EP1880031A1 - Hartmetallkörper mit zähem oberflächenbereich - Google Patents

Hartmetallkörper mit zähem oberflächenbereich

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EP1880031A1
EP1880031A1 EP06721245A EP06721245A EP1880031A1 EP 1880031 A1 EP1880031 A1 EP 1880031A1 EP 06721245 A EP06721245 A EP 06721245A EP 06721245 A EP06721245 A EP 06721245A EP 1880031 A1 EP1880031 A1 EP 1880031A1
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Karl Kipperer
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Boehlerit GmbH and Co KG
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/067—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds comprising a particular metallic binder

Definitions

  • the invention relates to a hard metal body produced by sintering at reduced pressure, formed from carbides, alternatively from carbides with nitrides and / or carbonitrides and a binder metal or matrix metal with at least parts of the surface region, which have an increased material toughness, in particular indexable insert for a machining of Stole.
  • the binder metal As a material for the binder metal, which is usually present in a proportion of up to 30 wt .-% in the hard metal, in principle, all higher-melting metals and alloys can be used. In general, however, cobalt is used because cobalt is particularly suitable as binder metal as a connecting element of carbides, nitrides and the like. Hard material particles.
  • binder metal content leads to extremely pronounced brittleness of the material with the highest hardness. Although increasing amounts of binding metal lower the hardness of the hard metal, but promote its toughness. Depending on the use of the cemented carbide body, binder metal or cobalt contents of from 2 to 30% by weight are used and in this way the toughness requirements for the material carbide are met.
  • this very desirable enrichment of the cobalt content in the surface region of a hard metal object has the disadvantage that the process is time-consuming, that is to say long sintering times in a vacuum and / or in particular repeated sintering in a vacuum. Further, 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.
  • 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 formed extending.
  • the binding metal or matrix metal has an iron content, which is preferably less than 50 wt .-%.
  • 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 essentially continuous over the entire range, with a zone thickness and zone and a degree 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.
  • the iron content in the binder metal has a content of greater than 5 wt .-%, but less than 45 wt .-%, preferably greater than 10 wt .-%, but less than 38 wt .-%, on.
  • 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.
  • the proportion of binder metal is 4 to 15 wt .-%, preferably 6 to 12 wt .-% and is formed with an alloy of iron, cobalt and / or nickel, carbide body with a particularly favorable property profile, in particular the wear resistance and the toughness concerning created.
  • Binder metal contents of less than 4% by weight increase the hardness of the cemented carbide, but lead to embrittlement thereof and thus also with an increase in concentration towards the surface leading to a high tendency of the body or part to break off.
  • 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.
  • 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, so are also for tools that work with interrupted chip removal, so are intermittently highly loaded, a crack initiation, a crack propagation and a risk of breakage significantly reduced.
  • the thickness of the surface region with increased material toughness is greater than 5 ⁇ m, but less than 50 ⁇ m, preferably greater than 10 ⁇ m, but less than 25 ⁇ m.
  • the thickness of the surface area with increased binder metal content and increased toughness of the cemented carbide body falls below 5 ⁇ m, effective crack prevention into the material is not sufficiently achieved. Exceeds the range increased toughness, however, 25 microns, so their hardness may not be sufficient, so that plastic material deformations can occur.
  • An increase in the wear resistance of the cemented carbide body can be achieved if it carries a coating.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hartmetallkörper, hergestellt durch Sintern bei Unterdruck, gebildet aus Karbiden, alternativ 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 spanabhebende Bearbeitung von Stahl. Um eine erhöhte Wirtschaftlichkeit der Herstellung und eine Güteverbesserung des Hartmetallkörpers bei schwerer Belastung zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall einen Eisenanteil aufweist, welcher vorzugsweise weniger als 50 Gew.-% beträgt.

