DE10052021A1 - Wasserstrahlschneidhochdruckdüse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserstrahlschneidhochdruckdüse, die als gesinterter Formkörper eine sehr hohe Härte und ausreichende Zähigkeit aufweisen soll. Die erfindungsgemäße Wasserstrahlschneidhochdruckdüse besteht aus gesintertem WC-Pulver mit einem Anteil an Zusatzkarbiden < 0,5 Masse-% und einem Anteil an Binder < 1 Masse-%. Außerdem sollen die WC-Kristallite eine mittlere Korngröße 0,3 mum, gemessen als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser, der am metallografischen Schliff mit Rasterelektronenmikroskop gemessen worden ist, die Wasserstrahlschneidhochdruckdüse eine Härte HV¶10¶ >= 2500 sowie eine Dichte >= 99,5% der theoretischen Dichte aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserstrahlschneidhoch­ druckdüse.

Zur Verringerung des Verschleisses sind hohe Härten des Materials erforderlich. Hohe Härten werden bekanntermassen mit Carbiden, wie WC, TiC oder TaC, mit Aluminiumoxid, Diamant und kubischem Bornitrid bzw. auch mit anderen Keramiken erreicht, wobei sich aber Diamant und kubisches Bornitrid relativ schwer und nur aufwendig verarbeiten lassen. Diamant und kubisches Bornitrid lassen sich nur bei hohen Drücken und hohen Temperaturen und dabei nur in einfachen Formen herstellen. Außerdem ist durch ihre geringe elektrische Leitfähigkeit eine funkenerosive Bearbei­ tung nicht möglich. Wünschenswert ist aber ein Werk­ stoff mit hoher Härte, der nach drucklosem Sintern mittels bekannter HIP- und Sinter-HIP-Technik ver­ dichtbar und nachfolgend funkenerosiv bearbeitbar ist.

Das mit WC entsprechend höhere Werkstoffhärten er­ reicht werden können, ist hinlänglich bekannt, und die gute elektrische Leitfähigkeit von WC ermöglicht eine funkenerosive Bearbeitung. Üblicherweise setzt man WC zur Sicherung der Sinterfähigkeit und einer ausreichenden Zähigkeit aber einen metallischen Bin­ der, üblicherweise Co in Gehalten über 4 Masse-% zu.

So ist die Herstellung von Verschleißteilen, wie z. B. Wasserstrahlschneidhochdruckdüsen aus EP 0 476 632 B1 und ein harter, verschleißfester Werkstoff aus US 4,945,073 bekannt.

Diese durch Sinterverfahren aus Pulvern hergestellten Düsen beinhalten neben Wolframcarbid generell zusätz­ liche Komponenten, wobei immer metallische Binder, z. B. Fe oder Co mit verarbeitet werden. Ausserdem ist man davon ausgegangen, dass Zusätze zur Verminderung des Kornwachstumes beim Sintern enthalten sein müs­ sen.

Insbesondere Metallcarbide oder -carbonitride sind einer Ausgangspulvermischung zugegeben worden, um das Kornwachstum des Wolframcarbids beim Sintern und so­ mit dem damit verbundenen Härteabfall entgegenzutre­ ten. Die Ausgangspulver enthielten dabei Zusätze von 0,5 bis zu 10 und mehr Masse-% und zusätzlich Binder zwischen 0,2 und 2 Masse-%. So begrenzt Co aber die erreichbare Härte und die zugegebenen Karbide beein­ trächtigen Festigkeit und Zähigkeit.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wasserstrahl­ schneidhochdruckdüse als gesinterten Formkörper mit hoher Härte und ausreichender Zähigkeit vorzuschla­ gen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Formkör­ per, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung können mit den in den untergeord­ neten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Erfindungsgemäß hat es sich gezeigt, dass eine Was­ serstrahlschneidhochdruckdüse auf WC-Basis mit uner­ wartet hohen Härten und sehr guten Verschleisseigen­ schaften aus WC-Pulver, in dem möglichst wenig Zusät­ ze enthalten sind, durch Sintern erhalten werden kann. Erfindungsgemäße Wasserstrahlschneidhochdruck­ düsen erreichen Härten HV₁₀ ≧ 2500, auch ohne die Zugabe der die Festigkeit und Zähigkeit beeinträchti­ genden, bisher immer eingesetzten Kornwachstumshem­ mer.

