DE19725914A1 - Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hartmetall- oder Cermet-Sinterkör
per, bestehend aus mindestens einer WC enthaltenden Hartstoff
phase und einer Binderphase sowie eingelagerten WC-Platelets
(plättchenförmige Verstärkungsmaterialien).
Ein Hartmetallverbundkörper aus Hartstoffphasen, wie Wolfram
carbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa-
oder Va-Gruppe des Periodensystemes, aus Verstärkungsmateria
lien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt, Eisen oder
Nickel ist aus der EP 0 448 572 B1 bekannt, der als Verstär
kungsmaterialien entweder einkristallines plättchenförmiges
Verstärkungsmaterial aus Boriden, Carbiden, Nitriden oder Car
bonitriden der Elemente der IVa- oder VIa-Gruppe des Perioden
systemes oder Mischungen hiervon oder aus SiC, Si3N4, Si2N2O,
Al2O3, ZrO2, AlN und/oder BN bzw. einkristalline nadelförmige
Verstärkungsmaterialien aus SiC, Si3N4, Si2N2O, Al2O3, ZrO2,
AlN und/oder BN aufweist. Der Anteil der Verstärkungsmateria
lien beträgt 2 bis 40 Vol.%, vorzugsweise 10 bis 20 Vol.%.
Die US-A-3 647 401 beschreibt anisodimensionale Wolframcarbid-
Platelets mit einer maximalen Dimension zwischen 0,1 bis 50 µm
und einer größten Ausdehnung, die wenigsten dreimal so groß ist
wie die kleinste Ausdehnung. Diese Platelets sind durch Cobalt
gebunden, das in einer Menge von 1 bis 30% bezogen auf das
Gesamtkörpergewicht vorliegt. Der Körper hat eine Dichte von
95% der theoretisch maximalen Dichte.
Die CH 522 038 beschreibt einen WC enthaltenden Sinterhartme
tallkörper mit Wolframcarbidteilchen, deren mittlere Korngröße
kleiner als 1 µm ist, wobei mindestens 60% der Teilchen klei
ner als 1 µm sind. Der Metallphasenanteil liegt zwischen 1 bis
30% und setzt sich aus 8 bis 33 Gew.-% Wolfram und 67 bis
62 Gew.-% Cobalt zusammen. Die anisodimensionalen WC-Teilchen
sollen mit ihren größten Flächen praktisch parallel zu einer
Bezugslinie orientiert sein.
Schließlich beschreibt die WO 96/22399 einen mehrphasigen Sin
terkörper, der eine erste Hartphase aus Carbiden, Nitriden,
Carbonitriden oder Carbooxinitriden der Elemente der IVa-, Va-
oder VIa-Metalle des Periodensystemes aufweist. Die zweite
Phase besteht aus einer festen Lösung mit Korngrößen zwischen
0,01 bis 1 µm aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden und Car
booxinitriden von wenigsten zwei Elementen der IVa- bis
VIa-Gruppe des Periodensystemes. Der Binder setzt sich aus
Cobalt, Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän und Wolfram sowie
Mischungen hiervon zusammen. Der Sinterkörper kann WC-Platelets
aus Wolframcarbid mit einer Größe zwischen 0,1 und 0,4 µm ent
halten, die in-situ-gebildet werden sollen.
Feinst- und Ultrafeinstkorn-Hartmetalle auf der Basis von Wolf
ramcarbid und Cobalt haben in den letzten Jahren immer mehr an
technischer Bedeutung gewonnen. Die gleichzeitige Steigerung
von Härte und Biegefestigkeit mit abnehmender Carbidkorngröße
eröffnet diesen Legierungen ein weites Anwendungsfeld im Ein
satz als Schneidstoff und im Verschleißschutz. Das wichtigste
Anwendungsgebiet dieser Hartmetallegierungen war zunächst das
Bohren und Fräsen von Elektronik-Leiterplatten (Platinen), aber
in letzter Zeit konnten mit beschichteten Wendeschneidplatten
hervorrangende Ergebnisse auch beim Drehen und Fräsen hochver
güteter und abrasiv wirkender Werkstückstoffe erreicht werden.
Weitere Anwendungsfelder tun sich in der Verschleißschutztech
nik z. B. bei Dichtringen und Strahldüsen auf.
