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Verfahren zum Herstellen von Werkzeugen Es ist bekannt, Werkzeuge,
z. B. die Schneiden von Drehstählen, durch Aufschmelzen oder durch Auflöten von
Hartmetall zu vergüten. Im wesentlichen bestehen. die aufzuschweißenden oder aufzulötenden
Hartmetallschichten aus Karbiden, Nitriden oder Boriden eines oder mehrerer vornehmlich
Schwermetalle, wobei besonders zweckmäßig diese Stoffe aus ein oder mehreren Karbiden,
z. B. Wolfram-, Molybdän-, Tantalu. dgl. Karbide gewählt werden. Für andere Zwecke
ist es auch bekannt, Schwermetalle insbesondere der Wolframgruppe in Kupfer z. B.
durch Einwalzen einzubetten. Als Herstellungsverfahren für die Karbide, Nitride
oder Boride sind zwei wesentlich verschiedene Verfahren besannt. Einmal das Schmelzen
dieser Karbide zu einem einheitlichen Körper entweder in bestimmte, dem Verwendungszweck
angepaßte Formen oder in einfache Formen, wie Platten, Stangen u. dgl., die dann
zersägt und geschliffen werden, und das andere Mal das Sintern dieser Karbide zu
bestimmten, dem Verwendungszweck genau angepaßten Formen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von Werkzeugen mit Arbeitsflächen, die im wesentlichen aus Hartmetall bestehen,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß Metallkarbide:, -nitride oder -boride in feinkörnigem
Zustand in eine metallische Schmelze, deren spezifisches Gewicht von dem der Karbide,
Nitride oder Boride abweicht, eingebracht werden; nach einer bestimmten Verweilzeit,
die von dem
Unterschied der spezifischen Gewichte,- der Korn= größe
der eingebrachten Karbide und von der Zähigkeit der Schmelze abhängig ist, steigen
die Hartmetalle in der Schmelze auf oder sinken-in ihr nieder. Anschließend daran
wird die Schmelze abgekühlt. Es befindet sich dann an einer Oberfläche eine Konzentration
von nahezu rtoio °/o der Karbide, während ' an der gegenüberliegenden Oberfläche
das Metall der Schmelze in nahezu loo°ia Konzentration vorhanden ist. Zwischen'
den beiden Oberflächen ist die Konzentrationsverteilung angenähert logarithmisch.
Die Karbidschicht ist gewissermaßen aufgewachsen.
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Folgende Beispiele sollen das Verfahren näher erläutern. Beispiel
t Reines Eisen wird unter neutraler Atmosphäre niedergeschmolzen und so hoch erhitzt,
daß es dünnflüssig ist. Dann wird feingemahlenes Titankarbid unter kräftigem Schütteln
und Rühren in die Schmelze eingebracht. Die Schmelze- wird nun einige Minuten ruhen
gelassen und anschließend abgekühlt. Da flüssiges, reines Eisen ein spezifisches
Gewicht von 7,g und Titankarbid ein solches von 4,25 besitzt steigt letzteres. in
der Schmelze hoch. Wegen der großen Oberfläche des feingemahlenen Titankarbids wird
das flüssige Eisen auch zwischen den einzelnen Körnern des Titankarbids als dünne
Schicht mitgenommen. Vermutlich spielen kapillare Kräfte bei diesem Vorgang auch
eine große Rolle, so :daß nach Abkühlung auf der titankarbidreichen Seite noch Eisen
nachgewiesen werden kann, hingegen ist die andere Seite praktisch frei von Titankarbid.
Jedes einzelne Korn von Titankarbid ist an der titankarbidreicheren Seite in Eisen
gebettet, das zäh ist und so ein Herausbrechen des harten und spröden Titankarbids
verhindert.
