WO2019215025A1 - Werkstück aus einem hartmetallwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Werkstück aus einem hartmetallwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2019215025A1
WO2019215025A1 PCT/EP2019/061353 EP2019061353W WO2019215025A1 WO 2019215025 A1 WO2019215025 A1 WO 2019215025A1 EP 2019061353 W EP2019061353 W EP 2019061353W WO 2019215025 A1 WO2019215025 A1 WO 2019215025A1
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nickel
ruthenium
workpiece
metal material
hard
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PCT/EP2019/061353
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Sabine WAWRZIK
Frank Albracht
Original Assignee
Tribo Hartstoff Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a workpiece made of a hard metal material which is suitable for use under corrosive and abrasive conditions. Furthermore, the invention relates to a method for producing a workpiece made of a hard metal material.
  • a corrosion and wear resistant cermet composition which has a ceramic component of a boride, a carbide, a nitride and / or a silicide.
  • the cermet composition further comprises a binder alloy whose main constituent is iron, nickel or cobalt or an alloy of these metals.
  • the binder alloy comprises, as an additional constituent, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium and / or platinum or an alloy of these metals.
  • DE 10 2006 045 339 B3 shows a method for producing a hard metal mixture by using at least one prealloyed powder, which consists of the group consisting of iron / nickel, iron / cobalt, iron / nickel / cobalt and
  • Nickel / cobalt is selected. Furthermore, at least one element powder is used, which consists of the group consisting of iron, nickel and cobalt or a pre-alloyed powder such Iron / nickel, iron / cobalt, iron / nickel / cobalt and nickel / cobalt is selected. In addition, a hard material powder is used, which may contain chromium carbide.
  • DE 10 2016 115 784 A1 teaches a sintered cemented carbide composition comprising a hard particle phase containing tungsten carbide.
  • the hard metal composition further comprises a cobalt-based metallic binder having a cubic cobalt-molybdenum mixed crystal phase.
  • WO 2017/152197 A1 shows a cutting tool with a base material made of hard metal, which has hard material particles in a metallic binder.
  • the hard material particles are formed by tungsten carbide.
  • the metallic binder is a cobalt-ruthenium alloy.
  • CrC powder is preferably used as a starting material.
  • DE 10 2015 121 336 A1 shows a sintered hard metal object with a hard particle phase including tungsten carbide and with a metallic binder phase.
  • the metallic binder phase comprises at least one of the elements cobalt, nickel and iron.
  • An alloying addition of the metallic binder phase may contain other ingredients, namely one or 1 a plurality of metallic elements, non-metallic elements or solid solutions thereof.
  • the metallic elements may be transition metals or aluminum.
  • the alloying additive may include one or more of tungsten, ruthenium, manganese, copper, rhenium,
  • the object of the present invention starting from the prior art is to improve the wear resistance of Werkstü bridges made of a hard metal material, which are used under corrosive and abrasive conditions.
  • the workpiece according to the invention consists of a hard metal material.
  • the hard metal material is a composite material made of hard material particles, which are incorporated in a metallic binder matrix.
  • the hard material particles form a hard material particle phase of the hard metal material.
  • the hard material particles contain a carbide, which is preferably not chromium carbide.
  • the carbide is preferably tungsten carbide WC, which may alternatively be another carbide or different carbides may be included.
  • the hard material particles contain the carbide, in particular the tungsten
  • the hard material particles preferably consist entirely of the carbide, in particular of the tungsten carbide.
  • the metallic binder matrix forms a binder phase in the hard metal material.
  • the metallic binder matrix contains a nickel alloy.
  • the nickel alloy comprises at least nickel Ni and ruthenium Ru.
  • the metallic binder matrix contains the nickel alloy with a mass fraction which is preferably at least 90% and particularly preferably at least 99%. Particularly preferably, the metallic binder matrix consists entirely of the nickel alloy.
  • the Nickellegie tion includes in addition to the nickel and ruthenium preferably one or more other precious metals. Alternatively, preferably, the nickel alloy in addition to the nickel, the ruthenium as a single precious metal.
  • the nickel alloy contains the nickel with a mass fraction which is preferably at least 60%.
  • the carbide material in its metallic binder matrix also comprises chromium Cr, which has been added as chromium carbide Cr3C2.
  • the chromium carbide forms a solubility-enhancing additive and ensures a high solubility of ruthenium in the nickel. Without the chromium, the ruthenium would not dissolve in the nickel. Consequently, the ruthenium in the nickel is dissolved due to the presence of the chromium.