Mikrostrukturen mit einer mittleren WC-Korngröße bis zu 0,4 mm
lassen sich bei der Herstellung nur unter Hinzufügen von Korn
wachstumsinhibitoren wie z. B. VC erzielen, wobei eine weitere
Verfeinerung des Gefüges bei technisch hergestellten Hartmetal
len trotz des Einsatzes extrem feiner Ausgangspulver mit einer
Korngröße im nm-Bereich aufgrund der Kornvergröberung schon in
relativ frühen Stadien des konventionellen Sinterprozesses bis
her nicht gelang. Zudem liegen die Probleme beim Einsatz sol
cher Pulver in der starken Reaktivität mit Luftsauerstoff und
der Schwierigkeit, diese Pulver mit herkömmlichen pulvermetal
lurgischen Formgebungsverfahren, z. B. dem Axialpressen, zu kom
paktieren.
Da die konventionellen Produktionsverfahren offensichtlich an
Grenzen stoßen, gibt es Ansätze, die darin bestehen, die Her
stellungsverfahren für solche Legierungen neu zu entwickeln
bzw. zu optimieren. Hierzu bietet sich als neue Technik die
Sinterung von Hartmetallen im Mikrowellenfeld an, bei der fei
nere Gefüge aus bei konventionellen Verfahren erhalten werden
können.
Mit der Bezeichnung Mikrowellen wird eine elektromagnetische
Strahlung im Frequenzbereich von ca. 108 bis 1011 Hz
(entsprechend einer Wellenlänge im Vakuum von rund 1 mm bis
1 m) beschrieben. Handelsübliche Mikrowellengeneratoren erzeu
gen eine monochromatische Strahlung, d. h. Wellen mit einer
bestimmten Frequenz. Weit verbreitet sind Generatoren mit
2,45.109 Hz, was einer Wellenlänge von 12 cm entspricht. Im
Gegensatz dazu besitzt die thermische Strahlung (Plancksche
Strahlung) eine sehr große Frequenzbandbreite und bei typischen
Sinterprozessen hat sie ihr Energiemaximum bei einer Wellen
länge von 1 bis 2 µm. Materie, die einer elektromagnetischen
Strahlung ausgesetzt wird, kann sich infolge der Wechselwirkung
mit dem Feld erwärmen und entzieht dabei dem Wellenfeld Ener
gie. Da diese Wechselwirkung stark frequenzabhängig ist,
erfolgt auch die Erwärmung von Materie im Mikrowellenfeld und
durch thermische Strahlung aufgrund verschiedener Aufheizmecha
nismen.
Die meisten festen Stoffe haben in Infrarotwellenlängenbereich
hinreichend stark Absorptionsbanden und lassen sich durch Wär
mestrahlung, die an der Körperoberfläche absorbiert wird,
erwärmen. Der Transport der Wärmeenergie ins Körperinnere
erfolgt dabei in der Regel über die Wärmeleitung, woraus ein
Temperaturgradient im Körper von innen nach außen resultiert.
Befindet sich in einem Sinterofen ein Haufwerk von Teilen
(Sintercharge), das durch einen peripheren Heizleiter erwärmt
wird, so bildet sich aus analogen Gründen wie bei einem Einzel
körper ein Temperaturgradient außerhalb der Sintercharge aus.
Möchtet man eine gewissen Temperaturhomogenität innerhalb der
Sintercharge gewährleisten, d. h. den Temperaturgradienten klein
halten, so ist dadurch die Aufheizrate durch die thermische
Trägheit der Charge und des Ofens nach oben begrenzt. Somit
sind gewissen Mindestverweilzeiten bei entsprechenden Tempera
turen vorgegeben.