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Zwischen dem reinen Eisen und Titankarbid findet selbstverständlich
eine chemische Reaktion statt, die dahin verläuft, daß ein Teil des Titankarbids
seinen Kohlenstoff an- -Eisen abgibt und so zu Titan reduziert wird. Allerdings
zeigt es sich, daß nur sehr wenig Titankarbid zu Titan reduziert wird, da die chemische
Affinität des Titans zu Kohlenstoff wesentlich größer ist als die des Eisens. zu
Kohlenstoff. -Man kann diese Erscheinung dazu benutzen, um das Verfahren wie folgt
durchzuführen: Beispiele Reines Eisen wird geschmolzen und Kohle, z. B. in Form
von Graphitpulver, in die Schmelze eingebracht. Der Kohlenstoff löst sich in-der
Schmelze auf. Anschließend wird Titanpulver in die Schmelze eingerührt das sich
zum allergrößten Teil mit. dem sich in Lösung befindlichen Kohlenstoff in Titankarbid
umsetzt und dabei die Schmelze entkohlt. Dann wird wieder eine entsprechende Menge
Graphit der Schmelze zugeführt und anschließend daran wieder Titanpulver und so
fort, bis eine genügende Menge Titankarbid entständen ist: Der Pro'zeß muß so geführt
werden, daß am Schluß nur wenig Kohlenstoff im Eisen gelöst ist, damit dem Eisen
ein Stahlcharakter verliehen wird. Anschließend daran wird nach einer zweckmäßig
gewählten Verweilzeit, in der das gebildete Titankarbid zur Oberfläche der Schmelze
aufsteigt, abgekühlt. Zweckmäßig führt man - den Prozeß unter neutraler Atmosphäre
im Elektroofen aus.
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Will man ein sehr dichtes Gefüge des Karbids an der einen Oberfläche
erzielen, so kann man das Absetzen bzw. das Aufschweben des Karbids beschleunigen,
dadurch, daß man die Schmelze mit dem Karbid in einer Zentrifuge ausschleudert.
B,eispiel3 Wolframkarbidpulver, spezifisches Gewicht 15,5, wird in eine dünnflüssige
Nickelschmelze, spezifisches Gewicht 81,8; bei neutraler Gasatmosphäre eingerührt
und anschließend in eine Ringform vergossen. Die Ringform wird sofort geschleudert
und während des Schleuderns abgekühlt. Das Schleudern erfolgt vorzugsweise so, daß
die Ringform rasch um ihren Mittelpunkt gedreht wird. Das Wolframkarbid wandert
dann sehr schnell und sehr vollständig an die äußere Oberfläche des Rings. Man erhält
so einen vorzüglichen Ring für Schleifscheiben, bei, welchen das hatte Wolframkarbid
in zähem-Nickel eingebettet ist. Gegen den Mittelpunkt-des Rings ist durch das Zentrifugieren
die Konzentration an Wolframkarbid praktisch gleich Null, d. h. der innere Teil
des Rings besteht ausschließlich aus zähem, festem Nickel, das sich leicht bearbeiten
läßt. Derartige Ringe werden mit den üblichen Armaturen versehen und können als
Schleifscheiben für die verschiedensten. Zwecke, z. B, für Genauigkeitsschleifen
von Wellen aus Hartstahl, verwendet werden, da zufolge der besonders zähen Bindung
des Schleifkorns mit sehr großen Umfangsgeschwindigkeiten (wesentlich größeren als
bei keramischen Scheiben) gearbeitet "werden kann. Durch Abätzen lassen sich solche
Scheiben stets wieder anschärfen, allerdings nur so lange, bis die Wolframkarbidschicht
verbraucht ist.
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Statt in einer Ringform die Schmelze zu schleudern, kann man auch
so vorgehen daß man ein Rohr schleudert, das nach dem Erkalten in Ringe zerschnitten
wird. Man muß nur dafür Sorge tragen, daß die Schmelze während -des Schleudervorgangs
genügend dünnflüssig bleibt, damit eine Trennung der Karbide und der Grundmasse
in gewünschtem Umfange eintritt.
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Sehr wesentlich für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
die Korngröße des verwendeten Karbids. Durch mechanische Zerteilung des Karbids
durch Mahlen können Reckspannungen im einzelnen Korn entstehen, die durch die anschließende
Erhitzung in der Schmelze Rekristallisation veranlassen, die zu wesentlicher Vergröberung
des -Korns führen kann. Dies wird dadurch vermieden, daß das Karbid nicht mechanisch
geteilt wird,. sondern daß feinverteiltes Metall,
z. B. Titan, bei
erhöhter Temperatur in kohlenstoffhaltiger Atmosphäre, z. B. Benzoldampf, in Titankarbid
übergeführt wird und dieses Pulver ohne weitere Behandlung in die Schmelze eingetragen
wird.
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Um zu vermeiden, daß mehrere Körner des Karbids zusammenbacken, empfiehlt
es sich, immer nur wenig Karbid auf einmal einzutragen, dabei die Schmelze sehr
intensiv zu rühren und zu rütteln. Durch den Rührvorgang soll erreicht werden, daß
das Karbid möglichst gleichmäßig in der Schmelze verteilt und daß jedes Korn für
sich von der Schmelze umgeben wird. Das Rütteln hat die Aufgabe, die durch den Rührvorgang
unvermeidlich in die Schmelze gelangenden Gasblasen möglichst rasch aus ihr zu entfernen.
