DD283160A5

DD283160A5 - HART METAL ALLOY

Info

Publication number: DD283160A5
Application number: DD32856489A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Boehlke; Ralf Rexhaeuser; Volkmar Richter; Karl Amborn
Original assignee: Hartmetallwerk Immelborn Im Ve
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1990-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hartmetallegierung, bestehend aus einer oder mehreren Hartstoffphasen und einer Bindemetallphase. Die erfindungsgemaesze Hartmetallegierung ist besonders guenstig dort anwendbar, wo einerseits oxidfreie und nicht bindemetallverarmte Oberflaechen notwendig und andererseits gute mechanische Eigenschaften erforderlich sind. Typische Anwendungsfaelle sind hartmetallbestueckte Bergbauwerkzeuge, Saegeblaetter, Schnittwerkzeuge und Preszstempel. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hartmetallegierung zu entwickeln, bei der nach Abschlusz der Hartmetallrohlingsherstellung ein Oberflaechenzustand erreicht wird, der guenstige Bedingungen fuer das Loeten und andere Verbundvarianten aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaesz dadurch geloest, dasz die Ausgangspulvermischung bzw. der Hartmetallansatz 0,5 bis 5 * vorzugsweise 1 * Mangan oder Manganoxid enthaelt. Es ist zweckmaeszig, dasz der Zusatz des Mangans als Vorlegierung mit dem Bindemetall in der Ausgangspulvermischung enthalten ist.{Hartmetallegierung; Bergbauwerkzeuge; Saegeblaetter; Schnittwerkzeuge; Preszstempel; Oberflaechenzustand; Loeten; Mangan; Manganoxid; Ausgangspulvermischung}The invention relates to a hard metal alloy, consisting of one or more hard material phases and a binding metal phase. The hard metal alloy according to the invention is particularly favorably applicable where, on the one hand, oxide-free and non-binder-metal depleted surfaces are necessary and, on the other hand, good mechanical properties are required. Typical applications are carbide-tipped mining tools, saw blades, cutting tools and press punches. The invention has for its object to develop a hard metal alloy, in which after completion of the carbide blank production a surface state is achieved, which has favorable conditions for soldering and other composite variants. This object is achieved according to the invention in that the starting powder mixture or the hard metal batch contains 0.5 to 5 *, preferably 1 * manganese or manganese oxide. It is expedient to include the addition of manganese as a master alloy with the binder metal in the starting powder mixture. Mining tools; saw blades; Cutting tools; Preszstempel; Oberflaechenzustand; Soldering; Manganese; manganese; Starting powder mixture}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Hartmetallegierung^estehend aus einer oder mehreren Hartstoffphasen und einer Bindemetallphase. Die Hartstoffphase kann WC oc'er andere Hartstoffe der Metalle der IV., V. und Vl. Nebengruppe des PSE oder deren Mischungen enthalten. Die Bindemetallphas.« beteht aus Co, Ni oder Fe oder aus Legierungen dieser Metalle mit Ausnahme austenitischer Bindemetallegierungen und ihr Anteil beträgt 2,5-30 Ma.-% an der Hanmetallegierung.The invention relates to a hard metal alloy consisting of one or more hard material phases and a binder metal phase. The hard material phase can WC oc'er other hard materials of the metals of IV., V. and Vl. Subgroup of the PSE or mixtures thereof. The binder metal phase consists of Co, Ni or Fe or of alloys of these metals, with the exception of austenitic binder metal alloys, and their content is 2.5-30% by weight of the heinmetal alloy.

