DD297751A7 - Verfahren zur herstellung dichter hartmetallformkoerper auf basis titankarbid/titankarbonitrid - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Pulvermetallurgie. Ziel der Erfindung ist es, den hohen technologischen Aufwand zu senken, eine gute Homogenisierung des Ansatzes zu erreichen und mit verringertem Sinteraufwand Formkoerper geringer Restporositaet herzustellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Eigenschaften des Produktes nicht nachteilig von Schwankungen der Stoechiometrie bzw. erhoehten Sauerstoff-Anteilen im Hartstoff beeinfluszt werden, beim Mahlvorgang eine gute Zerkleinerung und Verteilung der Komponenten erreicht wird und bei dem dichte Formkoerper hergestellt werden. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz 5 bis 97 * Titankarbid und/oder Titankarbonitrid mit 2,5 bis 94,5 * Titan und/oder Titanhydrid, zusammen mit 0,5 bis 10,0 * mindestens einem der Metalle Cu, Mn, Fe, Co oder Ni gemahlen werden. Das Mahlen erfolgt unter Zusatz eines Plastifikators und unter Zutritt von Sauerstoff, bis die Pulvermischung 1,0 bis 6,0 * Sauerstoff enthaelt. Die Pulvermischung wird getrocknet, granuliert und zu Formkoerpern verpreszt. Bei Temperaturen zwischen 1 200 und 1 500C werden die Formkoerper gesintert. Anwendungsgebiete der Erfindung sind beispielsweise die Herstellung von Mahlkoerpern oder Wendeschneidplatten.

Description

Anwendungsgebiet der Erfinduno

Die Erfindung bezieht sich auf das. Gebiet der Pulvermetallurgie. Objekte, für die ihre Anwendung möglich ist, sind gesinterte Formkörper für tribologische Beanspruchungen, beispielsweise Mahlkörper und Dichtungsringe, und fur die Zerspanung, z. B. Wendeschneidplatten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind rohstoffgünstige, insbesondere wolframkarbid- und kobaltfreie bzw. -arme Hartmetalle auf Titankarbid-Basis mit Zusätzen von vorzugsweise Mo₂C und Ni bzw. Ni/Mo bekannt. Das Fesiigkeits-, Verschleiß- und Gebrauchswertverhalten der Werkstoffe hängt im allgemeinen empfindlich von der Höhe des Sauerstoffgehaltes im Hartmetall ab. Die negative Wirkung des Sauerstoffs auf die Eigenschaften von TiC-Basis-Hartmetallen ist seit langem auf für andere Zusammensetzungen bekannt (F. Skaupy: Metallkeramik, Verlag Chemie, Weinheim/Bergstr. 1950, S. 195). Die Forderung nach Ausschaltung des schädlichen Sauerstoffeinflusses liegt demzufolge auch der DE-PS 557033 (Erf.: F. Skaupy) zugrunde, wonach beim Sintern von Titankarbid und Titanpulver als Hilfsmetall nur ein duktiles, sauerstoffarmes Titanpulver verwendet werden kann. Der wirksame Hartstoff soll dabei beim Herstollungsprozeß im wesentlichen in seiner Menge unverändert bleiben. Von Nachteil ist bei diesen Lösungen, daß die zur Einhaltung eines niedrigen Sauerstoffgehaltes erforderlichen Verfahrensschritte wegen der hohen Affinität von Titanpulver zu Sauerstoff technologisch sehr aufwendig sind.

Man hat versucht, diese Nachteile durch Tränken eines Karbidskelettkörpers, z. B. mit Titan, zu umgehen, um eine Mindestzähigkeit des Hartmetalls zu erreichen, da Titan in kompakter Form ausreichend duktil erhalten werden kann (DE-PA 557033). Eine praktische Bedeutung haben aber derartige Verfahren in der Hartmetallerzeugung nicht erlangt. Eine andere Variante zur Umgehung der auf Sauerstoff beruhenden Nachteile besteht in der Bildung von Karbid-Mischkristallen, wodurch man sich eine Selbstreinigung von freiem Kohlenstoff und von Oxiden bzw. Nitriden erhofft (Kieffer, R„ F.Kölbl: „Wolframkarbidfreie Hartmetalle", Metallkundliche Berichte, Bd. 24, Verlag Technik, Berlin 1951, S. 12), d. h. auch freier Kohlenstoff, eingebracht mit dem Hartstoff wird als schädlich eingestuft.

