addition of a binder, which typically consists of a mixture of a plastic K, preferably a thermoplastic, with conventional additives Z (additives) is produced. The supplied substances are mixed to a homogeneous mass - the metal powder mixture is "pasted" so to speak - and then processed, typically granulated. Appropriate devices are known from the plastics industry and on the market.
Die aus der Stufe A austretende aufbereitete Masse wird der Stufe B zugeführt, in der beispielsweise im Wege des Spritzgiessens der Formköφer seine gewünschte Gestalt erhält. Diese Formgebung durch das Metallspritzgiessen analog dem Kunststoff spritzgiessen, auch Metall-Injection-Moulding (MIM) genannt, ist an sich bekannt und braucht daher hier nicht näher beschrieben zu werden.The prepared mass emerging from stage A is fed to stage B, in which, for example, the molded body obtains its desired shape by injection molding. This shaping by metal injection molding analogous to plastic injection molding, also called metal injection molding (MIM), is known per se and therefore need not be described in more detail here.
Die Formgebung des Grünlings in der Stufe B kann auch durch Strangpressen oder Strangextrudieren erfolgen, wobei diese Formgebungsverfahren nicht zwingend ein Aufbereiten der zu formenden Masse durch Granulieren erfordern.The shaping of the green compact in stage B can also be carried out by extrusion or extrusion, these shaping processes not necessarily requiring the mass to be shaped to be prepared by granulation.
Die Formgebung kann auch durch einen Preßvorgang erfolgen, der höhere Drücke als die anderen Verfahren benötigt, jedoch mit einem verschwindend geringen Binderanteil auskommt.The shaping can also be carried out by a pressing process which requires higher pressures than the other processes, but which manages with a negligibly low proportion of binder.
Am Ausgang der Stufe B steht daher der Formköφer als sogenannter Grünling zur Verfügung, aus dem in der nachfolgenden Stufe C der Binder entfernt wird und der schließlich in der Stufe D zu dem endgültigen Formköφer gesintert wird, ebenfalls mit üblichen Verfahrensschritten und Vorrichtungen.
Durch die Zumischung eines (artfremden) Hartstoffpulvers MP2 zu dem Hartlegierungspulver MP, lassen sich die Hartstoffdichte, d.h. die Härte und damit die Verschleißfestigkeit sowie andere physikalischen Eigenschaften des hergestellten Formköφers signifikant steigern.
At the exit of stage B, the molded body is therefore available as a so-called green compact, from which the binder is removed in the subsequent stage C and which is finally sintered in stage D to the final molded body, likewise with conventional process steps and devices. By adding a (foreign) MP 2 hard material powder to the MP hard alloy powder, the hard material density, ie the hardness and thus the wear resistance and other physical properties of the molded body produced, can be significantly increased.