  • the chromium carbide is dissolved in the binder matrix as chromium and carbon.
  • corrosive media may be, for example, tap water, deionized water, salt water, light acids such as acetic acid or methacrylic acid.
  • the workpiece according to the invention is resistant to corrosion and wear.
  • the nickel, ruthenium and chromium form the metallic binder matrix, which is preferably homogeneously formed.
  • the nickel, ruthenium and chromium preferably form a mixed crystal.
  • the nickel, ruthenium and chromium preferably form an s-phase. Such sigma phases are more brittle and harder than the rest of the matrix. Finely distributed in the nickel matrix, the sigma phase provides the necessary
  • This intermetallic phase is enriched in Cr and Ru, so that the remainder of the nickel phase is depleted of Cr and Ru.
  • the hard metal material in addition to the chromium as a solubility enhancing addition to vanadium V, tantalum Ta, niobium Nb, titanium Ti, molybdenum Mo, cobalt Co and / or iron Fe, which has been added as a solubility-enhancing additive.
  • the said chemical elements may also have been added within carbides, nitrides and / or oxides as a solubility-enhancing additive.
  • the hard metal material contains only the chromium, which has been added in the form of chromium carbide as a solubility-enhancing additive.
  • the hard metal material contains the metallic binder matrix with a mass fraction which is between 4% and 30%.
  • the amount is
  • Proportion of the metallic binder matrix on the hard metal material preferably between 4 wt .-% and 30 wt .-%.
  • Corresponding contains the hard metal material, the hard particles with a mass fraction, which is preferably between 70% and 96%.
  • the proportion of the hard material particles on the hard metal material is preferably between 70 wt .-% and 96
  • the cemented carbide material contains the solubility-enhancing additive or solubility-enhancing additives with a mass fraction which is between 0.1% and 3%.
  • the proportion of the solubility-enhancing additive or of the solubility-enhancing additives on the hard metal material is preferably between 0.1% by weight and 3% by weight.
  • the hard metal material contains the chromium with a mass fraction, which is preferably between 0.1% and 3%.
  • the proportion of chromium in the hard metal material is preferably between 0.1 wt .-% and 3 wt .-%.
  • the nickel alloy contains the ruthenium and the optionally present further noble metals in the sum with a mass fraction which is between 1% and 20%.
  • the proportion of ruthenium and optionally present other precious metals on the nickel alloy in the sum is preferably between 1 wt .-% and 20 wt .-%.
  • At least 90% of the hard particles have a grain size between 0.2 ym and 50 ym. More preferably, at least 99% of the hard particles have a particle size of between 0.2 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the hard material particles have a mean grain size, which is preferably between 0.5 and 20 ym.
  • the workpiece according to the invention is preferably a pump pressure loaded machine element of a reciprocating pump.
  • the workpiece according to the invention is preferably a piston or a bushing of a stroke piston pump.
  • the reciprocating pump is preferably a compressor, in particular a hypercompressor, with which pressures of at least 3,000 bar or at least 4,000 bar can be generated.
  • the compressor is suitable to promote corrosive media such as tap water, deionized water, salt water, light acids such as acetic acid or methacrylic acid.
  • a relative movement between the piston and the bushing generally acts wearily on a surface of the piston and a surface of the bushing.
  • the piston designed according to the invention or the bush designed according to the invention have significantly reduced wear in comparison to the prior art.
  • the inventive method is used to produce a workpiece made of a hard metal material.
  • the erfindungsge Permitted method is used in particular for producing the inventions to the invention workpiece.
  • hard material particles are provided which contain a carbide, preferably tungsten carbide. Furthermore, become powdery
  • Nickel and powdered ruthenium are provided which are suitable for forming a nickel alloy.
  • powdered chromium carbide is provided, which serves as an additive for increasing a solubility of ruthenium in the nickel.
  • the prepared hard material particles, the nickel provided, the ruthenium provided and the chromium carbide provided are mixed into a mixture.
  • the mixture is formed into a green compact, wherein the shaping takes place in accordance with the shape of the workpiece to be produced.
  • the green compact is sintered to a workpiece.
  • the nickel alloy comprising nickel and ruthenium is formed.
  • the nickel alloy forms a metallic binder matrix which encloses the hard particles.
  • the sintered workpiece may constitute a blank which is still subjected to a final processing to finally form the workpiece to be produced.