Die erfindungsgemäße Hartmetal'egierung ist besonders günstig dort anwendbar, wo einerseits oxidfreie und nicht bindemetallvorarmte Oberflächen notwendig sind und andererseits ein hohes Niveau der mechanischen Eigenschaften wie Härte und Bruchzähigkeit verlangt werden. Die erfindungsgemäße Hartmetallegierung eignet sich ausgezeichnet für die Herstellung von Lötverbunden z. B. mit Stahl, für die bekannten Beschichtungsverfahren und bei der Herstellung von Sinterverbunden. Typische Anwendungsfälle sind hartmetallbestückte Bergbauwe^kzeuge, Sägeblätter, Schnittwerkzeuge und Preßstempel.The hard metal alloy according to the invention is particularly favorably applicable where, on the one hand, oxide-free and non-binder-metal-preheated surfaces are necessary and, on the other hand, a high level of mechanical properties such as hardness and fracture toughness are required. The hard metal alloy according to the invention is excellently suitable for the production of soldered joints z. As with steel, for the known coating methods and in the manufacture of sintered composites. Typical applications are carbide tipped mining tools, saw blades, cutting tools and press punches.

Characteristic of the known state of the art

Hartmetallrohlinge weisen aufgrund ihrer bekannten pulvermetallurgischen Herstellungsweise, die mit dem Sinterprozeß, dem heißisostatischen I Jachverdichtungsverfahren oder dem Sinter/HIP-Veifahren abschließt, die verschiedensten Oberf'ächenzustände auf. Diese können in Abhängigkeit der thermischer, Verfahren, der dabei verwendeten Schutzgesatmosphären, Vakua und Abkühlbedingungen unterschiedlich sein.Carbide blanks, due to their known powder metallurgy production process, which concludes with the sintering process, the hot isostatic I Jachverdichtungsverfahren or sintering / HIP Veifahren, a variety of Oberf'ächenzustände on. These may vary depending on the thermal processes, the protective atmospheres used, vacuums and cooling conditions.

Sehr häufig beobachtet man eine Bindemetallverarmung der Oberfläche. Diese tritt durch Verdampfung des Bindemetalls beim Sintern ein und fühi t dazu, daß das Bindemetall bis zu einer Schichtdicke, die annähernd die Korngröße des Hartstoffs erreichen kann, entfernt wird. Makroskopisch ist ein mattgraues Aussehen der Sinterhartmetalloberfläche zu beobachten. Ein solcher Oberflächenzustand weist zwei wesentliche Wachteile auf. Erstens ist die Rißauflösung von der Oberfläche durch das Fehlen des zähnen Binders und durch die Möglicnkeit des leichten Ablösens von Hartstoffkörnern begünstigt, wodurch die Bruchzähigkeit, die Biegebru :hfestigkeit und der Abrasivverschleiß solcher Sinterhartmetallteüe deutlich benachteiligt sind. Zweitens weisen solche Oberflächen eine schlechtere Benetzbarkeit gegenüber Lot auf und erschweren Diffusionsvorgänge, so daß im Endeffekt keine optimalen Lötverbindungen und andere Verbundvarianten erreichbar sind. Neben der Bindemetallverarmung der Hartmetalloberfläche sind häufig auch das ungezielte Abscheiden von dünnan Schichten, insbesondere von Oxidschichten zu verzeichnen, wi s zu Verfärbungen der Oberflächen entsprechend der sich bildenden Oxide führt. Diese Schichten verursachen ebenfalls eine deutliche Verringerung der Lötfähigkeit und haben störende Einflüsse bei der Anwendung anderer Verbundvarianten.Very often a binding metal depletion of the surface is observed. This occurs by evaporation of the binder metal during sintering and fühi time to the binding metal is removed to a layer thickness which can reach approximately the grain size of the hard material. Macroscopically, a matt gray appearance of the cemented carbide surface can be observed. Such a surface state has two essential wax parts. First, the crack dissolution from the surface is favored by the absence of the cement binder and the ability to readily detach hard grains, thereby significantly reducing the fracture toughness, flexing strength, and abrasive wear of such cemented carbide pieces. Second, such surfaces have poorer wettability to solder and impede diffusion processes, so that ultimately no optimum solder joints and other composite variations are achievable. In addition to the binder metal depletion of the cemented carbide surface, the non-targeted deposition of thin layers, in particular of oxide layers, frequently results in discoloration of the surfaces corresponding to the oxides which form. These layers also cause a significant reduction in solderability and have disturbing influences when using other composite variants.

