DE3842439A1

DE3842439A1 - Hartmetallverbundkoerper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3842439A1
Application number: DE19883842439
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Dreyer; Hans Kolaska
Original assignee: Krupp Widia GmbH
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1990-06-21

Description

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 Verstär kungsmaterialien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt und/oder Eisen und/oder Nickel. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetallverbundwerkstoffes auf pulvermetallurgi schem Weg.

Die nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannten Einkristalle be sitzen hervorragende mechanische Eigenschaften, wie z.B. eine große Zug- und Schubfestigkeit.

In der DE-PS 2 59 249 wird ein aus Hartstoffen und Bindemitteln beste hendes Sinterhartmetall beschrieben, das Hartstoffe in Form von nadel förmigen Einkristallen in einer Menge von wenigstens 0,1%, vorzugs weise 0,5 bis 1,5% des gesamten Hartstoffanteils enthält. Zur Her stellung dieses Sinterhartmetalls wird dem Hartstoffanteil vor dem Vermahlen 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. Nach teiligerweise 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, insbe sondere auch deshalb nicht, weil maximal nur so viel Hartstoff-Einkri stalle zugegeben werden sollen, bis der Hartstoffeinkornanteil (Körner mit mittlerem Durchmesser unter 2 µm) ersetzt ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hartmetallverbundkör per anzugeben, der gegenüber den bisher bekannten Hartmetallverbund körpern 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 bei spielsweise Fasern aus α-Aluminiumoxid und Siliciumcarbid enthält.

Die US-PS 45 43 345 beschreibt eine Keramik (Al₂O₃-Matrix) mit einge lagerten SiC-Einkristallen.

Aus der DE-33 03 295 A1 ist bekannt, daß die Festigkeits- und Bruchzä higkeitseigenschaften 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.

Die EP-00 67 584 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus einem metallischen, keramischen Glas- oder Kunststoff-Grundmaterial und darin im wesentlichen homogen und gleich mäßig verteilten desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern zur Verstär kung des Grundmaterials, bei dem man Siliciumcarbidwhisker in einem polaren Lösungsmittel zur Bildung einer Aufschlämmung rührt und an schließend die Aufschlämmung zur Bildung einer Aufschlämmung aus desagglomerierten Siliciumcarbidwhiskern 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-02 13 615 A2 Verbundwerkstoffe bekannt, bei denen in einer Metallmatrix Siliciumcarbid- und Siliciumnitrid whisker 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 2 59 242 vorgeschlagen - keine Verbes serung der Verschleißeigenschaften bringt.

Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 dargelegt. Der auf das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren bezogene Aufgabenteil wird durch die im Anspruch 6 angegebenen Merk male gelöst, wobei insbesondere bei Gehalten bis zu 20 Volumen-% dem normalen Sinter-, dem kombinierten Sinter/HIP-Prozeß oder dem Sintern mit einem nachfolgenden heißisostatischen Pressen in einer getrennten Anlage und bei höheren Verstärkungsmaterialgehalten dem Heißpressen der Vorzug gegeben wird.

Die Herstellung der Whisker-Hartmetallverbundwerkstoffe lehnt sich grundsätzlich an bekannte pulvermetallurgische Verfahrensschritte an. So werden im Unterschied zum Stand der Technik die Verstärkungsmate rialien (Whisker, Plättchen) zunächst aufbereitet, desagglomeriert und klassifiziert, bevor sie den weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden. Grundsätzlich unterscheidet man dabei zwischen vier Verdich tungsverfahren: 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 nachfolgendem 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 Mi schung aus 4 Volumen-% Co, Rest WC im Anschluß an das Naßmahlen 21 VoIumen-% TiC-Whisker in desagglomerierter und klassifizierter Form zugegeben worden. Die gesamte Mischung wurde 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 Tech nik bekannte Verbundwerkstoffe. Die Zähigkeitsbelastbarkeit ist bei vermindertem Bruchrisiko höher, ohne daß höhere Bindegehalte einge stellt werden mußten.

Claims

1. Hartmetallverbundkörper bestehend aus Hartstoffphasen, wie Wolf ramcarbid 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 na del- 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, Si₃N_4, Si₂N₂O, Al₂O_3, ZrO_2, AlN und/oder BN eingebaut ist, wobei der Anteil des Verstärkungsmaterials jeweils 1 bis 40 Volumen-%, vorzugsweise 10 bis 20 Volumen-% beträgt.

2. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nadelförmigen Einkristalle (Whisker) eine Länge von 3 µm bis 100 µm aufweisen.

3. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die nadelförmigen Einkristalle einen Durchmesser von 0,1 bis 10 µm haben.

4. Hartmetallverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plättchenförmigen Einkristalle (Plättchen) eine Dicke von 0,5 µm bis 10 µm und einen Durchmesser 3 µm bis 100 µm auf weisen.

5. Hartmetallverbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß SiC-nadel- oder plättchenförmige Ein kristalle vorliegen und zu mehr als 90% die β-SiC-Struktur aufweisen.

6. Verfahren zur Herstellung des Hartmetallverbundkörpers nach Ansprüchen 1 bis 5 auf pulvermetallurgischem Weg, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial in desagglomerierter und klassifizierter Form mit der gemahlenen Mischung aus Hart stoffen und Binder vermischt, dann getrocknet, granuliert, uni axial oder kaltisostatisch gepreßt und der Verbundkörper durch Sintern, durch einen kombinierten Sinter/HIP-Prozeß, durch Sin tern mit einem HIP-Prozeß nach zwischenzeitiger Abkühlung oder durch Axial-Heißpressen hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ver stärkungsmaterial-Gehalten bis zu 20 Volumen-% das normale Sin tern, das Sintern mit einem nach Abkühlung erfolgenden heißiso statischen Pressen oder der kombinierte Sinter-HIP-Prozeß und bei Gehalten oberhalb von 20 Volumen-% das Axial-Heißpressen durchgeführt wird bzw. werden.