Die Wechselwirkung von Materie mit einem Mikrowellenfeld
erfolgt über die im Material vorhandenen elektrischen Dipole
oder freien Ladungen. Die Skala der Absorptionseigenschaften
von Stoffen für Mikrowellen reicht von transparent
(Oxidkeramik, einige organische Polymere), über teildurchlässig
(Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik, gefüllte Polymere, Halbleiter)
bis reflektierend (Metalle). Des weiteren ist das Verhalten
eines Materials im Mikrowellenfeld von der Mikrowellenfrequenz
und in hohem Maße von der Temperatur abhängig: Material, das
bei Zimmertemperatur mikrowellentransparent ist, kann bei
erhöhtem Temperaturen stark absorbieren oder reflektieren. Für
die meisten Stoffe ist die Eindringtiefe der Mikrowellen
wesentlich größer als die für Infrarotstrahlung, was in Abhän
gigkeit von der Probengröße zur Folge hat, daß das Material -
im Gegensatz zur "Skin-Heizung" bei Infrarotstrahlung - mit
Mikrowellen im Volumen aufgeheizt werden kann. Die Eindring
tiefe von Mikrowellen der Frequenz 2,45 GHz bei einer Tempera
tur von 20°C (berechnet aus der Messung der Dielektrizitätskon
stanten) ist bei verschiedenen Stoffen unterschiedlich groß und
besitzt folgende Werte: 1,7 µm für Aluminium, 2,5 µm für Cobalt
(als Beispiel für Metalle), 4,7 µm für WC und 8,2 µm für TiC
(als Beispiel für massive Halbleiter), 10 m für Al2O3 und
1,3 cm für H2O (als Beispiel für Isolatoren) und 7,5 cm für WC
mit 6 M% Co, 31 cm für Al2O3 mit 10 M% Al und 36 cm für Al2O3
mit 30 M% TiC (als Beispiel für Pulvermetallgrünlinge).
Das Sintern von keramischen Werkstoffen, wie Siliciumnitrid,
Aluminiumoxid oder einer Mischkeramik im Mikrowellenfeld ist
seit mehr als 10 Jahren bekannt. Doch seit Beginn der weltwei
ten Aktivitäten auf dem Gebiet der Mikrowellensinterung
herrscht die Meinung vor, daß diese Technologie für die Sinte
rung von Werkstoffen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie
z. B. Hartmetalle, nicht anwendbar sei. Diese Auffassung
basierte auf der Tatsache, daß massive, metallische Körper
praktisch nicht zu erwärmen sind, da sie aufgrund ihrer hohen
elektrischen Leitfähigkeit Mikrowellen gut reflektieren und nur
eine wenige Mikrometer dicke Oberflächenschicht durch Wirbel
ströme erwärmt werden kann. Überraschenderweise ergab sich
jedoch, daß das Dissipationsverhalten pulvermetallurgisch her
gestellter metallisch-keramischer Preßkörper im Mikrowellenfeld
nicht nur von der elektrischen Leitfähigkeit der beteiligten
Phasen, sondern in hohem Maße von der Mikrostruktur abhängt und
eine effektive Erwärmung metallischer Pulver sehr wohl möglich
ist. Bei einer ausreichend feinen Zerteilung der metallischen
Phasen in einem Gemisch mit Nicht- oder Halbleiterpulvern (wie
z. B. WC-Co-Pulverpreßkörpern) ergibt sich eine äußerst effek
tive Heizung, die mikroskopisch gesehen auf "Ohmschen Verlu
sten" zwischen den Körnern und hochfrequenten Wirbelströmen am
Einzelkorn basiert. Aus den vorstehend zitierten Eindringtiefen
ist das unterschiedliche Verhalten von massiven Körpern und
pulvermetallurgischen Preßkörpern im Mikrowellenfeld deutlich
zu erkennen. Genauere Untersuchungen zeigen, daß die Eindring
tiefe der Mikrowellen in Metall- bzw. Halbleiter-Preßkörpern
auch von der Mikrowellenfeldstärke abhängt und bei höheren Lei
stungsdichten deutlich geringer wird. Diese Phänomen wird
zurückgeführt auf die Abschirmung der Probe durch elektrisch
leitfähige Plasmen, die im Randbereich der porösen Preßkörper
nach Erreichen der elektrischen Durchschlagsfestigkeit in den
Poren gezündet werden.
