DD295106A5 - Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkoerper aus Hartstoff, einem Bindemittel und eingelagertem Verstaerkungsmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallverbundkoerpers auf pulvermetallurgischem Weg. Um einen Hartmetallverbundkoerper mit einer hoeheren Zaehigkeitsbelastbarkeit, groeszeren Haerte und einer geringeren Bruchanfaelligkeit zu erhalten, wird vorgeschlagen, einkristalline, vorzugsweise mit einer gegenueber der Bindemetallphase inerten Beschichtung versehene nadel- und/oder plaettchenfoermige Verstaerkungsmaterialien aus Boriden und/oder Carbiden, und/oder Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente der Gruppe IVa oder Va oder Mischungen hiervon und/oder beschichtetes einkristallines Verstaerkungsmaterial aus SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2, AlN und/oder BN einzubauen. Der Hartmetallverbundkoerper wird auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, wobei das Verstaerkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form ggf. mittels CVD oder PVD mit einer gegenueber der Bindemetallphase inerten Beschichtung mit der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt, getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch gepreszt und durch Sintern bzw. einen kombinierten oder getrennten Sinter/HIP-Prozesz oder durch Axial-Heiszpressen der Verbundkoerper hergestellt wird. Das Axial-Heiszpressen wird vorzugsweise bei Verstaerkungsmaterial gehalten oberhalb von 20 * durchgefuehrt, darunter bevorzugt man die uebrigen genannten Verfahren.{Hartmetallverbundkoerper mit Verstaerkungsmaterial; Whisker, nadel- und plaettchenfoermig; pulvermetallurgische Fertigung}
Description
ι /SS4TOC
Beschreibung
Hartmetallverbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallverbundkörper, bestehend aus Hartstoffphasen, wie Wolframcarbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystems, aus Verstärkungsmaterialien und aus einer Bindemetall-
phase, wie Cobalt und/oder Eisen und/oder Nickel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallverbundwerkstoffes auf pulvermetallurgischem Weg.
Die nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Einkristalle besitzen hervorragende mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine große Zug- und Schubfestigkeit.
In der AT-PS 259 242 wird ein aus Hartstoffen und Bindemitteln bestehendes Sinterhartmetall beschrieben, das Hartstoffe in Form von nadeiförmigen Einkristallen in einer Menge von wenigstens 0,1 %, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 % des gesamten Hartstoff anteils enthält. Zur Herstellung dieses Sinterhartmetalls wird dem Hartstoffanteil vor dem Vermählen WC in Form von nadelförmigen Einkristallen zugesetzt, wobei nach Zusatz eines Bindemetalls der Eisengruppe der Hartmetallansatz gepreßt und unter Bildung einer flüssigen Phase gesintert wird. Nachteiligerweise löst sich jedoch der einkristalline WC-Anteil weitgehend in der Bindephase (vgl. DE-Z "Metall", Juli 1974, Heft 7). Im übrigen reichen die vorgeschlagenen Hartstoff-Einkristalle nicht aus, um eine merkliche Verbesserung der Verschleißeigenschaften zu erhalten, insbesondere auch deshalb nicht, weil maximal nur so viel Hartstoff-Einkristalle zugegeben werden sollen, bis der Hartstoffeinkornanteil (Körner mit mittlerem Durchmesser unter 2 μΐη) ersetzt ist.
Durch den erfindungsgemäßen Hartmetallverbundkörper und das Verfahren zu dessen Herstellung werden die Härte und die Zähigkeit gesteigert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hartmetallverbundkörper anzugeben, der gegenüber den bisher bekannten Hartmetallverbundkörpern eine höhere Zähigkeitsbelastbarkeit, eine größere Härte, auch bei starker thermischer Belastung des Hartmetallverbundkörpers und eine geringere Bruchanfälligkeit aufweist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hartmetallverbundkörpers anzugeben.
Die Aufgabe wird durch einen Hartmetallverbundkörper der im Anspruch 1 genannten Zusammensetzung gelöst.
Die Verwendung von Whiskern ist zwar nach dem Stand der Technik bei anderen Stoffen bereits vorgeschlagen worden:
So z.B. in der US-PS 34 41 392 eine faserverstärkte Metallegierung, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt worden ist und die beispielsweise Fasern aus (* -Aluminiumoxid und Siliciumcarbid enthält.
Die US-PS 45 43 345 beschreibt eine Keramik (Al2C>3-Matrix) mit
eingelagerten SiC-Einkristallen.
Aus der DE-33 03 295 Al ist bekannt, daß die Festigkeits- und Bruchzähigkeitseigenschaften einer siliciumcarbidfaserverstärkten Keramik besser als die der Keramikmatrix sind. Entsprechende Angaben werden auch in der DE-Z ZwF 83 (1988) 7, Seiten 354 bis 359 gemacht.