Diese Nachteilb sind seit langem bekannt und en wurden Methoden entwickelt, um diese Nachteile zu vermeiden. Dabei handelt es sich um chemische, thermische, chemo-thermische und elektrolytische Verfahren. Sie haben den Zweck, beispielsweise Bindemetallverarmung durch elektrolytische Abscheidung von Nickel zu verhindern oder Oxidschichten abzutragen. Grundsätzlich handelt es sich bei diesen bekannten Behandlungsverfahren um zusätzliche Arbeitsgänge, die zusätzliche Kosten verursachen und auch umweltbelastend sind.These disadvantages have long been known and methods have been developed to avoid these disadvantages. These are chemical, thermal, chemo-thermal and electrolytic processes. Their purpose is, for example, to prevent binding metal depletion by electrolytic deposition of nickel or to remove oxide layers. Basically, these known treatment methods are additional operations that cause additional costs and are also harmful to the environment.

Weiterhin ist es bei der Herstellung von Sinterstahl bekannt, durch die Zugabe von Mangan Oxidation zu verhindern, so daß die.se vorgemisch.en Manganstahlsorten in einer reduzierenden Atmosphäre, z.B. H2 gesintert werden können. Die dabei wirkenden Mechanismen sind jedoch mit den Bedingungen bei Hartmetallen nicht vergleichbar, weil bei Hartmetallen im Gegensatz zu Sin. ;rstahl das sogenannte Flüssigphasensintern zur Erreichung der Enddichte verwendet wird. Dabei geht das Bindemetall ab etwa 1300⁰C in den flüssigen Zustand über und es treten Lösungs- und Wiederausscheidungsvorgänge (Ostwald-Reifung) der Hartstoffphase auf.Further, in the production of sintered steel, it is known to prevent oxidation by the addition of manganese, so that the.en premixed manganese steel types can be sintered in a reducing atmosphere, eg, H2. However, the mechanisms involved are not comparable with the conditions for hard metals, because with hard metals in contrast to Sin. Rstahl the so-called liquid phase sintering is used to achieve the final density. In this case, the binder metal is from about 1300 ⁰ C in the liquid state and there occur solution and re-precipitation processes (Ostwald ripening) of the hard material phase.

In der EP-A 85125 wird eine Hartmetallegierung vorzugsweise für die Gesteinsbearbeitung und das Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. Hierbei werden als Bindemetallphase Eisen-Nickel-Legierungen verwendet, die eine austenitische Matrix besitzen, die sich unter mechanischer Beanspruchung an der Oberfläche teilweise in Martensit umwandeln, wodurch eine erhöhte Härte in der Randzone erreicht wird. Dieser Mechanismus wird durch den Zusatz von 5-20% Mn noch begünstigt. Die in dieser Erfindung beschriebenen Verbesserungen der Bruchzähigkeit und der Härte der /tandzone beruhen also auf der Bildung von Martensit in Folge der mechanischen Beanspruchung btsirr¹ Gesteinsbohren, wohöi die austenitische Bindemetallegierung und spezielle Herstellungs- und Sinterbedingun.jen vorhanden sen müssen.EP-A 85125 describes a hard metal alloy, preferably for rock treatment, and the process for its production. Here are used as binder metal phase iron-nickel alloys that have an austenitic matrix, which partially convert to martensite under mechanical stress on the surface, whereby an increased hardness in the edge zone is achieved. This mechanism is favored by the addition of 5-20% Mn. The described in this invention improvements in fracture toughness and hardness of the / tandzone therefore rely on the formation of martensite as a result of mechanical stress btsirr ^one rock drilling wohöi the austenitic binder metal alloy and special manufacturing and Sinterbedingun.jen sen present need.

