AT501801B1

AT501801B1 - Hartmetallkörper mit zähem oberflächenbereich

Info

Publication number: AT501801B1
Application number: AT8352005A
Authority: AT
Inventors: Jose Luis Dr Garcia; Karl Dipl Ing Kipperer
Original assignee: Boehlerit Gmbh & Co Kg
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2007-08-15
Also published as: EP1880031B1; WO2006119522A1; AT501801A1; EP1880031A1

Description

2 AT 501 801 B1

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, hergestellt durch Sintern bei Unterdrück, gebildet aus Karbiden mit Nitriden und/oder Karbonitriden und einem Bindemetall bzw. Matrixmetall mit zumindest Teilen des Oberflächenbereiches, welche eine erhöhte Materialzähigkeit aufweisen, insbesondere Wendeschneidplatte für eine spanabhebende Bearbeitung von Stahl. 5

Bei einem Sintern eines Grünlings unter Bildung eines Hartmetallgegenstandes werden im Wesentlichen die Körner von Hartstoffpulvern durch Bindemetall gefügt.

Als Werkstoff für das Bindemetall, welches üblicherweise mit einem Anteil von bis zu io 30 Gew.-% im Hartmetall vorliegt, können prinzipiell alle höher schmelzenden Metalle und Legierungen eingesetzt werden.

Es ist Stand der Technik Legierungen, hergestellt aus den Elementen Eisen, Cobalt und/oder Nickel, als Bindemetall zu verwenden (DE 198 45 376 A1, DE 197 52 289 C1, 15 DE 199 22 057 A1), wobei diese Bindemetalllegierungen auch mit weiteren Elementen dotiert sein können (WO 1999/10549 A1, WO 2003/104507 A1) oder bei Erwärmung bestimmte Atomstrukturen bilden.

In der Regel wird jedoch Cobalt verwendet, weil sich Cobalt als Bindemetall besonders gut als 20 Verbindungselement von Karbiden, Nitriden und dergleichen Hartstoffpartikeln eignet.

Geringe Bindemetallanteile führen zu einer äußerst ausgeprägten Sprödigkeit des Werkstoffes mit höchster Härte. Steigende Anteile an Bindemetall erniedrigen zwar die Härte des Hartmetal-les, fördern jedoch dessen Zähigkeit. Je nach Verwendung des Hartmetallkörpers werden Bin-25 demetall- bzw. Cobaltanteile von 2 bis 30 Gew.-% verwendet und derart den Zähigkeitsforderungen an den Werkstoff Hartmetall entsprochen.

Wie oben dargelegt, fördern geringe Cobaltgehalte im Hartmetall die Sprödigkeit und einen Rissfortschritt im Teil. Bei hoher Sprödigkeit wirken geringe Inhomogenitäten im Material insbe-30 sondere an der Oberfläche rissinduzierend und führen zu Materialtrennungen des Hartmetallkörpers.

Insbesondere bei einer Herstellung von Wendeschneidplatten ist es üblich geworden, den Oberflächenbereich des Teiles mit Bindemetall anzureichern, sodass derart zwar die Härte des 35 Bereiches geringer ist, die Zähigkeit des Werkstoffes jedoch erhöht und sowohl die Rissinitiation als auch der Rissfortschritt minimiert sind.

Eine Anreicherung von Cobalt im oberflächennahen Bereich eines Hartmetallkörpers wird bei einem Sintern im Vakuum erreicht, weil Stickstoff aus Nitriden und auch Kohlenstoff aus Karbi-40 den im Vakuum bei Sintertemperatur Reaktionen zeigen und somit das Cobalt zur Oberfläche hin eine Anteilszunahme erfährt.