Es ist ebenfalls bekannt, daß auch bei der Herstellung von Formkörpern aus Titankarbonitrid der Sauerstoffgehalt von 0,05 Ma.-% im Hartstoff nicht überschritten werden darf und zusätzlich die Zugabe von Molybdän bzw. Mo₂C zur Desoxidation und Nickel/ Molybdän als gut benetzender Binder erforderlich ist (Kieffer, R., Ettmayer, P.: „Entwicklungen auf dem Gebiete der Nitridchemie und nitridhaltiger Hartmetalle", Radex-Rdsch. (1982J A₁ S.998-1009). In Weiterentwicklung dieses Hartmetalltyps wurde als Hartstoff ein Oxikarbonitrid eingesetzt (DD-PS 123078, OS 2902139), wobei u. a. zur Stabilisierung des Sauerstoffs im Hartmetall die Sinterung in einer speziellen CO-Atmosphäre durchgeführt wurde, um die auf die übliche Desoxidation zurückzuführende Festigkeitsminderung zu vermeiden. Von Nachteil sind hier die kompliziert aufgebauten bzw. rohstoffaufwendigen Bindemetallanteile sowie die aufwendige Herstellungstechnologie, insbesondere zur Hartstoffsynthese im geforderten Zusammensetzungsbereich und zur Sintertechnologie. Außerdem ist das Einsatzgebiet der bisher bekannten TiC- bzw. Ti(CN)-Hartmetalle vorzugsweise auf Stahl und auf die für Hartmetalle üblichen Schnittgeschwindigkeiten < 250m/min beschränkt. Außerdem wird nach US 3813227 ein verschleißfester Werkstoff auf Titannitrid mit einem Binder, bestehend aus Titan und Zusätzen von Aluminium, Chrom und Eisen im Verhältnis 5:2:1 hergestellt, bei dem der Titanbinder in Mengen von 2,5-23 Ma.·% direkt als Metallpulver dem Ansatz zugegeben wird. Von Nachteil ist dabei die ungenügende mechanische Homogenisierung, hervorgerufen durch die mangelhafte Zerkleinerung und damit Verteilung des metallischen Titans im gemahlenen Ansatz. Weiterhin ist bekannt, daß bei Pressen von Hartmetallansätzen eine Vielzahl von Preßhilfsmittel eingesetzt werden (Kieffer, R., Schwarzkopf, P.: „Hartstoffe und Hartmetaila", Springer-Verlag Wien, 1953). Von Nachteil ist dabei jedoch, daß die Entfernung des Preßhilfsmittels grundsätzlich eine Vorsinterung und damit einen zusätzlichen energie- und zeitaufwendigen Arbeitsschritt erfordert. Ferner sind bindemetallfreie bzw. -arme, heißgepreßte Titankarbid- bzw. Titankarbonitridwerkstoffe für die Zerspanung und tribologische Beanspruchung bekannt. Deren Nachteil besteht im hohen technischen Aufwand, den die Heißpreßtechnik erfordert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den hohen technologischen Aufwand zur Ausschaltung des nachteiligen Einflusses von Sauerstoff zu vermeiden, eine gute Homogenisierung beim Mahlen des Ansatzes zu erreichen, und mit verringertem Sinteraufwand Formkörper geringer Restporosität zu erhalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Hartmetallformkörpern auf Titankarbid- bzw. Titankarbonitrid-Basis anzugeben, bei dem die Eigenschaften des Produktes nicht nachteilig von Schwankungen der Stöchiometrie bzw. erhöhten Sauerstoff-Anteilen im Hartstoff beeinflußt werden, bei dem beim Mahlvorgang eine gute Zerkleinerung und Verteilung der Komponenten erreicht wird und bei dem ohne Heißpreßtechnik und ohne Vorsinterung dichte Formkörper erreicht werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus Titankarbid und/oder T'tankarbonitrid, Titan und/oder Titanhydrid und mindestens einem der Metalle Kupfer, Mangan, Kobalt und Nickel ein Pulveransatz hergestellt wird. Der Hartstoff, der im Pulveransatz von 5-97 Ma.-% erhalten ist, besitzt einen Sauerstoff- und/oder freien Kohlenstoffgehalt von je 0,3 bis 2,0Ma.-% Titan wird bevorzugt als Titanhydrid in Anteilen von 2,5 bis 94,5Ma.-% eingesetzt, wobei der Sauerstoffgehalt des Titans bzw. des Titanhydrids 0,5 bis 3,0Ma.-% beträgt. Der Einsatz von sprödem Titanhydrid bietet den Vorteil einer extremen Zerkleinerung, Pulveraktivierung und guten Verteilung im gemahlenen Ansatz. Der Anteil der Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Nickel und/oder Kobalt beträgt insgesamt 0,5-10,0 Ma.-%. Der Pulveransatz wird nach Zugabe eines Plastifikators unter Zutritt von Sauerstoff bis zur Erreichung eines Sauerstoffgehaltes von 1,0 bis 8,0Ma.-% gemahlen und getrocknet. Vorzugsweise wird dabei der Ansatz in polyvinylalkoholhaltigen Mahlmedien gemahlen, von denen sich besonders eine wäßrige Lösung oder eine Alkohol/Wasser-Emulsion mit 1 Ma.-% Polyvinylalkohol eignen. Die Mahlzeiten liegen im Attritor zwischen 12 und 20 Stunden, in der Schwingmühle zwischen 80 und 140 Stunden. Nach der Trocknung wird die Pulvermischung in bekannter Weise granuliert, zu Formkörpern verpreßt und abschließend in einem Arbeitsgang, d. h. ohne die übliche Vorsinterung, bei Temperaturen zwischen 1200⁰C und 1500⁰C gesintert. Die unterhalb der Sintertemperatur einsetzende Zersetzung des Titanhydrids bewirkt eine starke Sinteraktivierung durch Desoxidation der Oberflächen der reduzierbaren Pulverteilchen. Damit werden die einsetzenden Diffusionsvorgänge entscheidend gefördert. Aufgrund der hohen Löslichkeit von Titankarbid bzw. Titankarbonitrid für Titan, der guten Verteilung des Titans im Formkörper sowie der mechanischen Aktivierung durch den Mahlprozeß diffundiert das Titan in den Hartstoff, wobei die damit verbundenen Stöchiometrieänderungen zu einer Verbesserung der Eigenschaften des Formkörpers fühlen. Die Sintevorgänge sind weiter durch Zusätze, die mit Titan zu einer flüssigen Phase führen, die sich unterhalb der Sintertemperatur bildet, zu beschleunigen. Die Auflösung des Titans im Hartstoff kann, insbesondere bei höheren Hartstoffanteilen, nahezu bis zur völligen Aufzehrung dei Titanphase getrieben werden, so daß das Gefüge weitgehend einphasig erscheint.