Description

Hartmetallkörper mit zähem Oberflächenbereich
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, hergestellt durch Sintern bei Unterdruck, gebildet aus Karbiden, alternativ 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.
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 30 Gew.-% im Hartmetall vorliegt, können prinzipiell alle höher schmelzenden Metalle und Legierungen eingesetzt werden. In der Regel wird jedoch Kobalt verwendet, weil sich Kobalt als Bindemetall besonders gut als Verbindungselement von Karbiden, Nitriden und dgl. Hartstoffpartikeln eignet.
Geringe Bindemetallanteile führen zu einer äußerst ausgeprägten Sprödigkeit des Werkstoffes mit höchster Härte. Steigende Anteile an Bindemetall erniedrigen zwar die Härte des Hartmetalls, fördern jedoch dessen Zähigkeit. Je nach Verwendung des Hartmetallkörpers werden Bindemetall- bzw. Kobaltanteile von 2 bis 30 Gew.-% verwendet und derart den Zähigkeitsforderungen an den Werkstoff Hartmetall entsprochen.
Wie oben dargelegt, fördern geringe Kobaltgehalte im Hartmetall die Sprödigkeit und einen Rissfortschritt im Teil. Bei hoher Sprödigkeit wirken geringe Inhomogenitäten im Material insbesondere 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 Bereiches geringer ist, die Zähigkeit des Werkstoffes jedoch erhöht und sowohl die Rissinitiation als auch der Rissfortschritt minimiert sind.
Eine Anreicherung von Kobalt im oberflächennahen Bereich eines Hartmetallkörpers wird bei einem Sintern im Vakuum erreicht, weil Stickstoff aus Nitriden und auch Kohlenstoff aus Karbiden im Vakuum bei Sintertemperatur Reaktionen zeigen und somit das Kobalt zur Oberfläche hin eine Anteilszunahme erfährt.
Diese durchaus gewünschte Anreicherung des Kobaltgehaltes im Oberflächenbereich eines Hartmetallgegenstandes hat jedoch den Nachteil, dass der Prozess zeitaufwendig ist, also lange Sinterzeiten im Vakuum und/oder insbesondere mehrmaliges Sintern im Vakuum erfordert. Weiter ist der Gradient des Kobaltgehalts 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.
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 ausgeformt ist.
Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Gegenstand dadurch erreicht, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall einen Eisenanteil aufweist, welcher vorzugsweise weniger als 50 Gew.-% beträgt.
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 5 Gew.-%, jedoch kleiner als 45 Gew.-%, vorzugsweise von größer als 10 Gew.-%, jedoch 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, Kobalt und/oder Nickel 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 Hartmetalls, 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 weiters nach der Erfindung vorgesehen sein kann, 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 μm, jedoch kleiner als 50 μm, vorzugsweise größer als 10 μm, jedoch kleiner als 25 μm, beträgt.
Unterschreitet die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhtem Bindemetallanteil und erhöhter Zähigkeit des Hartmetallkörpers 5 μm, so ist eine wirkungsvolle Rissvermeidung in den Werkstoff hinein nicht in ausreichendem Maße gegeben. Überschreitet der Bereich erhöhter Zähigkeit jedoch 25 μm, 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.
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 Versuchreihen Kobalt (Co) 100 Gew.-%, Nickel (Ni) 100 Gew.-%, Kobalt (Co) 70 Gew.-% und Eisen (Fe) 30 Gew.-% (Co 70 - Fe 30), Kobalt (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.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Hartmetallkörper hergestellt durch Sintern bei Unterdruck, gebildet aus Karbiden, alternativ 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 spanabhebende Bearbeitung von Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall einen Eisenanteil aufweist, welcher vorzugsweise weniger als 50 Gew.-% beträgt.
2. Hartmetallkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenanteil im Bindemetall einen Gehalt von größer als 5 Gew.-%, jedoch kleiner als 45 Gew.-%, vorzugsweise von größer als 10 Gew.-%, jedoch 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, Kobalt und/oder Nickel gebildet ist.
4. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 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. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit größer als 5 μm, jedoch kleiner als 50 μm, vorzugsweise größer als 10 μm, jedoch kleiner als 25 μm, beträgt.
6. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Beschichtung trägt.
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