AT501801B1 - Hard metal body with tough surface - Google Patents

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AT501801B1 AT8352005A AT8352005A AT501801B1 AT 501801 B1 AT501801 B1 AT 501801B1 AT 8352005 A AT8352005 A AT 8352005A AT 8352005 A AT8352005 A AT 8352005A AT 501801 B1 AT501801 B1 AT 501801B1
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Description

2 AT 501 801 B12 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. 5The invention relates to a cemented carbide body produced by sintering at reduced pressure, formed from carbides with nitrides and / or carbonitrides and a binder metal or matrix metal with at least parts of the surface area, which have an increased material toughness, in particular indexable insert for a machining of steel. 5

Bei einem Sintern eines Grünlings unter Bildung eines Hartmetallgegenstandes werden im Wesentlichen die Körner von Hartstoffpulvern durch Bindemetall gefügt.When sintering a green compact to form a hard metal object, substantially the grains of hard material powders are joined by binder metal.

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.As a material for the binder metal, which is usually present in a proportion of up to 30% by weight in the hard metal, in principle all higher-melting metals and alloys can be used.

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.It is state of the art alloys, made of the elements iron, cobalt and / or nickel, to use as binding metal (DE 198 45 376 A1, DE 197 52 289 C1, 15 DE 199 22 057 A1), wherein these binder metal alloys with other Elements can be doped (WO 1999/10549 A1, WO 2003/104507 A1) or form when heated certain atomic structures.

In der Regel wird jedoch Cobalt verwendet, weil sich Cobalt als Bindemetall besonders gut als 20 Verbindungselement von Karbiden, Nitriden und dergleichen Hartstoffpartikeln eignet.In general, however, cobalt is used because cobalt is particularly well suited as a binder metal as a connecting element of carbides, nitrides and the like hard material particles.

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.Low binder metal content leads to extremely pronounced brittleness of the material with the highest hardness. Increasing levels of binder metal, while lowering the hardness of the cemented carbide, promote its toughness. Depending on the use of the carbide body Bin-25 demetall- or cobalt proportions of 2 to 30 wt .-% are used and thus met the toughness requirements for the material carbide.

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.As stated above, low cobalt contents in the cemented carbide promote brittleness and crack propagation in the part. In the case of high brittleness, small inhomogeneities in the material, in particular on the surface, cause crack-inducing and lead to material separations of the carbide body.

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.In particular, in the production of indexable inserts, it has become customary to enrich the surface region of the part with binder metal, so while the hardness of the region is lower, however, the toughness of the material increases and both the crack initiation and the crack propagation are minimized.

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.An accumulation of cobalt in the near-surface region of a hard metal body is achieved by sintering in a vacuum, because nitrogen from nitrides and also carbon from carbons-40 in vacuum at sintering temperature reactions and thus the cobalt to the surface undergoes an increase in fraction.

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. 50However, this very desirable enrichment of the cobalt content in the surface region of a hard metal article has the disadvantage that the process is time-consuming, ie 45 long sintering times in a vacuum and / or in particular repeated sintering in vacuum requires. Furthermore, the gradient of cobalt content in the surface region is often difficult to adjust to a desired extent. There may be a steep rise to the surface in a narrow range, which in turn promotes crack initiation and / or crack propagation. 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 B1Here, the invention seeks to eliminate the disadvantages of the prior art and has set itself the goal of creating a cemented carbide body which simultaneously has a desired thickness of the binder metal-enriched surface zone at a time required for sintering to bond the hard material particles with binder metal, wherein the enrichment in this is extended. 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.This object is achieved in a generic subject matter in that the binder metal or matrix metal consists of cobalt and iron, wherein the iron content in the binder metal is greater than 5 wt .-%, but less than 50 wt .-%.

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.The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that a cemented carbide body having a surface zone with a higher binder metal content or with a reduced hard material particle fraction can be produced even by sintering at the usual sintering temperature and sintering time, whereby spray formation or crack propagation occurs, in particular Cutting inserts in broken section is substantially reduced. The increase in binder metal content is substantially continuous over the entire range, with a zone thickness and zone and an amount of binder metal enrichment dependent on the iron content therein or being adjustable with the iron concentration. A sufficient, scientific explanation for this desired adjustable surface formation by an iron content in the binder metal can not yet be done; however, it can be considered that iron is highly effective as a catalyst for diffusion processes or transport processes for atoms.

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.Advantageously, the iron content in the binder metal has a content of greater than 10 wt .-%, but less than 45 wt .-%, preferably less than 38 wt .-%, on. In this way, it is possible to produce all the usual types of hard metals with a desired surface initiation zone of the body which reduces crack initiation, in particular of the cutting tips. Iron shares of equal to / less 5 wt .-% cause an unfavorably slow build-up of the accumulation of binder metal below the surface and can lead to less economical production process. Iron concentrations of greater than 45% by weight rapidly reduce the hardness of the part in the surface area even with the shortest possible sintering and worsen a corrosion resistance.