  • the hard material particles and the nickel as well as the ruthenium and the chromium carbide are preferably weighed in accordance with the proportions by mass stated for the workpiece according to the invention.
  • one or more noble metals are also provided and mixed with the other components to the mixture.
  • At least one pressing aid is further provided and mixed together with the other components to the mixture.
  • the pressing agent is preferably formed by paraffin or polyethylene glycol.
  • the mixing takes place in a ball mill or in a stirred ball mill.
  • the mixing is preferably carried out by wet grinding, for which a solvent in the form of an organic solvent or water is used.
  • the mixture is preferably sprayed drying process or a vacuum drying process
  • Forming the mixture into the green compact preferably comprises pressurizing the mixture.
  • the molding of the mixture comprises a solidification process.
  • the solidification process is preferably formed by a cold isostatic pressing, by a powder pressing and / or by an extrusion. After carrying out the solidification process is preferably carried out a mechanical processing of the green compact to form a close to final shape shape.
  • the sintering of the green compact takes place in a vacuum or in a gas atmosphere.
  • the gas atmosphere is preferably formed by argon, nitrogen or by a mixture of hydrogen and methane.
  • the sintering is preferably supplemented by hot isostatic pressing (HIP). This can be done by a combined process as a sintering HIP process or by a separate HIP process.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the green compact is heated to a temperature during sintering, which is preferably between 1,200 ° C and 1,600 ° C and more preferably between 1,320 ° C and 1,500 ° C.
  • the sintered workpiece initially constitutes a blank
  • the blank is preferably subjected to a final machining to form the workpiece to be formed.
  • the blank is machined; preferably by diamond grinding wheels.
  • the method according to the invention preferably also has features that are specified in connection with the workpiece according to the invention.
  • a workpiece made of a cemented carbide material hereinafter referred to as WC-NiCrRu L305, is manufactured.
  • this hard metal material 90.2 wt .-% tungsten carbide WC in the form of hard particles,
  • a workpiece is made of a cemented carbide material, hereinafter referred to as WC-NiCr L307.
  • WC-NiCr L307 a cemented carbide material
  • this hard metal material 91.1 wt .-% tungsten carbide WC in the form of hard particles, 8 wt .-% powdered nickel Ni and 0.9 wt .-% powdered chromium carbide Cr 3 C2 provided.
  • the materials provided are each mixed with agitator ball mills
  • the mixtures are each dried by spray drying. From the mixtures in each case a disc-shaped green compact is formed in a powder press.
  • the green compacts are each sintered in a HIP process at 1430 ° C in sintered a hydrogen or argon atmosphere, whereby sintered blanks are obtained.
  • the sintered blanks each have a diameter of 18 mm and are ground flat to a thickness of 5 mm, so that two sample-like workpieces are obtained.
  • the wear behavior of the two sample-like workpieces was tested in each case by a high-pressure water removal.
  • a water jet at 3,000 bar directed from a round nozzle with a diameter of 0.9 mm.
  • the volume removal was determined in each case with a measuring microscope.
  • the inven tion proper sample-like workpiece made of the carbide material WC-NiCrRu L305 had a volume removal of 0.07 mm 3
  • the sample-like workpiece according to the prior art of the hard metal material WC-NiCr L307 had a volume removal of 0.36 mm 3 .
  • the volume removal in the sample-like workpiece according to the prior art of the hard metal material WC-NiCr L307 without ruthenium was about five times higher than in the inventive sample-like workpiece made of the hard metal material WC-NiCrRu L305.
  • the two sample-like workpieces had approximately the same hardness.
  • WC-NiCr L307 was 1,560.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff, welches für den Einsatz unter korrosiven und abrasiven Bedingungen geeignet ist. Der Hartmetallwerkstoff umfasst Hartstoffpartikel, welche ein Carbid enthalten. Der Hartmetallwerkstoff umfasst weiterhin eine metallische Bindermatrix, die eine Nickellegierung enthält, welche Nickel und Ruthenium umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Hartmetall- werkstoff Chromin der metallischen Bindermatrix, welches als Chromcarbidzugegeben worden ist. Das Chromcarbid bildet einen löslichkeitsseigernden Zusatz und gewährleistet eine hohe Löslichkeit des Rutheniums im Nickel. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus einem Hartmetallwerkstoff.

