Hochverschleissfester, gesinterter Werkstoff aus Aluminiumoxyd und Schwermetallkarbiden und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen hochverschleissfesten Werkstoff aus Aluminiumoxyd und Schwermetallkar- biden, insbesondere für die Zerspannung, und ein Ver fahren zu dessen Herstellung.
Mit der Erfindung der Hartmetalle war es gelun gen, Metallkarbide der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems, die sich durch hohe Härte aus zeichnen, für die Zerspanungstechnik erfolgreich ein zusetzen. Es war naheliegend, auch nichtmetallische Hartstoffe auf ihre Eignung als Schneidwerkstoffe zu untersuchen.
Insbesondere Aluminiumoxyd (A103), das als Korund schon lange als Schleifmittel technisch ver wendet wurde, schien wegen seiner hohen Härte, Schmelztemperatur und Verschleissfestigkeit als Schneidwerkstoff geeignet.
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, Schneidwerkstoffe auf A403-Grundlage zu entwik- keln, die in der Folge auch zu brauchbaren Ergeb nissen geführt haben. Diese oxydkeramischen Schneidwerkstoffe enthielten neben A1.03 vorzugs weise Zusätze bis zu 1 % an Metallsalzen, wie z. B. MgF, oder MgCl,.
Der Vorteil dieser oxydkeramischen Schneid werkstoffe liegt in der hohen Härte und Verschleiss- festigkeit sowie in der höheren Warmbiegefestigkeit gegenüber den gebräuchlichen Hartmetallsorten. So zeigt die Warmbiegefestigkeit der oxydkeramischen Schneidwerkstoffe bis zu Temperaturen von 10000 C keine Änderung, während die Biegefestigkeit von Sinterhartmetallen bereits bei Temperaturen um 600o C abfällt.
Ein weiterer Vorteil der oxydkeramischen Schneidwerkstoffe besteht offensichtlich darin, dass infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit ein Maxi- mum der bei dem Zerspanungsvorgang entstehenden Wärme in den Span geleitet wird, während nur ein Minimum über den Schneidwerkstoff in das Werk zeug abgeleitet wird. Dadurch wird die plastische Verformung bei der Spanbildung günstig beeinflusst.
Des weiteren entfällt bzw. wird stark herabgesetzt die von der Zerspanung mit Hartmetall her bekannte Kolkbildung, weil die Verschweissung und Diffusion zwischen ablaufendem Span und Schneidwerkstoff sehr gering ist. Schliesslich entfällt der Einfluss der Oxydation, der sich auch beim Zerspanungsvorgang mit Hartmetallen ungünstig auf die Verschleissbil dung des Werkzeuges auswirkt.
Diesen Vorteilen stehen jedoch auch wesentliche Nachteile gegenüber, die insbesondere bei einem Vergleich mit Hartmetallwerkzeugen die Verwendung von Keramikschneiden nicht empfehlenswert erschei nen lassen. Die Zähigkeit aller bisher bekannten oxydkeramischen Schneidwerkstoffe ist gegenüber Hartmetall sehr gering.
So beträgt die Biegebruch festigkeit im Durchschnitt weniger als 30 kg,/mm2. Diese geringe Zähigkeit erlaubt auch nur den Einsatz für leichte Schnittbedingungen. Die geringe Wärme leitfähigkeit bedingt nur eine begrenzte Wärmewech- selbeständigkeit, die sich insbesondere beim Schleifen ungünstig auswirkt und das Auftreten von Span nungsrissen und Ausbrüchen begünstigt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese oxydkeramischen Schneidwerkstoffe nur unter oxydie render Atmosphäre gesintert werden können. In Anbetracht der hohen Sintertemperatur von 1750o C und mehr entstehen aber dadurch bei der produk- tionsmässigen Herstellung erhebliche Schwierigkeiten, die ihren Niederschlag in hohen Herstellungskosten finden.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist man dazu übergegangen, den herkömmlichen oxydkeramischen Schneidwerkstoffen Metalle in Mengen bis zu 40 % hinzuzufügen. Man hat hiermit das Gebiet der Metall oxyd-Metallverbundkörper, d. h., der sogenannten Cermets , betreten. Es sind die verschiedensten metallischen Zusätze für diesen Zweck verwendet worden, so z. B.
Metalle der Eisengruppe, aber auch Schwermetalle wie Wolfram und Molybdän. Auf diese Weise gelang es, die Wärmeleitfähigkeit der oxydkeramischen Schneidwerkstoffe beträchtlich zu erhöhen, allerdings unter Beeinträchtigung der Ge samthärte dieser Verbundkörper. Die Sinteratmo- sphäre muss bei derartigen Cermets reduzierender Art sein, wodurch sich eine bessere ofentechnische Be herrschung des Sintervorganges bei höheren Tempe raturen ergibt.