Diese durchaus gewünschte Anreicherung des Cobaltgehaltes im Oberflächenbereich eines Hartmetallgegenstandes hat jedoch den Nachteil, dass der Prozess zeitaufwendig ist, also 45 lange Sinterzeiten im Vakuum und/oder insbesondere mehrmaliges Sintern im Vakuum erfordert. Weiters ist der Gradient des Cobaltgehalts im Oberflächenbereich oftmals schwierig in einem gewünschten Ausmaß einstellbar. Es kann zu einem steilen Anstieg zur Oberfläche in einem engen Bereich kommen, was wiederum eine Rissinitiation und/oder Rissfortschritt fördert. 50

Hier will die Erfindung die Nachteile im Stand der Technik beseitigen und setzt sich zum Ziel, einen Hartmetallkörper zu schaffen, der bei einem für Sintern zur Verbindung der Hartstoffpartikel mit Bindemetall erforderlichen Zeit gleichzeitig eine gewünschte Dicke der mit Bindemetall angereicherten Oberflächenzone aufweist, wobei die Anreicherung in dieser verlaufend ausge-55 formt ist. 3 AT 501 801 B1

Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Gegenstand dadurch erreicht, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall aus Cobalt und Eisen besteht, wobei der Eisenanteil im Bindemetall größer als 5 Gew.-%, jedoch geringer als 50 Gew.-% ist.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass schon durch ein Sintern bei üblicher Sintertemperatur und bei erforderlicher Sinterzeit ein Hartmetallkörper mit einer Oberflächenzone mit einem höheren Bindemetallanteil bzw. mit erniedrigtem Hartstoffpartikelanteil herstellbar ist, wodurch eine Sprödrissbildung bzw. Rissausbreitung insbesondere bei Schneidplatten im unterbrochenen Schnitt wesentlich verringert ist. Der Anstieg des Bindemetallanteils verläuft im Wesentlichen im gesamten Bereich kontinuierlich, wobei eine Ausdehnung bzw. Dicke der Zone und ein Ausmaß der Bindemetallanreicherung vom Eisengehalt in diesem abhängt bzw. mit der Eisenkonzentration einstellbar ist. Eine ausreichende, wissenschaftliche Erklärung für diese gewünscht einstellbare Oberflächenausbildung durch einen Eisenanteil im Bindemetall kann derzeit noch nicht erfolgen; es kann jedoch angenommen werden, dass Eisen als Katalysator für Diffusionsvorgänge bzw. die Transportvorgänge für Atome hoch wirksam ist.

Mit Vorteil weist der Eisenanteil im Bindemetall einen Gehalt von größer als 10 Gew.-%, jedoch kleiner als 45 Gew.-%, vorzugsweise von kleiner als 38 Gew.-%, auf. Es können derart alle üblichen Hartmetallarten mit einer gewünschten die Rissinitiation verringernden Oberflächenzone des Körpers, insbesondere der Schneidplättchen, hergestellt werden. Eisenanteile von gleich/kleiner 5 Gew.-% bewirken einen ungünstig langsamen Aufbau der Anreicherung an Bindemetall unter der Oberfläche und können zu wenig wirtschaftlichen Herstellverfahren führen. Eisenkonzentrationen von größer 45 Gew.-% verringern die Härte des Teiles im Oberflächenbereich schon bei kürzest möglichem Sintern rasch und verschlechtern einen Korrosionswiderstand.

Wenn, wie nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der Anteil an Bindemetall 4 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 12 Gew.-% beträgt und mit einer Legierung aus Eisen und Cobalt gebildet ist, können Hartmetallkörper mit einem besonders günstigen Eigenschaftsprofil, insbesondere die Verschleißfestigkeit und die Zähigkeit betreffend, geschaffen werden. Bindemetallanteile von unter 4 Gew.-% steigern die Härte des Hartmetalles, führen jedoch zu einer Versprödung desselben und derart auch mit einem Konzentrationsanstieg zur Oberfläche hin zu einer hohen Trennbruchneigung des Körpers bzw. Teiles. Durch höhere Bindemetallgehalte als 15 Gew.-% werden die Härte und Verschleißfestigkeit derart verringert, dass beispielsweise Wendeschneidplatten keine ausreichende Schneidhaltigkeit aufweisen.

Wenn, wie gemäß der Erfindung vorgesehen ist, der Bindemetallanteil an der Oberfläche des Bereiches mit erhöhter Zähigkeit in Vol.-% mindestens 1,2mal, vorzugsweise mindestens 1,5mal, den Bindemetallanteil im Hartmetallkörper beträgt, so sind auch für Werkzeuge, die mit unterbrochener Spanabnahme arbeiten, also stoßweise hochbelastet sind, eine Rissinitiation, eine Rissausbreitung und eine Bruchgefahr wesentlich vermindert.

Untersuchungen haben ergeben, dass mit Vorteil die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit größer als 5 pm, jedoch kleiner als 50 pm, vorzugsweise größer als 10 pm, jedoch kleiner als 25 pm, beträgt.