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.If, as in a particularly preferred embodiment of the invention, the proportion of binder metal is 4 to 15 wt .-%, preferably 6 to 12 wt .-% and is formed with an alloy of iron and cobalt, carbide body with a particularly favorable profile of properties , in particular the wear resistance and the toughness concerning, are created. Binder metal contents of less than 4 wt .-% increase the hardness of the hard metal, but lead to embrittlement of the same and thus also with an increase in concentration to the surface towards a high tendency of separation of the body or part. Higher binder metal contents than 15% by weight reduce the hardness and wear resistance such that, for example, indexable inserts do not have sufficient cutting strength.

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.If, as provided according to the invention, the binder metal content on the surface of the region with increased toughness in% by volume at least 1.2 times, preferably at least 1.5 times, the binder metal content in the hard metal body, so are also for tools that with interrupted Chip removal work, so are intermittent high loads, crack initiation, crack propagation and a risk of breakage significantly reduced.

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.Investigations have shown that advantageously the thickness of the surface area with increased material toughness is greater than 5 μm but less than 50 μm, preferably greater than 10 μm but less than 25 μm.

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.If the thickness of the surface area with increased binder metal content and increased toughness of the cemented carbide body falls below 5 μm, then an effective crack prevention into the material is not sufficiently given. However, if the region of increased toughness exceeds 25 μm, its hardness may not be sufficient, so that plastic material deformations can occur.

Eine Steigerung der Verschleißfestigkeit des Hartmetallkörpers kann erreicht werden, wenn dieser eine Beschichtung trägt.An increase in the wear resistance of the cemented carbide body can be achieved if it carries a coating.

Claims (7)

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.On the basis of test results with micrographs (Fig. 1), which represent only one embodiment of the invention, this will be explained in more detail. From hard material powder with contents of: 84% by weight tungsten carbide (WC) 3% by weight titanium nitride (TiN) 5% by weight tantalum niobium carbide ((TaNb) C) and in each case 8% by weight binder metal were so-called Made green compacts and sintered them in vacuum at a maximum temperature (Tmax) of 1410 ° C with a holding time to temperature of one hour. Cobalt (Co) 100 wt.%, Nickel (Ni) 100 wt.%, Cobalt (Co) 70 wt.% And iron (Fe) 30 wt.% (Co 70-Fe 30), cobalt (Co) 50 wt.%, Iron (Fe) 50 wt.% (Co 50 - Fe 50). On each sintered body, the thickness (D) of the surface region with increased material toughness or with an increased binder metal content was determined by microstructural examination by microstructural examination. From the table below and from Fig. 1, the results can be seen. Test series Binding metal Designation in FIG. 1 Thickness D of the range with high material toughness 1 Co 11 pm 2 Ni 13 pm 3 Co 70 Fe 30 17 pm 4 Co 50 Fe 50 22 pm With otherwise identical composition of the hard metal body and under the same sintering conditions, As the results from the table and Fig. 1 show, an adjustment of the thickness D of the region with increased material toughness by the iron content in the binding metal possible. 1. Carbide body produced by sintering at negative pressure, formed from carbides with nitrides and / or carbonitrides and a binder metal or matrix metal with at least parts of the surface region having an increased Materiaizahkeit, characterized in that the binder metal or matrix metal of cobalt and Iron, wherein an iron content in the binder metal is more than 5 wt .-%, but less than 50 wt .-%. 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.2. Hard metal body according to claim 1, characterized in that the iron content in the binder metal has a content of greater than 10 wt .-%, but less than 45 wt .-%, preferably of less than 38 wt .-% having. 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.3. carbide body according to claim 1 or 2, characterized in that the proportion of binder metal is 4 to 15 wt .-%, preferably 6 to 12 wt .-% and is formed with an alloy of iron and cobalt. 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 B14. carbide body according to claim 1 to 3, characterized in that the binding metal content on the surface of the region with increased toughness in Vol .-% at least 1.2 times, preferably at least 1.5 times, the binding metal content in the hard metal body. 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.5. Carbide body according to claim 1 to 4, characterized in that the thickness of the surface region with increased material toughness greater than 5 pm, but less than 50 pm, preferably greater than 10 pm, but less than 25 pm, is. 6. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Beschichtung trägt.6. carbide body according to one of claims 1 to 5, characterized in that it carries a coating. 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 50 557. carbide body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the hard metal body is an indexable insert for a machining of steel io. For this purpose 1 sheet of drawings 15 20 25 30 35 40 45 50 55
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