Sehr vorteilhaft hat sich Molybdän als metallische Zusatzkomponente erwiesen. In diesem Falle ist es zweckmässig, die Sinterung in einer CO-haltigen At mosphäre durchzuführen, da sich hierdurch ein ver- schleissfesterer Metalloxyd-Metallverbundkörper er gibt.
Eine derartige Arbeisweise hat aber den Nach teil, dass sich in einer solchen Schutzatmosphäre aus CO schlecht kontrollierbare Vorgänge abspielen, die die Bildung von Metall-Kohlenstoff-Verbindungen zum mindesten an der Oberfläche der Formstücke hervorrufen.
In neuerer Zeit hat man deshalb versucht, einen Metalloxyd-Metallkarbid-Verbundkörper als Schneid werkstoff zu entwickeln. Neben Aluminiumoxyd als oxydische Grundkomponente enthält ein derartiger Verbundkörper bis zu 70 % an Schwermetallkarbi- den als weitere Komponente. Besonders vorteilhaft hat sich ein Zusatz von 40 bis 50 Gew.-% an Mo lybdänkarbid (Mo2C) erwiesen.
Ein solcher Verbund körper besitzt nicht nur den Vorteil einer höheren Verschleissfestigkeit, sondern gestattet auch eine Sin- terung unter reduzierender Atmosphäre, wie meist in der Hartmetalltechnik üblich, durchzuführen.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass eine weitere Verbesserung der Schneidfähigkeit der hochverschleissfesten gesinterten Wirkstoffe aus Aluminiumoxyd und Schwermetallkarbiden dadurch zu erreichen ist, dass der Werkstoff zu 5-70 % aus Mischkristallen von Karbiden mehrerer Metalle der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems besteht.
Unter den vielen Möglichkeiten, die sich be züglich der Art und Zusammensetzung der Misch kristalle ergeben, hat sich die Verwendung eines Wolfram-Molybdän-Mischkarbides als besonders ge eignet vor allem dann erwiesen, wenn bei der Her stellung des Mischkarbides auf die Erzielung einer besonders grossen Feinkörnigkeit geachtet wird. Es resultiert daraus auch ein sehr feinkörniges Gefüge des gesinterten Endproduktes, welches neben gerin ger Porosität eine sehr gute Zähigkeit aufweist. Die Verwendung von Mischkarbiden, wie z.
B. der oben beschriebenen WC-Mo,C-Mischkristalle, hat ausser- dem noch den Vorteil, dass die Metalloxyd-Metall- karbid-Presslinge eine sehr gute Sinterfreudigkeit zei gen und dass die Sehwindung beim Sintern in ziemlich engen Toleranzen zu beherrschen ist. Ferner hat sich ergeben, dass die optimale Sintertemperatur, die zur Erzielung besonders hochwertiger Produkte führt, nicht in so engen Grenzen eingehalten zu werden braucht, wie dies bei den bisher bekannten oxydkeramischen Schneidwerkstoffen der Fall ist.
Zur Verbesserung der Sinterfähigkeit des erfin- dungsgemässen Metalloxyd-Metallkarbid-Verbund- stoffes können demselben beim Aufbereitungsprozess sinterfördernde bzw. diffusionserleichternde Zusätze an Metallen oder Metall-Legierungen der Eisen gruppe zugesetzt werden.
Ein Metalloxyd-Metallkarbid-Verbundstoff nach der Erfindung kann nach folgendem Verfahren her gestellt werden: Bei der Herstellung des Verbund werkstoffes wird von Aluminiumoxyd (A1,03) äusser- ster Feinkörnigkeit und Reinheit ausgegangen,
das nach einem Mahlvorgang durch einen Kalzinierungs- prozess in die a-Modifikation übergeführt. Die Her stellung der Karbid-Mischkristalle erfolgt in der aus der Pulvermetallurgie bekannten Weise und muss ver- fahrentechnisch auf die chemischen und insbesondere auf die physikalischen Eigenarten der zur Verwen dung kommenden Karbide abgestimmt werden. Um eine vollkommene Mischkristallphase ohne Einzel karbidkomponenten zu erhalten, ist von Mischungs verhältnissen auszugehen, in deren Bereich eine voll kommene Löslichkeit auftritt.
Die karburierte und in Form von Mischkristallen vorliegende Karbidlegie- rung wird längere Zeit in Vibratormühlen mit Hart-- metallkugeln nass gemahlen und anschliessend ge trocknet und gesiebt. Bei dem Mahlvorgang können sinterfördernde Zusätze von Metallen oder Metall- Legierungen der Eisengruppe zugesetzt werden.