Unter Beachtung der Besonderheiten der Wechselwirkung von
Mikrowellen mit den eingesetzten pulvermetallurgischen Grünlin
gen lassen sich Hartmetalle mittels Mikrowellenstrahlung bis
zur theoretischen Enddichte sintern.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines dafür geeigneten
Ofens. Die Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz wird von
einem Magnetron erzeugt und in das metallische Resonatorgehäuse
geführt. Innerhalb des Resonators befindet sich die Hartmetall-
Sintercharge, die mit einer mikrowellentransparenten, thermi
schen Isolierung umgeben ist. Bei entsprechender Auslegung des
Resonators befindet sich die Charge in einem homogenen Magnet
feld und wird homogen erwärmt. Die Messung der Chargentempera
tur sowie der eingekoppelten Mikrowellenleistung dienen zur
Regelung des Mikrowellensinterprozesses mit einem Mikroprozes
sor. Vergleiche der Sinterprofile einer Mikrowellensinterung zu
einer konventionellen Sinterung in vergleichbar großen Öfen
haben ergeben, daß der Sinterzyklus (ohne die Abkühlphase)
zeitlich um einen Faktor 3 bei der Mikrowellensinterung ver
kürzt werden kann. Der Verbrauch an elektrischer Energie bei
der Mikrowellensintertechnologie beträgt hier durch die Prozeß
zeitreduzierung und die durch die geringere Heizleistung wäh
rend des Sinterns nur noch einen Bruchteil der Werte für die
konventionelle Sintertechnologie. Mit einer Mikrowellensinte
rung lassen sich Hartmetalle und auch Cermets mit hohem Binde
metallgehalt (von z. B. 25 Massen%) wie auch mit niedrigem Bin
demetallgehalt (von beispielsweise 4 Massen%) bei Temperaturen,
die 50 bis 100 K unter denen bei der konventionellen Sinterung
liegen, drucklos dicht sintern. Der Vergleich mit einer konven
tionellen Sinterung zeigt, daß der Hauptteil der Verdichtung
beim Mikrowellensintern bei wesentlich tieferen Temperaturen
noch unterhalb der Eutektikumstemperatur stattfindet. Das ver
besserte Verdichtungsverhalten zeigt sich auch in dem gleich
zeitigen Abbau der offenen und geschlossenen Porosität beim
Mikrowellensintern. Aufgrund der kürzeren Sinterzeiten und
niedrigeren Sintertemperaturen zeigen die mikrowellengesinter
ten Hartmetalle ein feineres Gefüge und damit eine Härtesteige
rung bis zu 10%. Im Einsatz als Schneidwerkzeug beim Drehen
von Gußeisen zeigte die mikrowellengesinterte Variante Vorteile
beim Freiflächenverschleißverhalten. Das Mikrowellensintern von
Cermets, Hartmetallen und pulvermetallurgischen Stählen wird
beispielsweise in der WO 96/33830 beschrieben, worauf hiermit
ergänzend verwiesen wird.
Ein weiterer Schritt in Richtung der Optimierung von Ferti
gungsverfahren und einer weiteren Kornverfeinerung stellt das
Reaktionssintern von Hartmetallen dar. So kann beispielsweise
Wolframpulver nicht mehr in einem getrennten Verfahrens schritt
carburiert werden, sondern dadurch, daß das Carburieren in den
Sinterprozeß integriert wird. Die Preßkörper werden auf dem
üblichen Weg der Formgebung hergestellt, indem anstelle der
Wolframcarbid-Cobalt-Pulvermischung von einer Mischung von
Wolfram-, Kohlenstoff- und Cobaltpulver ausgegangen wird. Die
exotherme Carburierungsreaktion des Wolframs und des Kohlen
stoffes zu Wolframcarbid, mit einer Wärmetönung von 38 kJ/mol,
findet nach der Binderaustreibung des Preßkörpers bei einer
Temperatur von rund 930°C statt. Die entstehende Reaktionswärme
trägt zur zusätzlichen Aufheizung im Volumen des Preßkörpers
bei und ermöglicht eine Verkürzung des Sinterprozesses. In
Fig. 2 ist die Thermogravimetrie (TG, DTG), die Dilatometrie
(DIL, DDIL) und die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
einer Reaktionssinterung eines WC-6 M% Co-Hartmetalles für Tem
peraturen ab 500°C dargestellt. Am DSC-Signal ist ab 750°C die
endotherme Reduktion der im Wolframpulver vorhandenen Oxide zu
erkennen, die mit der entsprechenden Massenabnahme in der Ther
mogravimetrie und einer ersten Schrumpfungsstufe der Probe im
Dilatometersignal korrespondiert. Bei rund 930°C erkennt man am
exothermen Ausschlag des DSC-Signales die Carburierung des
Wolframs, verbunden mit einer weiteren Schrumpfung der Probe.
Bei 1290°C bildet sich die flüssige Phase, zu diesem Zeitpunkt
ist die Schrumpfung der Probe schon fast abgeschlossen.
Aufgrund des entfallenden separaten Carburierungsschrittes und
der damit verkürzten thermischen Behandlung weisen die Gefüge
von reaktionsgesinterten Hartmetallen eine deutlich feinere
Mikrostruktur auf als konventionell gesinterte Materialien.