3 1SS-70G
Die EP-O 067 584 Bl beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus einem metallischen/ keramischen Glas- oder Kunststoff-Grundmaterial und darin im wesentlichen homogen und gleichmäßig verteilten desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern zur Verstärkung des Grundmaterials, bei dem man Siliciumcarbidwhisker in einem polaren Lösungsmittel zur Bildung einer Aufschlämmung rührt und anschließend die Aufschlämmung zur Bildung einer Aufschlämmung aus desagglomerierten Siliciumcarbidw.hiskern vermahlt, die Aufschlämmung hieraus mit einem Grundmaterial zur Bildung einer homogenen Mischung vermischt, anschließend trocknet und zu einem Rohling formt.
Schließlich sind aus der EP-O 213 615 A2 Verbundwerkstoffe bekannt, bei denen in einer Metallmatrix Siliciumcarbid- und Siliciumnitridwhisker enthalten sind.
Die Einbringung von nadel- oder plättchenförmigen Einkristallen bei Hartmetallen in größeren Mengen wurde jedoch nie durchgeführt, weil bisher eine Lösung der Einkristalle in der flüssigen Bindemittelphase befürchtet worden ist. In der Tat ist die Löslichkeit des WC in einem Bindemittel wie Cobalt groß, was bewirkt, daß die Verwendung von WC-EinkristalLen - wie in der DE-PS 259 242 vorgeschlagen - keine Verbesserung der Verschleißeigenschaften bringt.
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bis 10 dargelegt.
Ein besonderer Vorteil einer inerten Whiskerbeschichtung liegt jedoch darin, daß eine gezielte Festigkeit der Bindung mit der Matrix eingestellt werden kann. Insgesamt führt die Einlagerung von beschichteten Whiskern zu einer Härteerhöhung mit einer gleichzeitigen Zähigkeitssteigerung, und zwar auch bei Hochtemperaturbelastungen, wie sie z.B. bei Schneidwerkstoffen stattfinden. Vorteilhafterweise wird dies auch bei solchen Hartmetallen erreicht, die einen geringen Bindemittelgehalt aufweisen (weniger als 8 Volumen-%).
4 a 51OG
Darüber hinaus kommt der inerten Beschichtung eine gewissen Schutzfunktion für die umhüllten Einkristalle zu, d.h. die Einkristalle können nicht im Bindemittel gelöst werden, insbesondere lassen sich erstmalig WC-Einkristalle in einem bezogen auf die Hartmetallzusammensetzung wirkungsvollen Anteil verwenden.
Der auf das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren bezogene Aufgabenteil wird durch (3Aq im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst, wobei insbesondere bei Gehalten bis zu 20 Volumen-% dem normalen Sinter-, dem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß oder dam Sintern mit einem nachfolgenden heißisostatischen Pressen in einer getrennten Anlage und bei höheren Verstärkungsmaterialgehalten dem Heißpressen der Vorzug gegeben wird.
Die Herstellung der Whisker-Hartmetal!verbundwerkstoffe lehnt sic(. grundsätzlich an bekannte pulvermetallurgische Verfahrensschritte an. So werden im Unterschied zum Stand der Technik die Verstärkungsmaterialien (Whisker, Plättchen) zunächst aufbereitet, desagglomeriert und klassifiziert sowie vorzugsweise mittels eines CVD- oder PVD-Verfahrens beschichtet, bevor sie den weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen vier Verdichtungsverfahren: Dem üblichen Sintern, einem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, bei dem unmittelbar auf den Sintervorgang in der Hitze ein heißisostatisches Pressen bei 20 bis 100 bar, maximal 200 bar, durchgeführt wird, dem Sintern mit nachfolgenden heißisostatischen Pressen bei Drücken um beispielsweise ca. 1000 bar in einer getrennten Anlage und schließlich dem erwähnten Heißpressen.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mischung aus 4 Volumen-% Co, Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen 21 Volumen-% TiC-Whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form zugegeben worden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einer Mischung aus 4 Volumen-% Co7 Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen 21 Volumen-% WC-Whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form, die mittels des im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannten CVD-Prozesses mit TiC beschichtet worden sind, zugegeben worden. Die gesamte Mischung wurde jeweils anschließend getrocknet., granuliert und kaltisostatisch zu einem Grünling vorgepreßt, bevor über das Heißpressen der Whisker-Verbundwerkstoff fertiggestellt wurde.
Insgesamt besitzt der erfindungsgemäße Hartmetallverbundwerkstoff eine größere Härte und höhere Festigkeitswerte als nach dem Stand der Technik bekannte Verbundwerkstoffe. Die Zähigkeitsbelastbarkeit ist bei vermindertem Bruchrisiko höher, ohne daß höhere Bindegehalte eingestellt werden mußten.