Description

Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff, welches für den Einsatz unter korrosiven und abrasiven Bedingungen geeignet ist. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus einem Hartmetallwerkstoff.
Die DE 60 2004 012 147 T2 zeigt einen Hartmetall-Hybridver bund, welcher neben einer dispergierten Hartstoffphase auch eine kontinuierliche Binderphase umfasst. Die Hartstoffphasen umfassen Carbide von z. B. Wolfram, Titan und/oder Chrom. Die Binder umfassen beispielsweise eine Nickellegierung.
Aus der DE 696 06 984 T2 ist eine korrosions- und verschleiß beständige Cermetzusammensetzung bekannt, die einen kerami schen Bestandteil aus einem Borid, einem Carbid, einem Nitrid und/oder einem Silicid aufweist. Die Cermetzusammensetzung umfasst weiterhin eine Binderlegierung, deren Hauptbestandteil Eisen, Nickel oder Kobalt bzw. eine Legierung dieser Metalle ist. Die Binderlegierung umfasst als zusätzlichen Bestandteil Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und/oder Platin bzw. eine Legierung dieser Metalle.
Die DE 10 2006 045 339 B3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Hartmetallmischung durch Verwendung von mindestens einem vorlegierten Pulver, welches aus der Gruppe bestehend aus Eisen/Nickel, Eisen/Cobalt, Eisen/Nickel/Cobalt und
Nickel/Cobalt ausgewählt ist. Weiterhin wird mindestens ein Elementpulver verwendet, welches aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel und Cobalt oder einem vorlegierten Pulver wie Eisen/Nickel, Eisen/Cobalt, Eisen/Nickel/Cobalt und Nickel/Cobalt ausgewählt ist. Zudem wird ein Hartstoffpulver verwendet, welches Chromcarbid enthalten kann.
Die DE 10 2016 115 784 Al lehrt eine gesinterte Hartmetallzu sammensetzung, welche eine Hartpartikelphase umfasst, die Wolframcarbid beinhaltet. Die Hartmetallzusammensetzung umfasst zudem ein auf Cobalt basierendes metallisches Binde mittel, welches eine kubische Cobalt-Molybdän-Mischkristall- phase aufweist.
In dem wissenschaftlichen Artikel von L. L. Zhu, H. Y. Qi, et al . : „Experimental determination of the Ni-Cr-Ru phase diagram and thermodynamic reassessments of the Cr-Ru and Ni-Cr-Ru Systems" in Intermetallics , Ausgabe 64, Seiten 86-95, 2015, werden Nickel-basierte Zusammensetzungen vorgestellt, welche Ruthenium enthalten. Es wird festgestellt, dass die Löslich keit des Rutheniums in der Nickellegierung durch Chrom verbes sert wird.
Die WO 2017/152197 Al zeigt ein Zerspanungswerkzeug mit einem Grundmaterial aus Hartmetall, welches Hartstoffteilchen in einem metallischen Binder aufweist. Die Hartstoffteilchen sind durch Wolframkarbid gebildet. Der metallische Binder ist eine Cobalt-Ruthenium-Legierung . Zur Herstellung des Hartmetalls wird bevorzugt CrC Pulver als ein Ausgangsmaterial verwendet.
Die DE 10 2015 121 336 Al zeigt einen gesinterten Hartmetall gegenstand mit einer Hartpartikelphase einschließlich Wolf- ramcarbid und mit einer metallischen Bindephase. Die metalli sche Bindephase umfasst mindestens eines der Elemente Cobalt, Nickel und Eisen. Ein Legierungszusatz der metallischen Binde phase kann weitere Bestandteile enthalten, nämlich eines oder 1 mehrere metallische Elemente, nichtmetallische Elemente oder feste Lösungen davon.
Die metallischen Elemente können Übergangsmetalle oder Alumi nium sein. Beispielsweise kann der Legierungszusatz eines oder mehrere von Wolfram, Ruthenium, Mangan, Kupfer, Rhenium,
Chrom, Osmium und Molybdän umfassen. Die möglichen metalli schen Bestandteile werden bei der Herstellung bevorzugt in Form von Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden bereitge stellt, z. B. Wolframcarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Vanadi- umcarbid, Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid, Chromcarbid, und/oder Titancarbid.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Verschleißfestigkeit von Werkstü cken aus einem Hartmetallwerkstoff, welche unter korrosiven und abrasiven Bedingungen eingesetzt werden, zu verbessern.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Werkstück gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordne ten Anspruch 13.