Wird die Reaktionssinterung unter Einsatz von Mikrowellenstrah
lung ausgeführt (MWRS), ist zum einen eine weitere Verfeinerung
des Gefüges möglich, zum anderen kann die Restporosität gegen
über der konventionellen Reaktionssinterung (RS) deutlich
erniedrigt werden. Beim Einsatz gleicher Wolframpulver vom kon
ventionellen Sinterprozeß zum Mikrowellensinterprozeß, zum kon
ventionellen Reaktionssintern und schließlich zur Mikrowellen
reaktionssinterung ist eine fortgesetzte Reduzierung der
WC-Korngrößen und damit verbunden eine Steigerung der Härte
möglich. Die Vickers-Härte (HV30) betrug nach dem konventionel
len Sintern 1560, nach dem Mikrowellensintern 1630, nach dem
konventionellen Reaktionssintern 1720 und nach dem Mikrowellen
reaktionssintern 1770.
Neben den erwähnten materialspezifischen Vorteilen des Reakti
onssinterns, insbesondere des Mikrowellen-Reaktionssinterns,
bietet dieses Verfahren ein großes Potential zur Vereinfachung
und Verkürzung des Prozeßablaufes sowie zur Energieeinsparung
bei der Herstellung von Hartmetallen. Außer der bei hohen Tem
peraturen ablaufenden Carburierung fallen auch vor- und nachge
schaltete Prozeßschritte, wie das Mischen, Brechen, Zerkleinern
usw. fort. Auch hierdurch kann ein Prozeßzeitgewinn erreicht
werden.
Die Herstellung eines Cermets oder Hartmetalles nach einem sol
chen Verfahren wird in der deutschen Patentanmeldung
196 01 234.1 beschrieben.
Um die Auswirkungen der Primär-Wolframteilchengröße und die
Zugabe von VC als Kornwachstumsinhibitor beim Reaktionssintern
zu prüfen, wurden WC-6 M% Co-Hartmetalle mit unterschiedlich
feinen Wolframpulvern mittels konventioneller (RS) und Mikro
wellenheizung (MWRS) hergestellt. Die eingesetzten Wolframpul
ver hatten eine mittlere Korngröße von 0,4 µm, 1 µm und 2,4 µm
(jeweils FSSS) bei Dotierungen von 0,2 M% VC oder fehlendem VC.
Als Cobaltpulver kam jeweils eine Qualität mit einem FSSS-Wert
von 1,6 µm zum Einsatz. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurden
unabhängig von der Feinheit der Wolframpulver alle RS-Proben
bei einer Temperatur von 1430°C konventionell (30 Minuten) und
alle MWRS-Proben bei 1400°C mittels Mikrowelle (20 Minuten) bis
auf eine Restporosität kleiner als A08, B04 (ISO) dicht gesin
tert. Anschließend wurde das Gefüge elektronenmikroskopisch
untersucht sowie die Härte, magnetische Sättigung und Koerzi
tivfeldstärke bestimmt. Fig. 3 bis 5 zeigen die Gefügebilder
der Hartmetalle aus den Wolframpulvern mit den genannten Teil
chengrößen für jeweils beide Sintermethoden und VC-Gehalte. Bei
allen eingesetzten Wolfram-Teilchengrößen ist das Gefüge der
Proben aus der Mikrowellen-Reaktionssinterung stets am fein
sten. Der Einfluß des VC-Gehaltes auf das Gefüge ist bei den
feinen Wolframpulvern offensichtlich am deutlichsten. Bei den
Legierungen ohne VC haben die WC-Kristalle, insbesondere bei
den RS-Proben, während der Sinterphase in Abwesenheit von VC
offenbar genügend Zeit auszuwachsen. Vergleicht man für die
Proben die Meßwerte der Koerzitivfeldstärke Hc (siehe Fig. 6) -
bei gleichen Hartmetallsorten und gleichen Werten der magne
tischen Sättigungspolarisation ein Maß für die Kornfeinheit -
so zeichnet sich einerseits wieder deutlich das feinere Gefüge
der MWRS-Proben für alle Ausgangsteilchengrößen ab, anderer
seits ergeben sich Widersprüchlichkeiten zu den Gefügebildern.