Object of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile der bekannten Hartmetallegierungen zu beseitigen und deren Eigenschaften für die Befestigung durch Löten oder andere Verbundvarianten zu verbessern.It is the object of the invention to eliminate the disadvantages of the known hard metal alloys and to improve their properties for attachment by soldering or other composite variants.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugmnde, eine Hartmetallegiorung zu entwickeln, bei der nach Abschluß der Hartmetallrohlingsherstellung ein Oberflächenzustand erreicht wird, der günstige Bedingungen für das Löten und andere Verbundvarianten aufweist.The invention has the object zugmnde to develop a hard metal alloy, in which after completion of the carbide blank production, a surface state is achieved, which has favorable conditions for soldering and other composite variants.

Diese Aufgabe wird effino jngsgomäß dadurch gelöst, daß die Ausgangspulvermischung bzw. der Hartmetallansatz 0,5 bis 5Ma.-%, vorzugsweise 1 Ma.-% Mangan oder Manganoxid enthält.This object is achieved according to the present invention by virtue of the fact that the starting powder mixture or the hard metal batch contains 0.5 to 5% by weight, preferably 1% by weight, of manganese or manganese oxide.

Es ist zweckmäßig, daß der Zusatz des Mangans als Vorlegierung mit dem Bindemetall in der Ausgangspulvermischung enthalten ist.It is expedient that the addition of manganese is included as a master alloy with the binder metal in the starting powder mixture.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hartmetalle weicht im übrigen nicht von den üblichen Verfahrensschritten ab.Incidentally, the preparation of the hard metals according to the invention does not deviate from the usual method steps.

Unabhängig vom abschließenden Sinterverfahren, der heißisostatischen Nachverdichtung oder einem Drucksinterverfahren weisen die Hartmetallrohlinge aus Hartmetallegierungen mit dem erfindungsgemäßen Manganzusatz eine Probenoberfläche auf, die günstig für das Löten und andere Verbundvarianten ist. Bei Benetzungsversuchen mit verschiedenen Lotvarianten konnte stets eine vollständige Benetzung erreicht werden, was bei üblichen Hartmetallrohlingsoberflächen häufig nicht der Fall ist. Mit den erfindunsgemäßen Hartmtttallegierungen können so optimale Lötverbindungen und andere Verbundvarianten erreicht werden, ohne daß eine Nachbehandlung oder auch eine Lötung unter speziellen Bedingungen wie z. R. unter Vakuum notwendig ist.Regardless of the final sintering process, the hot isostatic densification or a pressure sintering process, the carbide blanks of hard metal alloys with the manganese addition according to the invention on a sample surface, which is favorable for soldering and other composite variants. In wetting tests with different Lotvarianten complete wetting was always achieved, which is often not the case with conventional carbide blank surfaces. With the Hartmtttallegierungen erfindunsgemäßen so optimal solder joints and other composite variants can be achieved without a post-treatment or a soldering under special conditions such. R. under vacuum is necessary.

Im allgemeinen ist der erfindungsgemäße Effekt bereits am glänzenden Aussehen der Sinteroberfläche erkennbar.In general, the effect according to the invention can already be recognized by the glossy appearance of the sintering surface.

embodiments Example 1:

Es wurden mit bekannten Verfahrensschritten, wie Attritormahlung, Sprühtrockm ,ng, Pressen, Ausgasen unter Wasserstoff und Sintern im Vakuum parallel zwecks Ausschaltung von Verfahrenseinflüsen zwei /VC-9,5%-Co-Hartmetallegierungen, wie sie üblicherweise z. B. für Schlagbohrwerkzeuge eingesetzt werden, mit und ohne Vln-Zusatz hergestellt. Auch die Ausgangsstoffe WC und Co sowie der verwendete Plastifikator waren jeweils aus einer Chargo.With known process steps, such as Attritormahlung, spray drying, ng, pressing, outgassing under hydrogen and sintering in vacuo in parallel for the purpose of elimination of process effects two / VC-9.5% -Co-hard alloys, as they usually z. B. are used for impact drills, manufactured with and without Vln additive. The starting materials WC and Co as well as the plasticizer used were each from a Chargo.