Das erfindungsgemäße Werkstück besteht aus einem Hartmetall werkstoff. Bei dem Hartmetallwerkstoff handelt es sich um einen Verbundwerkstoff aus Hartstoffpartikeln, die in einer metallischen Bindermatrix eingebunden sind. Die Hartstoffpar- tikel bilden eine Hartstoffpartikelphase des Hartmetallwerk stoffes. Die Hartstoffpartikel enthalten ein Carbid, bei welchem es sich bevorzugt nicht um Chromcarbid handelt. Bei dem Carbid handelt es sich bevorzugt um Wolframcarbid WC, wobei es sich alternativ auch um ein anderes Carbid handeln kann oder unterschiedliche Carbide enthalten sein können. Die Hartstoffpartikel enthalten das Carbid, insbesondere das Wolf-
e> ramcarbid mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt mindestens 90 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % beträgt. Beson ders bevorzugt bestehen die Hartstoffpartikel vollständig aus dem Carbid, insbesondere aus dem Wolframcarbid .
Die metallische Bindermatrix bildet eine Binderphase im Hart metallwerkstoff aus. Die metallische Bindermatrix enthält eine Nickellegierung. Die Nickellegierung umfasst zumindest Nickel Ni und Ruthenium Ru. Die metallische Bindermatrix enthält die Nickellegierung mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt mindestens 90 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % beträgt. Besonders bevorzugt besteht die metallische Binder matrix vollständig aus der Nickellegierung. Die Nickellegie rung umfasst neben dem Nickel und dem Ruthenium bevorzugt ein oder mehrere weitere Edelmetalle. Alternativ bevorzugt umfasst die Nickellegierung neben dem Nickel das Ruthenium als einzi ges Edelmetall. Die Nickellegierung enthält das Nickel mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt mindestens 60 % beträgt.
Erfindungsgemäß umfasst der Hartmetallwerkstoff in seiner metallischen Bindermatrix auch Chrom Cr, welches als Chromcar- bid Cr3C2 zugegeben worden ist. Das Chromcarbid bildet einen löslichkeitssteigernden Zusatz und gewährleistet eine hohe Löslichkeit des Rutheniums im Nickel. Ohne das Chrom würde sich das Ruthenium nicht im Nickel lösen. Folglich ist das Ruthenium im Nickel aufgrund der Anwesenheit des Chroms gelöst. Das Chromcarbid wird in der Bindermatrix als Chrom und Kohlenstoff gelöst.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstückes besteht darin, dass es eine hohe Verschleißfestigkeit
aufweist, auch wenn korrosive Medien unter einem sehr hohen Druck auf das Werkstück einwirken. Bei solchen korrosiven Medien kann es sich beispielsweise um Leitungswasser, entioni- siertes Wasser, Salzwasser, leichte Säuren, wie Essigsäure oder Methacrylsäure handeln. Das erfindungsgemäße Werkstück ist korrosions- und verschleißfest.
Das Nickel, das Ruthenium und das Chrom bilden die metallische Bindermatrix, welche bevorzugt homogen ausgebildet ist. Dabei bilden das Nickel, das Ruthenium und das Chrom bevorzugt einen Mischkristall aus. Das Nickel, das Ruthenium und das Chrom bilden bevorzugt eine s-Phase aus. Solche Sigma-Phasen sind spröder und härter als der Rest der Matrix. Fein verteilt in der Nickelmatrix sorgt die Sigma-Phase für die nötige
Verschleißfestigkeit des Bindermetalls. Diese intermetallische Phase ist von Cr und Ru angereichert, sodass der Rest der Nickel-Phase an Cr und Ru verarmt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält der Hartmetallwerk stoff neben dem Chrom als löslichkeitssteigernden Zusatz zudem Vanadium V, Tantal Ta, Niob Nb, Titan Ti, Molybdän Mo, Cobalt Co und/oder Eisen Fe, das als löslichkeitssteigernder Zusatz zugegeben worden ist. Die genannten chemischen Elemente können auch innerhalb von Carbiden, Nitriden und/oder Oxiden als löslichkeitssteigernder Zusatz zugegeben worden sein. Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform enthält der Hart metallwerkstoff ausschließlich das Chrom, welches in Form von Chromcarbid als löslichkeitssteigernder Zusatz zugegeben worden ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält der Hartmetallwerk stoff die metallische Bindermatrix mit einem Massenanteil, welcher zwischen 4 % und 30 % beträgt. Somit beträgt der
Anteil der metallischen Bindermatrix am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 4 Gew.-% und 30 Gew.-%. Entsprechend enthält der Hartmetallwerkstoff die Hartstoffpartikel mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt zwischen 70 % und 96 % beträgt. Somit beträgt der Anteil der Hartstoffpartikel am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 70 Gew.-% und 96
Gew .—% .