So läßt sich der Abfall der Hc-Werte der MWAS-Proben für das
0,4 µm Wolframpulver nicht zufriedenstellend erklären, zumal
das Gefügebild (Fig. 5a und c) deutlich auf ein noch feineres
Gefüge als für das 1 µm-Pulver hinweist. Ein Vergleich der Här
tewerte korreliert zwar mit der Aussage der Gefügebilder, ist
aber aufgrund der unterschiedlichen Porosität der Proben nicht
aussagekräftig.
Dessenungeachtet ist das Gefüge bei den Proben aus dem 0,4 µm-
Wolframpulver aber ein wenig gröber als ein typisches Gefüge,
das man bei der Herstellung von Hartmetall auf konventionellem
Wege mit entsprechend feinem WC-Pulver erhält. Für die 1 µm-
und 2,4 µm-Pulver ergibt das MWRS als auch RS wiederum deutlich
feinere Gefüge. Der Grund könnte in der Temperaturerhöhung
einer Probe bei der Carburierungsreaktion liegen. Im Falle der
adiabatischen Erhitzung einer Probe, d. h. ohne Energieverlust
durch Abstrahlung usw. würde sie sich aufgrund der entstehenden
Reaktionswärme um rund 650°C auf 1580°C erwärmen. Die Wärmever
luste während der Carburierungsreaktion verhindern diesen gro
ßen Temperatursprung. Jedoch ist gerade bei den feinen Pulvern,
die eine große Reaktionsoberfläche besitzen, und aufgrund der
Volumenheizung der Mikrowelle, die den Start der Carburierungs
reaktion im gesamten Volumen ermöglicht, mit einer größeren
Erwärmung zu rechnen als bei groben Pulvern, die konventionell
von außen nach innen aufgeheizt werden. Hier könnte man durch
den Einsatz von Wolframpulvern mit einem gewissen Anteil an WC
eine partielle Reaktionssinterung durchführen, die einerseits
eine zu große Erwärmung bei der Carburierung verhindert und
andererseits von den Vorteilen der Reaktionssinterung Gebrauch
macht.
Ein weiterer Grund ist der VC-Gehalt der Versuchsmischungen,
der mit 0,2% im Vergleich zu den VC-Gehalten von üblichen
Ultrafeinstkornhartmetallen, die bis 1% (10% bezogen auf den
Bindemetallgehalt) gehen, noch relativ niedrig ist. Dieser
Spielraum für höhere VC-Gehalte sowie auch andere Kornwachs
tumsinhibitoren kann noch ausgenutzt werden. Ferner läßt sich
das Temperatur-Zeitprofil, gerade für die feinen Pulver, in
Richtung niedrigerer Temperaturen und kürzerer Zeiten noch
optimieren.
Bemerkenswert ist das zu beobachtende anisotrope Kornwachstum,
das typisch für die Bedingungen beim Reaktionssintern zu sein
scheint (vgl. Fig. 3b und 4b). Wird in entsprechenden Sinter
stadien den WC-Keimen Gelegenheit zum Kornwachstum gegeben, so
kann man, wie in Fig. 7 dargestellt, mit konventionell erhält
lichen W-Pulvern sogar die in-situ-Erzeugung von WC-Platelets
beim Reaktionssintern steuern. Scheibchenförmige WC-Kristalle
mit einem Aspektverhältnis (Durchmesser zur Dicke) von <10 sind
somit erzeugbar. WC-Platelets in Hartmetallen erhöhen aufgrund
der anisotropen Härteeigenschaften von WC-Kristallen bekannter
maßen sowohl die Härte als auch die Bruchzähigkeit des Verbund
werkstoffes. Bisher beschriebene Verfahren zur Erzeugung sol
cher Platelets gehen meist von nanokristallinen WC-Pulvern aus
und fügen diese Platelets dann bei der Mischungsherstellung dem
Hartmetall zu.
Zusammenfassend läßt sich die vorliegende Erfindung folgender
maßen charakterisieren:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichzeitige
Steigerung von Härte und Biegefestigkeit bei Hartmetall- oder
Cemert-Sinterkörpern der eingangs genannten Art herbeizuführen.
Das Sintern von Hartmetallen und Cermets im Mikrowellenfeld
ermöglicht aufgrund der geschilderten Aufheizmechanismen und
der dadurch erreichbaren kürzeren Sinterzeiten und niedrigen
Sintertemperaturen eine Verfeinerung des Gefüges gegenüber der
konventionellen Sintertechnik. Darüber hinaus führt das Mikro
wellenreaktionssintern mit Mischungen aus metallischen Wolfram
pulvern, Kohlenstoff und Cobalt zu feineren Gefügen als der
konventionellen Herstellung mit WC-Co als Ausgangsmaterial.