Man kann sogar so weit gehen, und es wird sich in vielen Fällen als notwendig erweisen,
die Schmelze während oder nach dem Eintragen des Karbids zu entlüften, etwa so,
wie es bei der Vakuumschmelze üblich ist. Eine vorzügliche und sehr gleichmäßig
wirkende Rührmethode besteht darin, daß man den Schmelzvorgang in einem elektrischen
Drei-oder Mehrphaseninduktionsofen durchführt, indem die Schmelze mit großer Geschwindigkeit
wandert und sich dabei durchmischt.
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Für Drehstähle und ähnliche Werkzeuge eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren ganz besonders. Bei Herstellung großer Mengen eignet sich insbesondere
eine Verfahrensabänderung gemäß Beispiel 4. Beispiel :I In einem Dreiphaseninduktionsofen
wird eine größere Menge Eisen, z. B. 5-00k-, geschmolzen und nach und nach Titankarbid
eingetragen. Durch die Bewegung der Schmelze wird das Titankarbid gleichmäßig in
der Schmelze verteilt und verteilt gehalten. Dann wird aus der so vorbereiteten
Schmelze in kleine Formen, die zweckmäßig vorgeheizt sind, vergossen. Nachdem die
Form vorzugsweise liegend vergossen wurde, wird der Einguß durch einen Tonpfropfen
verschlossen und die Form aufgestellt. Nach einer Verweilzeit von 1o Minuten, während
dieser die ausgegossene Form zur Flüssighaltung der Schmelze durch zusätzliche Beheizung
auf 130o° C gehalten wird, wird die Form abgekühlt. Umgerechnet auf die Charge im
Induktionsofen wird etwa 2,5 % des Eisengewichts Titankarbid zugegeben, also bei
50,o kg Eisen 12,5 kg Titankarbid. Bei einem rechteckigen Querschnitt von 2 X 2
cm bei 1o cm Länge des fertigen Gußstücks reicht dann die Zone des Titankarbids
etwa 5 mm tief. Das Gußstück, das einen Stahlcharakter besitzt, wird nun so umgeschmiedet
oder gepreßt, daß die titankarbidreichere Fläche als Schneidfläche dienen kann.
Dadurch wird erreicht, daß über die ganze Schneidfläche ein gleichmäßiges Gefüge
von Titankarbid vorhanden ist. Nach dem Schmieden wird der Stahl ganz langsam auskühlen
gelassen, um Wärmespannungen zu vermeiden, und dann wird im kalten Zustand die eigentliche
Schneide geschliffen. @Es ist zweckmäßig, bei gerade der Temperatur zu schmieden,
bei der sich das Schaftmaterial gerade noch gut schmieden läßt. Ein Schmieden bei
höherer Temperatur kann zu einer Veränderung des Gefüges der karbidreicheren Seite
führen, die nicht erwünscht ist.
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Der Vorteil der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Drehstähle besteht hauptsächlich darin, daß die Herstellung sehr einfach und preiswert
ist und daß durch den festen Halt der Karbide im Grundmetall sowohl die Wärmeableitung
als auch die Abnutzung sehr gering ist. Derartige Drehstähle eignen sich auch für
Drehschnitte, die eine stark stoßende Belastung der Schneiden ergeben, z. B. harten
Grauguß u. dgl. Statt reinen Eisens oder ähnlichen Metallen können selbstverständlich
auch legierte Metalle, wie Nickel-Chrom-Stähle oder ähnliche Drei- oder Mehrstoffstähle,
aber auch Aluminiumbronze u. dgl. als Grundmetall benutzt werden. Schleifscheiben
nach dem Verfahren können auch als Schleif- und Polierscheiben für rasch laufende
zahnärztliche Bohrmaschinen u. .dgl. wegen ihrer hohen Wärmeableitung und Schneidhaltigkeit
benutzt werden.
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Was in der vorliegenden Beschreibung für Karbide beschrieben wurde,
gilt naturgemäß auch für Nitride, Boride u. dgl. harte Werkstoffe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem Duplexverfahren,
wobei meist beim Schleudergießen zwei verschiedene Schmelzen in die gleiche Form
nacheinander gegossen werden. Dieses Verfahren bezweckt einen möglichst festen Verband
zwischen zwei Werkstoffen.
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Es sind auch Verfahren bekannt, bei welchen beim Schleudergießen ein
im Grundmetall lösliches Legierungsmetall pulverförmig eingebracht wird zu dem Zweck,
daß der Gehalt der entstehenden Metallegierung an Legierungsmetall in radialer Richtung
nicht konstant ist.