Unterschreitet die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhtem Bindemetallanteil und erhöhter Zähigkeit des Hartmetallkörpers 5 pm, so ist eine wirkungsvolle Rissvermeidung in den Werkstoff hinein nicht in ausreichendem Maße gegeben. Überschreitet der Bereich erhöhter Zähigkeit jedoch 25 pm, so kann deren Härte nicht ausreichend sein, sodass plastische Materialverformungen entstehen können.

Eine Steigerung der Verschleißfestigkeit des Hartmetallkörpers kann erreicht werden, wenn dieser eine Beschichtung trägt.

Claims

4 AT 501 801 B1 Anhand von Versuchsergebnissen mit Gefügebildern (Fig. 1), die lediglich einen Ausführungsweg der Erfindung darstellen, soll diese näher erläutert werden. Aus Hartstoffpulver mit Gehalten an: 84 Gew.-% Wolframkarbid (WC) 3 Gew.-% Titannitrid (TiN) 5 Gew.-% Tantal-Niob-Karbid ((TaNb)C) und jeweils 8 Gew.-% Bindemetall wurden sogenannte Grünlinge gefertigt und diese in Vakuum bei einer maximalen Temperatur (Tmax) von 1410°C mit einer Haltezeit auf Temperatur von einer Stunde gesintert. Als Bindemetall kam in den Versuchsreihen Cobalt (Co) 100 Gew.-%, Nickel (Ni) 100 Gew.-%, Cobalt (Co) 70 Gew.-% und Eisen (Fe) 30 Gew.-% (Co 70 - Fe 30), Cobalt (Co) 50 Gew.-%, Eisen (Fe) 50 Gew.-% (Co 50 - Fe 50) zum Einsatz. An jedem Sinterkörper wurde mittels Mikroschliffs die Dicke (D) des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit bzw. mit erhöhtem Bindemetallanteil durch eine Gefügeuntersuchung bestimmt. Aus der nachfolgenden Tabelle und aus Fig. 1 sind die Ergebnisse ersichtlich. Versuchsreihe Bindemetall Bezeichnung in Fig. 1 Dicke D des Bereiches mit hoher Materialzähigkeit 1 Co 11 pm 2 Ni 13 pm 3 Co 70 - Fe 30 17 pm 4 Co 50 - Fe 50 22 pm Bei sonst gleicher Zusammensetzung des Hartmetallkörpers und bei gleichen Sinterbedingungen ist, wie die Ergebnisse aus der Tabelle und der Fig. 1 zeigen, eine Einstellung der Dicke D des Bereiches mit erhöhter Materialzähigkeit durch den Eisenanteil im Bindemetall möglich. Patentansprüche: 1. Hartmetallkörper hergestellt durch Sintern bei Unterdrück, gebildet aus Karbiden mit Nitriden und/oder Karbonitriden und einem Bindemetall bzw. Matrixmetall mit zumindest Teilen des Oberflächenbereiches, welche eine erhöhte Materiaizähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall aus Cobalt und Eisen besteht, wobei ein Eisenanteil im Bindemetall mehr als 5 Gew.-%, jedoch weniger als 50 Gew.-% beträgt.
2. Hartmetallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenanteil im Bindemetall einen Gehalt von größer als 10 Gew.-%, jedoch kleiner als 45 Gew.-%, vorzugsweise von kleiner als 38 Gew.-%, aufweist.
3. Hartmetallkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Bindemetall 4 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 12 Gew.-% beträgt und mit einer Legierung aus Eisen und Cobalt gebildet ist.
4. Hartmetallkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bindemetallanteil an der Oberfläche des Bereiches mit erhöhter Zähigkeit in Vol.-% mindestens 1,2mal, vorzugsweise mindestens 1,5mal, den Bindemetallanteil im Hartmetallkörper beträgt. 5 AT 501 801 B1
5. Hartmetallkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit größer als 5 pm, jedoch kleiner als 50 pm, vorzugsweise größer als 10 pm, jedoch kleiner als 25 pm, beträgt.
6. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Beschichtung trägt.
7. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper eine Wendeschneidplatte für eine spanabhebende Bearbeitung von Stahl io ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 15 20 25 30 35 40 45 50 55