Bezüglich der Stoffzusammensetzung der Hartmetalle und Cermets
sind alle Stoffe angesprochen, die freies WC im Gefüge haben.
Das Reaktionssintern von Pulvern, die sowohl Wolfram als auch
Kohlenstoff enthalten, aber auch in der Ausgangsmischung WC
enthalten können, kann vollständig oder auch als partielles
Reaktionssintern durchgeführt werden, wobei die Partialanteile
des Reaktionssinterns zwischen 1% und 100% (bezogen auf den
kompletten Sinterprozeß) betragen. Je nach dem Anteil des
Mikrowellen-Reaktionssinterns an dem gesamten Mikrowellen-Sin
terprozeß, kann das Kornwachstum im Sinterkörper gesteuert wer
den.
Steuerbar ist ebenso das WC-Platelet-Wachstum über den Par
tialanteil des Reaktionssinterns, wodurch die Plateletkonzen
tration im Sinterkörper steuerbar ist. Ebenso kann je nach
Feinheit des Wolframpulvers in der Ausgangsmischung die
Geschwindigkeit des Wachstums gesteuert werden. Weitere Steue
rungsmöglichkeiten ergeben sich durch Zusätze von Kornwachs
tumsinhibitoren, wie insbesondere VC, vorzugsweise in der Größe
von 0,2 Massen%, die das Plateletwachstum auf Kosten des Rie
senkornwachstums fördern. Weitere Steuerungsmöglichkeiten las
sen sich prozeßtechnisch über die Temperatur-Haltezeiten und
die Temperaturhöhe beim Sintern erreichen.
Der Vorteil des Mikrowellenreaktionssinterns besteht darin, daß
eine homogenere Gefügestruktur, eine bessere Verdichtung, d. h.
eine kleinere Restporosität ebenso erreicht werden wie kürzere
Sinterzeiten und niedrigere Sintertemperaturen. Hierdurch erge
ben sich geringere Fertigungskosten.
Hinsichtlich der Materialzusammensetzung sowie der Prozeßfüh
rung wird auf die eingangs genannten Druckschriften einschließ
lich der deutschen Patentanmeldung 196 01 234.1 verwiesen.
Claims (8)
1. Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper, bestehend aus min
destens einer WC enthaltenden Hartstoffphase und einer
Binderphase sowie eingelagerten WC-Platelets
(plättchenförmige Verstärkungsmaterialien), der zumindest
zeitweise durch eine direkte Mikrowellenstrahlung gesin
tert worden ist.
2. Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 12%, vorzugsweise
8% VC und/oder Cr3C2 bezogen auf die Binderphase enthält.
3. Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die WC-Platelets einen
Durchmesser/Dicken-Verhältnis von ≧5, vorzugsweise ≧10
besitzen.
4. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetall- oder Cermet-
Sinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die zur Bildung der Hartphase(n) not
wendigen Metalle, der Kohlenstoff und die zur Bildung der
WC-Platelets notwendigen Wolfram- und Kohlenstoffanteile
sowie ggf. weitere Metalle, Metallcarbide und -nitride
und/oder feste Stickstoffverbindungen als Lieferanten für
Kohlenstoff und/oder Stickstoff zumindest zum Teil jeweils
in Pulverform zu einem Formkörper vorgepreßt und anschlie
ßend zumindest zeitweise in einem Mikrowellenfeld von 0,01
bis 10 W/cm3 Energiedichte einem Reaktionssintern unterzo
gen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Stoffanteil, der durch Reaktionssinterung, insbesondere
WC, entstanden ist, zwischen 1% und 100% liegt, wobei
die verbleibenden Anteile in der chemischen Form zugegeben
worden sind, in der sie später im fertigen Sinterkörper
vorliegen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
WC-Platelets und auch Wolfram sowie Kohlenstoff in der
Ausgangsmischung (vor dem Sintern) vorliegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wachstum der WC-Platelets über den
Anteil des Mikrowellenreaktionssinterns an dem gesamten
Mikrowellensinterprozeß gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ausgangsmischung Kornwachstumsin
hibitoren, vorzugsweise bis zu 12%, weiterhin vorzugs
weise bis zu 8% VC und/oder Cr3C2 zugegeben werden.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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