Claims (13)
- .1 C i t I- C-Patentansprüche1. Hartmetallverbundkörper bestehend aus Hartstoffphasen, wie Wolframcarbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystems, aus Verstärkungsmaterialien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt und/oder Eisen und/oder Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß einkristallines nadel- und/oder plättchenförmiges Verstärkungsmaterial aus Boriden und/oder Carbiden und/oder Nitriden und/oder Carbonitriden der Elemente der Gruppe IVa (Ti, Zr, Hf) oder Va (V, Nb, Ta) oder Mischungen hiervon und/oder einkristallines Verstärkungsmaterial aus SiC, S13N4, S12N2O, AI2O3, ZrC"2/ AlN und/oder BN eingebaut ist, wobei der Anteil des Verstärkungsmaterials jeweils 2 bis 40 Volumen-%, vorzugsweise 10 bis 20 Volumen-% beträgt.
- 2. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nadeiförmigen Einkristalle (Whisker) eine Länge von 3 pm bis 100 pm aufweisen.
- 3. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nadeiförmigen Einkristalle einen Durchmesser von 0,1 bis 10 μΐη haben.
- 4. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die plättchenförmigen Einkristalle (Plättchen) eine Dicke von 0,5 pm bis 10 pm und einen Durchmesser 3 pm bis 100 pm aufweisen.
- 5. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß SiC-nadel- oder plättchenförmige Einkristalle vorliegen und zu mehr als 90 % die A-SiC-Struktur aufweisen.ν < i i. ; I ti IE'.' .11I ti« i f III IC. ( fIi ; ι ι it licii ι ι ; ι ι( . 1 i ί i i IlZSS
- 6. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial mit einer gegenüber der Bindemetallphase inerten Beschichtung versehen ist.
- 7. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet/ daß das Verstärkungsmaterial ganz oder teilweise durch Boride und/oder Carbide und/oder Nitride und/oder Carbonitride der Elemente der Vla-Gruppe des Periodensystems oder Mischungen hiervon ersetzt ist.
- 8. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine inerte Beschichtung aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der IVa-Gruppe (Ti, Zr, Hf) und/oder aus ZrO2/ AI2O3 und/oder BN.
- 9. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung mindestens 0,02 μΐη und maximal 2/10 des Nadeldurchmessers bzw. der Plättchei\dicke, vorzugsweise 1/10 hiervon bzw. mindestens 0,05 pm, beträgt.
- 10. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die inerte Beschichtung der nadel- und/oder plättchenförmigen Einkristalle mittels des CVD-(chemical vapour deposition)Verfahrens oder des PVD-(physical vapour deposition)Verfahrens auf die Einkristalle aufgebracht ist.
- 11. Verfahren zur Herstellung des Hartmetallverbundkörpers nach Ansprüchen 1 bis 5 auf pulvermetallurgischem Weg, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form mit der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt, dann getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch gepreßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen- t-kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, durch Sintern mit einem HIP-Prozeß nach zwischenzeitiger Abkühlung oder durch Axial-Heißpressen hergestellt wird.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form mittels des CVD- oder PVD-Verfahrens mit Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden der IVa-Gruppe, Va-Gruppe oder Vla-Gruppe oder Mischungen hiervon und/oder SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2/ AlN und/oder BN beschich-tet wird, bevor es mit der gemahlenen Mischung aus Hartstoffen und Binder vermischt, dann getrocknet, granuliert, uniaxial oder kaltisostatisch gepreßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, durch Sintern mit einem HIP-Prozeß nach zwischenzeitiger Abkühlung oder durch Axial-Heißpressen hergestellt wird.
- 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verstärkungsmaterial-Gehalten bis zu 20 Volumen-% das normale Sintern, das Sintern mit einem nach Abkühlung erfolgenden heißisostatischen Pressen oder der kombinierte Sinter-HIP-Prozeß und bei Gehalten oberhalb von 20 Volumen-% das Axial-Heißpressen durchgeführt wird bzw. werden.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AT504909B1 (de) * | 2007-03-27 | 2008-09-15 | Boehlerit Gmbh & Co Kg | Hartmetallkörper mit einer beschichtung aus kubischem bornitrid |
| CN109266950A (zh) * | 2018-10-26 | 2019-01-25 | 河南富莱格超硬材料有限公司 | 立方氮化硼增强钢铁基复合材料及其制备方法 |
| CN109825732A (zh) * | 2019-02-27 | 2019-05-31 | 陕西理工大学 | 多尺度多层次界面硬质合金材料的制备方法 |
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