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält der Hartmetallwerk stoff den löslichkeitssteigernden Zusatz bzw. die löslich keitssteigernden Zusätze mit einem Massenanteil, welcher zwischen 0,1 % und 3 % beträgt. Somit beträgt der Anteil des löslichkeitssteigernden Zusatzes bzw. der löslichkeitsstei gernden Zusätze am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-%. Insbesondere enthält der Hartmetall werkstoff das Chrom mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt zwischen 0,1 % und 3 % beträgt. Somit beträgt der Anteil des Chrom am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-%.
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält die Nickellegierung das Ruthenium und die gegebenenfalls vorhandenen weiteren Edelmetalle in der Summe mit einem Massenanteil, welcher zwischen 1 % und 20 % beträgt. Somit beträgt der Anteil des Rutheniums und der gegebenenfalls vorhandenen weiteren Edelme talle an der Nickellegierung in der Summe bevorzugt zwischen 1 Gew.-% und 20 Gew.-%.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weisen mindestens 90 % der Hartstoffpartikel eine Korngroße zwischen 0,2 ym und 50 ym auf. Besonders bevorzugt weisen mindestens 99 % der Hartstoff partikel eine Korngroße zwischen 0,2 ym und 50 ym auf. Die Hartstoffpartikel weisen eine mittlere Korngröße auf, welche bevorzugt zwischen 0,5 ym und 20 ym beträgt. Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück handelt es sich bevorzugt um ein pumpendruckbelastetes Maschinenelement einer Hubkolben pumpe. Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück handelt es sich bevorzugt um einen Kolben oder um eine Laufbuchse einer Hub kolbenpumpe. Bei der Hubkolbenpumpe handelt es sich bevorzugt um einen Kompressor, insbesondere um einen Hyperkompressor, mit welchem Drücke von mindestens 3.000 bar oder mindestens 4.000 bar erzeugbar sind. Der Kompressor ist geeignet, korro sive Medien, wie Leitungswasser, entionisiertes Wasser, Salz wasser, leichte Säuren, wie Essigsäure oder Methacrylsäure zu fördern. Eine Relativbewegung zwischen dem Kolben und der Laufbuchse wirkt grundsätzlich verschleißend auf eine Oberflä che des Kolbens und auf eine Oberfläche der Laufbuchse. Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolben bzw. die erfindungsgemäß ausgebildete Laufbuchse weisen im Vergleich zum Stand der Technik einen deutlich verringerten Verschleiß auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines Werkstückes aus einem Hartmetallwerkstoff. Das erfindungsge mäße Verfahren dient insbesondere zum Herstellen des erfin dungsgemäßen Werkstückes. In einem ersten Schritt werden Hart stoffpartikel bereitgestellt, welche ein Carbid, bevorzugt Wolframcarbid enthalten. Weiterhin werden pulverförmiges
Nickel und pulverförmiges Ruthenium bereitgestellt, welche zum Ausbilden einer Nickellegierung geeignet sind. Zudem wird pulverförmiges Chromcarbid bereitgestellt, welches als Zusatz stoff zum Steigern einer Löslichkeit des Rutheniums in dem Nickel dient. In einem weiteren Schritt werden die bereitge stellten Hartstoffpartikel , das bereitgestellte Nickel, das bereitgestellte Ruthenium und das bereitgestellte Chromcarbid zu einer Mischung vermischt. In einem folgenden Schritt wird die Mischung zu einem Grünling geformt, wobei das Formen entsprechend der Form des herzustellenden Werkstückes erfolgt.