Der Manganzusatz erfolgte beim Mischungsansatz in Form von reinem μηO₂ und zwar in einer Menge von 10Gew.-% Mn auf das Bindemetall gerechnet.The addition of manganese was carried out in the mixing batch in the form of pure μηO ₂ and indeed in an amount of 10 wt .-% Mn calculated on the binding metal.

Im Gegensatz zum im Patent EP-A 85125 beschriebenen Sinterverfahren für Stahl unter H₂-Atmosphäre, um Mn-Verlustezu vermeiden, ist hier eine Vakuum-Sinterung, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erreichen, am günstigsten.In contrast to the sintering process for steel under H ₂ atmosphere described in patent EP-A 85125, in order to avoid Mn losses, here vacuum sintering is the most favorable in order to achieve the effect according to the invention.

Nach der Vakuumsinterung zeigt sich bereits ein deutlich unterschiedliches Aussehen. Während die Legierung 1 (ohne Mn-Zusatz) eine mattgraue Oberfläche aufweist, besitzt die Legierung 2 (mit Mn-Zusatz) ein silbrig glänzendes Aussehen. Dem entsprechend sind deutliche Unterschiede in der Benetzbarkeit mit üblicherweise verwendeten Loten feststellbar. Versuche zur Bestimmung der Scherkräfte, die zur Zerstörung der Lötverbindung notwendig sind, ergaben eine Erhöhung derselben bis zu 50%. Zusätzlich zu diesen deutlichen Vorteilen ergaben sich noch deutliche Verbesserungen der Zähigkeitseigenschaften.After the vacuum sintering, a distinctly different appearance already appears. While the alloy 1 (without Mn additive) has a dull gray surface, the alloy 2 (with Mn additive) has a silvery shiny appearance. Accordingly, significant differences in wettability with commonly used solders are noticeable. Experiments to determine the shear forces necessary to destroy the solder joint resulted in an increase of up to 50%. In addition to these distinct advantages, there were still significant improvements in toughness properties.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Eigenschaften der beiden HM-Legierungen mit und ohne Mn-Zusatz dargestellt.The following table shows some properties of the two HM alloys with and without Mn addition.

Dichte in g/cm³ Härte, HRADensity in g / cm ³ hardness, HRA

Bruchzähigkeit in MPa m 1/2 Biegebruchfestigkeit in MPaFracture toughness in MPa m 1/2 Flexural strength in MPa

Example 2:

Eine WC-9,5%Co-Hartmetallegierung wurde unter den gleichen Bedingungen wie im 1. Ausführungsbeispiel hergestellt. Der Mn-Zusatz erfolgte hier jedoch nicht in Form von MnO₂, sondern in Form einer Co-Mn-Vorlegierung. Diese wurde schmelzmetallurgisch bei einer Temperatur von 1200⁰C hergestellt, einer Voizerk einerung in einem Backenbrecher und einer Mahlung in einer Kugelmühle unterworfen. Der Mn-Gehal der Vorlegierung betrug 60Gew.-%, wodurch eine Begünstigung dor Pulverisierung erreicht wurde. Bei geringeren Mn-Gehalten treten Schwierigkeiten bei der Zerkleinerung der gegossenen Co-Mn-Legierung auf.A WC-9.5% Co-hard alloy was produced under the same conditions as in the 1st embodiment. However, the Mn addition was not carried out here in the form of MnO ₂ , but in the form of a Co-Mn master alloy. This was produced by melt metallurgy at a temperature of 1200 ⁰ C, subjected to a Voizerk in a jaw crusher and a milling in a ball mill. The Mn content of the master alloy was 60% by weight, thereby favoring pulverization. At lower Mn contents, difficulty is encountered in crushing the cast Co-Mn alloy.