Ausführungsbeispiel

Zur Herstellung von 100kg Ansatz werden 90kg Titankarbidpulver mit 1 Ma.-% Sauerstoff und 1 Ma.-% freiem Kohlenstoff, 6kg Titanhydridpulver mit 1,5Ma.-% Sauerstoff und 4 kg Manganpulver in einer Alkohol-Wasser-Emulsion mit 1 Ma.-% Polyvinylalkohol in einem Attritor 16 Stunden gemahlen. Die getrocknete Pulvermischung wird zu einem 500μιη Granulat aufgearbeitet, mit einem Preßdruck von 300MPa zu Wendeschneidplatten verpreßt und bei 1450°C eine Stunde gesintert. Diese Wendeschneidplatten weisen eine Härte HV = 2200, eine Biegebruchfestigkeit o_bB = 800MPa bei einer Restporosität < 1 % auf. Bei einer Zerspanungsprüfung mit ν = 240m/min, s = O,3mm/Uunda = 2,5 mm, Gegenwerkstoff GGL 25, glatter Schnitt, beträgt nach einer Schnittdauer von 20 Minuten die mittlere Verschleißmarkenbreite B_mlul < 0,3mm und der Kolkverschleiß S 0,1 mm. Unter den gleichen Bedingungen erreicht eine Wendeschneidplatte auf TiC-Mo₂C-Ni bereits nach einer Schnittdauer von 8 min das Ende der Standzeit (B_m;„i. > 0,6 mm).

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung dichter Hartmetallkörper auf der Basis von Titankarbid und/oder Titankarbonitrid, gekennzeichnet dadurch, daß 5 bis 97 Ma.-% Titankarbid und/oder Titankarbonitrid, enthaltend je 0,3 bis 2,0 Ma.-% Sauerstoff und/oder freien Kohlenstoff, mit 2,5 bis 94,5 Ma.-% Titan und/oder Titanhydrid, enthaltend 0,5 bis 3,0 Ma.-% Sauerstoff, zusammen mit einer Gesamtmenge von 0,5 bis 10,0Ma.-% mindestens eines τ Metalle Kupfer, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel unter Zutritt von Sauerstoff bis zur Erreichung eines Sauerstoffgehaltes des Pulvergemisches von 1,0 bis 6,0Ma.-% unter Zusatz eines Plastifikator gemahlen und getrocknet werden, das Pulvergemisch in bekannter Weise granuliert und zu Formkörpern verpreßt und die Formkörper bei Temperaturen zwischen 1200⁰C und 1 500⁰C gesintert werden.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Plastifikator eine wäßrige Lösung oder eine Alkohol-Wasser-Emulsion von Polyvinylalkohol, vorzugsweise mit 1 Ma.-% Polyvinylalkohol, verwendet wird.