e> Der Grünling wird zu einem Werkstück gesintert. Beim Sintern wird die Nickellegierung, welche das Nickel und das Ruthenium umfasst, ausgebildet. Die Nickellegierung bildet eine metalli sche Bindermatrix, welche die Hartstoffpartikel einschließt. Das gesinterte Werkstück kann einen Rohling darstellen, welcher noch einer finalen Bearbeitung unterzogen wird, um schließlich das herzustellende Werkstück auszubilden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens weisen die bereitgestellten Hartstoffpartikel das Carbid mit einem Massenanteil auf, wie er für das erfindungs gemäße Werkstück beschrieben ist. Die Hartstoffpartikel und das Nickel sowie das Ruthenium und das Chromcarbid werden bevorzugt entsprechend der für das erfindungsgemäße Werkstück angeführten Massenanteile eingewogen. Bevorzugt werden auch ein oder mehrere Edelmetalle bereitgestellt und mit den ande ren Komponenten zu der Mischung vermischt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird weiterhin mindestens ein Presshilfsmittel bereitgestellt und gemeinsam mit den anderen Komponenten zu der Mischung vermischt. Das Presshilfs mittel ist bevorzugt durch Paraffin oder Polyethylenglycol gebildet .
Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt das Mischen in einer Kugelmühle oder in einer Rührwerkskugelmühle. Das Mischen erfolgt bevorzugt durch ein Nassmahlen, wofür ein Lösungsmit tel in Form eines organischen Lösungsmittels oder Wasser verwendet wird.
Nach dem Nassmahlen erfolgt bevorzugt ein Trocknen der
Mischung. Hierfür wird die Mischung bevorzugt einem Sprüh- trocknungsprozess oder einem Vakuumtrocknungsprozess
unterzogen .
Das Formen der Mischung zu dem Grünling umfasst bevorzugt ein Beaufschlagen der Mischung mit einem Druck. Insbesondere umfasst das Formen der Mischung ein Verfestigungsverfahren.
Das Verfestigungsverfahren ist bevorzugt durch ein kaltisosta tisches Pressen, durch ein Pulververpressen und/oder durch ein Extrudieren gebildet. Nach dem Durchführen des Verfestigungs verfahrens erfolgt bevorzugt ein mechanisches Bearbeiten des Grünlings, um eine endkonturnahe Form auszubilden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt das Sintern des Grünlings in Vakuum oder in einer Gasatmosphäre. Die Gasat mosphäre ist bevorzugt durch Argon, Stickstoff oder durch eine Mischung von Wasserstoff und Methan gebildet.
Das Sintern wird bevorzugt durch ein heißisostatisches Pressen (HIP) ergänzt. Dies kann durch ein kombiniertes Verfahren als Sinter-HIP-Prozess oder durch einen separaten HIP-Prozess erfolgen .
Der Grünling wird beim Sintern auf eine Temperatur erwärmt, die bevorzugt zwischen 1.200°C und 1.600°C und besonders bevorzugt zwischen 1.320°C und 1.500°C beträgt.
Insofern das gesinterte Werkstück zunächst einen Rohling darstellt, so wird der Rohling bevorzugt einer finalen Bear beitung unterzogen, um das herzustellende Werkstück auszubil den. Bei der finalen Bearbeitung wird der Rohling mechanisch bearbeitet; bevorzugt durch Diamantschleifscheiben . Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstück angegeben sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften bevor zugten Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik.
Gemäß der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt, welcher nachfolgend als WC-NiCrRu L305 bezeichnet wird. Für die Herstellung dieses Hartmetallwerkstoffes werden 90,2 Gew.-% Wolframcarbid WC in Form von Hartstoffpartikeln,
8 Gew.-% pulverförmiges Nickel Ni, 0,9 Gew.-% pulverförmiges Ruthenium Ru und 0,9 Gew.-% pulverförmiges Chromcarbid Cr3C2 bereitgestellt .
Entsprechend der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik wird ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt, welcher nachfolgend als WC-NiCr L307 bezeichnet wird. Für die Herstellung dieses Hartmetallwerkstoffes werden 91,1 Gew.-% Wolframcarbid WC in Form von Hartstoffpartikeln, 8 Gew.-% pulverförmiges Nickel Ni und 0,9 Gew.-% pulverförmiges Chrom carbid Cr3C2 bereitgestellt.
Für die Herstellung der beiden Hartmetallwerkstoffe WC-NiCrRu L305 und WC-NiCr L307 werden die bereitgestellten Stoffe jeweils durch Rührwerkskugelmühlen zu einer Mischung
vermischt. Die Mischungen werden jeweils durch Sprühtrocknung getrocknet. Aus den Mischungen wird in einer Pulverpresse jeweils ein scheibenförmiger Grünling geformt. Die Grünlinge werden jeweils in einem Sinter-HIP-Prozess bei 1.430°C in einer Wasserstoff- bzw. Argon-Atmosphäre gesintert, wodurch Sinterrohlinge erhalten werden. Die Sinterrohlinge weisen jeweils einen Durchmesser von 18 mm auf und werden auf eine Dicke von 5 mm plangeschliffen, sodass zwei probenartige Werk stücke erhalten werden.