Im Endergebnis konnten an diesen erfindungsgemäßen Hartmetallegierungen die gleichen positiven Effekte bezüglich der Benetzbarkeit mit Lot und damit der Lötfähigkeit sowie bezüglich der mechanischen Eigenschaften erreicht werden.In the end result, the same positive effects with regard to wettability with solder and thus the solderability as well as with regard to the mechanical properties could be achieved on these hard metal alloys according to the invention.

Die erfindunsgemäßen Hartmetallegierungen der Ausführungsbeispielo 1 + 2 eignen sich besonders für die Bestückung von Schlagbohrwerkzeugen für das Sprenglochbohren im Erzbergbau und in der Natursteinindustrie, aber auch für die Bestückung von Schrämpicken für den Steinkohlenbergbau.The erfindunsgemäßen carbide alloys of the Ausfuhrungso 1 + 2 are particularly suitable for the placement of Schlagbohrwerkzeugen for blasting drilling in ore mining and in the natural stone industry, but also for the placement of Schrämpicken for hard coal mining.

Example 3:

Die erfindungsgemäßen Mn-Zusätze wurden weiterhin an einer WC-6%-Co-Hartmetallegierung erprobt.. Hier wurde mit einem Mn-Zusatz von 15Gew.-%zum Bindemetall gearbeitet.The Mn additives according to the invention were further tested on a WC-6% Co hardmetal alloy. Here, a Mn addition of 15% by weight to the binder metal was used.

Die Lötbarkeit der aus dieser Hartmetallegierung hergestellten Sägezähne für hartmetallbestückte Kreissägeblätter kommt der von elektrolytisch vernickelten Hartmetall-Sägezähnen gleich.The solderability of the saw teeth made from this carbide alloy for carbide-tipped circular saw blades equals that of electrolytically nickel-plated carbide sawteeth.

Ein weiteres vorteilhaftes Einsatzgebiet dieser Hartmetallegierung sind Bohrerplatten für Betonbohrer, da auch bei dieser Hartmetallegierung neben der verbesserten Lötbarkeit eine Zähigkeitssteigerung eintritt. Bei gleicher Verschleißfestigkeit wurde eine Steigerung der Bruchzähigkeit um etwa 10% nachgewiesen.A further advantageous field of application of this hard metal alloy are drill plates for concrete drills, since in addition to the improved solderability, an increase in toughness also occurs in the case of this hardmetal alloy. With equal wear resistance, an increase in fracture toughness of about 10% has been demonstrated.

Example 4:

Eine WC-8,5%-Co-Hartmetallegierung wurde win zum Beispiel 1 erfindungsgemäß mit 12 Gew.-% Mn-Zusatz hergestellt. Diese Legierung läßt sich vorteilhaft z. B. als Inserts für Bergbauwerkzeugezum drehenden Bohren von Sprenglöchern in der Kaliindustrie einsetzen.A WC-8.5% Co hardmetal alloy was prepared for example 1 according to the invention with 12% by weight of Mn additive. This alloy can be advantageous z. For example, as inserts for mining tools for rotary drilling of blast holes in the potash industry.

Legierung 1Alloy 1 Legierung 2Alloy 2 (ohne Mn-Zusatz)(without Mn addition) (mit Mn-Zusatz)(with Mn addition) 14,5014,50 14,5014,50 87,087.0 37,037.0 17,017.0 19,019.0 19001900 23002300

Claims

1. hard metal alloy consisting of one or more hard material phases of carbides of the metals of IV., V. and Vl. Subgroup of the PSE, preferably of tungsten carbide and a binder metal phase of cobalt, nickel or Eison or of alloys of these metals in a proportion of 2, £ his 30Ma .-%, excluding austenitic Bindemetallegierungen, characterized in that the starting powder mixture or the carbide 0, 5 to 5% by mass, preferably 1% by mass of manganese or manganese oxide.

2. Hartmetallegiorung according to claim 1, characterized in that the addition of manganese is contained as a master alloy with the binding metal and the starting powder mixture.