Ein Teil dieser Metallzusätze kann auch schon vor der Karburierung beigegeben werden, da hierdurch die Mischkristallbildung erleichtert wird. Die Mischkri stalle bildende Karbidlegierung wird nun mit dem aufbereiteten Aluminiumoxyd gemischt, was zweck mässig in Trommelmühlen mit Hilfe von Porzellan kugeln und unter Anfeuchten mit Methylalkohol ge schieht. Das Pressen des feingemahlenen und getrockneten Gemisches erfolgt unter Verwendung von presserleichternden Substanzen wie Glykol, Kautschuklösungen und dergleichen auf hydrauli schen Pressen.
Die gepressten Formkörper können nun vorgesintert und in diesem Zustand einer weite ren Formgebung unterzogen werden. Die Vorsinte- rung ist zweckmässig, aber nicht unbedingt notwen dig. Die Fertigsinterung wird im mit Wasserstoff durchspülten Kohlerohr-Widerstandsofen vorgenom men. Die Presslinge werden dabei zweckmässig in Edelkorund eingebettet.
In dem nachstehenden Ausführungsbeispiel wird ein erfindungsgemässer Verbundwerkstoff sowie des sen Herstellung beschrieben. Der Verbundstoff soll in fertigem Zustand folgende Zusammensetzung auf weisen: 60 % A1203, 40 % WC-Mo± Mischkri stalle.
Zur Herstellung der Karbidmischkristalle wird ein Gemisch von Molybdän und Wolframmetallpul- ver und Kohlenstoff im stöchiometrischen Verhältnis so angesetzt, dass bei der Karburierung entstehen 47 Gew.-% MO.C, 53 Gew.-% WC.
Die Karburierung erfolgt bei 1500-16000 C unter Wasserstoff. Bei diesem chemischen Prozess tritt gleichzeitig die Mischkristallbildung ein. Es be steht auch die Möglichkeit, die Karbidmischungen im entsprechenden Verhältnis anzusetzen und diese Karbidmischungen auf die Mischkristallbildungstem- peratur zu erhitzen, so dass hierdurch eine von der Karburierung unabhängige Mischkristallbildung er reicht wird.
Erfahrungsgemäss erfordert jedoch eine derartige Verfahrensweise längere Behandlungszeiten. Die Karbidmischkristalle werden nun, wie beschrie ben, gemahlen, mit A1203 gemischt und bei einem Pressdruck von 0,5 t/cml- gepresst. Die Sinterung er folgt im Kohlerohr-Widerstandsofen unter Wasser stoff bei etwa 18500 C.
Soll vor der Fertigsinterung vorgesintert werden, so ist dies bei etwa 12000 C durchzuführen. Als sinterfördernde Zusätze können Metalle oder Metallegierungen der Eisengruppe zu gesetzt werden, u. zw. in Höhe von 0,5 bis 5 % vom Mischkarbidanteil. Ein nach dem Ausführungsbeispiel hergestellter Verbundkörper weist folgende Durch schnittswerte auf :
Härte R_x ", 93, Biegebruchfestig- keit = 40-45 kg/mm2.
Gegenüber den bekannten Verbundstoffen auf A1203-Schwermetallkarbidgrundlage wird eine Erhö hung der Biegebruchfestigkeit um 15-25 kg/mm2 er reicht. Der erfindungsgemässe Werkstoff ist auf Grund seiner Festigkeitseigenschaften sehr gut für die spangebende Bearbeitung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen geeignet. Er weist ge genüber den bereits bekannten Metalloxyd-Metallkar- bid-Verbundstoffen ein wesentlich besseres Stand zeitverhalten auf.
Es haben beispielsweise Versuche ergeben, dass ein Erfindungsgemässer Schneidwerk stoff bei der Zerspanung von Stahl mit 85 kg/mm2 Festigkeit bei einem Vorschub von s = 0,2 mm/ Umdr., einer Spantiefe a = 2 mm und einer Schnitt- geschwindigkeit von v = 300 m/min eine Standzeit von 700 Minuten aufweist. Demgegenüber war bei dem unter gleichen Bedingungen eingesetzten be kannten Schneidwerkstoff auf Aluminiumoxyd- Schwermetallkarbidgrundlage nur eine Standzeit von etwa 120 Minuten zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verbundstoffes ist darin zu sehen, dass die Sinterung von Aluminiumoxyd und einer Schwermetallkarbidlegierung, die als feste Lö sung, also in Form von Mischkristallen vorliegt, im Hinblick auf Änderungen der Sintertemperaturen wesentlich unempfindlicher ist, als die bekannten Verbundstoffe, die dadurch hergestellt werden, dass Aluminiumoxyd mit einem Gemisch von Metallkar- biden gesintert wird.
Ausserdem ist es bei Verbund stoffen nach der Erfindung infolge der vorhandenen Karbidmischkristalle wesentlich einfacher, den Koh- lenstoffhaushalt zu regeln.