Das Verschleißverhalten der beiden probenartigen Werkstücke wurde jeweils durch einen Hochdruckwasserabtrag getestet. Auf die plane Oberfläche der beiden probenartigen Werkstücke wurde unter einem Winkel von 45° für eine Dauer von 30 Sekunden ein Wasserstrahl mit 3.000 bar aus einer Runddüse mit einem Durch messer von 0,9 mm gerichtet. Anschließend wurde mit einem Messmikroskop jeweils der Volumenabtrag bestimmt. Das erfin dungsgemäße probenartige Werkstück aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCrRu L305 wies einen Volumenabtrag von 0,07 mm3 auf, während das probenartige Werkstück gemäß dem Stand der Technik aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCr L307 einen Volumenabtrag von 0,36 mm3 aufwies. Somit war der Volumenabtrag bei dem probenartigen Werkstück gemäß dem Stand der Technik aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCr L307 ohne Ruthenium um etwa das Fünffache höher als bei dem erfindungsgemäßen probenartigen Werkstück aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCrRu L305. Die beiden probenartigen Werkstücke wiesen eine etwa gleiche Härte auf. Die Härte HV30 des erfindungsgemäßen probenartigen
Werkstückes aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCrRu L305 betrug 1.570, während die Härte HV30 des probenartigen Werkstückes gemäß dem Stand der Technik aus dem Hartmetallwerkstoff
WC-NiCr L307 1.560 betrug.

Claims

Patentansprüche
1. Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff, wobei der Hart
metallwerkstoff folgende Komponenten umfasst:
- Hartstoffpartikel , welche ein Carbid enthalten; - eine metallische Bindermatrix, die eine Nickel legierung enthält, welche Nickel und Ruthenium umfasst; und
- Chrom in der metallischen Bindermatrix.
2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ruthenium in dem Nickel aufgrund der Anwesenheit des Chroms gelöst ist.
3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nickel, das Ruthenium und das Chrom die
metallische Bindermatrix bilden, welche homogen ausgebildet ist .
4. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Nickel, das Ruthenium und das Chrom einen Mischkristall ausbilden.
5. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass das Nickel, das Ruthenium und das Chrom eine s-Phase ausbilden.
6. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nickellegierung das Ruthenium als einziges Edelmetall umfasst.
7. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallwerkstoff die
metallische Bindermatrix mit einem Massenanteil enthält, welcher zwischen 4 % und 30 % beträgt.
8. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Hartmetallwerkstoff das Chrom mit einem Massenanteil enthält, welcher zwischen 0,1 % und 3 % beträgt .
9. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Nickellegierung das Ruthenium mit einem Massenanteil enthält, welcher zwischen 1 % und 20 % beträgt .
10. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens 90 % der Hartstoffpartikel eine Korngroße zwischen 0,2 ym und 50 ym aufweisen.
11. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel eine mittlere Korngröße zwischen 0,5 ym und 20 ym besitzen.
12. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass es durch einen Kolben oder durch eine Laufbuchse einer Hubkolbenpumpe gebildet ist.
13. Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus einem Hart metallwerkstoff, folgende Schritte umfassend:
- Bereitstellen von Hartstoffpartikeln, welche ein
Carbid enthalten; - Bereitstellen von pulverförmigem Nickel und pulver förmigem Ruthenium zum Ausbilden einer Nickel
legierung;
- Bereitstellen von pulverförmigem Chromcarbid als
Zusatzstoff zum Steigern einer Löslichkeit des
Rutheniums in dem Nickel;
- Mischen der bereitgestellten Hartstoffpartikel , des Nickels, des Rutheniums und des Chromcarbids zu einer Mischung;
- Formen der Mischung zu einem Grünling; und
- Sintern des Grünlings zu einem Werkstück.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern des Grünlings in Vakuum oder in einer
Gasatmosphäre aus Argon, Stickstoff oder einer Mischung von Wasserstoff und Methan erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling beim Sintern auf eine Temperatur zwischen 1.320°C und 1.500°C erwärmt wird.
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