Der Abrasivverschleißtest im Schleifradtribometer (Test in Analogie zu CCPA P112) mit einem Scheiben­ durchmesser von 80 mm Werkstoff: 210Cr46) bei einer Reibgeschwindigkeit von 45 m/min und einer Flächen­ pressung von 1,8 N/mm² zeigte einen wesentlich gerin­ geren Abtragungsverlust bei den Proben aus erfin­ dungsgemäßem zusatzfreiem WC gegenüber bekannten Pro­ ben mit zusätzlichem Karbid, z. B. TiC.

Das WC-Pulver sollte eine mittlere Korngröße ≦ 0,3, gemessen als mittlerer äqivalenter Kreisdurchmesser mittels REM aufweisen und zumindest vor der Formge­ bung gut deagglomeriert sein.

Der Anteil an Zusatzkarbiden soll maximal bei 0,5 Masse-%, möglichst weit darunter liegen.

Als Binder sollte bevorzugt Fe oder Fe-Legierungen mit Anteil ≦ 0,4 Masse-% eingesetzt werden. Auf Bin­ der kann gänzlich verzichtet oder der Anteil ≦ 0,4 Masse-%, bevorzugt < 0,1 Masse-% gehalten wer­ den.

Für den Fall, dass neben anderen Karbiden auch kubi­ sche Zusatzkarbide/-karbonitride MeCXNY enthalten sind, sollte der Nichtmetallgehalt der kubischen Zu­ satzkarbide im Bereich 0,85 ≦ (x + y) ≦ 1,05 liegen und x ≧ 0,5 sein.

Das Sintern kann drucklos und/oder bei erhöhtem Druck (HIP oder Sinter-HIP) erfolgen.

Im fertigen gesinterten Produkt treten WC-Kristallite mit einer mittleren Korngröße ≧ 0,3 µm, die als äqui­ valenter Kreisdurchmesser mittels REM am metallogra­ fischen Schliff gemessen wird, auf.

Mit einem 100%igen WC-Pulver konnten Formkörper mit einer Dichte 15,67 g/cm³, einer Härte HV₁₀ von minde­ stens 2560 und maximal 2700 bei Bruchzähigkeiten von 4,9 K_IC (b. HV₁₀ 2700) und K_IC 5,4 (HV₁₀ 2660) erhalten werden.

Vorteilhaft ist die Düsenöffnung der Wasserstrahl­ hochdruckdüse in Form einer Laval-Düse ausgebildet.

Nachfolgend soll die Erfindung an Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

Als Ausgangspulver wurde undotiertes WC-Pulver mit einer mittleren Korngrösse 0,23 µm (gemessen mit REM als mittlerer äqivalenter Kreisdurchmesser) verwen­ det.

Das WC-Pulver wurde mit Paraffin als organisches Presshilfsmittel versetzt, wobei 2 Masse-% Paraffin bezogen auf die WC-Pulvermasse eingesetzt worden sind. Diese Mischung wurde anschließend gemeinsam mit einem wasserfreien Mahlmedium dispergierend und deag­ glomerierend in einer herkömmlichen Kugelmühle gemah­ len.

Die erhaltene Mahldispersion wurde getrocknet und mit einem Pressdruck von 300 MPa uniaxial zu einem WC- Presskörper bis oberhalb 50% der theoretischen Dich­ te verdichtet. Der Presskörper wird bei einer Tempe­ ratur von ca. 1650°C im Vakuum gesintert und nach­ folgend in einer Argonatmosphäre bei ca. 1500°C und einem Druck von 80 bar endverdichtet. Die Dichte er­ reichte 15,67 g/cm³, was der von reinem WC ent­ spricht. Der fertige Formkörper wies bei Raumtempe­ ratur eine Härte von HV₁₀ 2560 und eine Bruchzähig­ keit K_IC von 5,2 MPA √ m auf. Es wurde eine WC-Kri­ stallitgrösse von 0,24 µm als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmesser am metallografischen Schliff mit REM gemessen und eine Porosität nach DIN ISO 4505 von ≦ A02B00C00 erreicht. Der Abrasivverschleiß, getestet im Schleifradtribometer (Reibgeschwindigkeit: 45 m/min. Flächenpressung: 1,8 N/mm², Abrasionsmate­ rial: 0,5 kg Edelkorund EKP 100 in 200 ml H₂O), be­ trug nach 6 min 0,3 mm³, bei der konventionellen Ver­ gleichsprobe aus WC mit 3 Masse-% TiC und 0,5 Masse-% Mo₂C 0,4 mm³.

Beispiel 2

Als Ausgangspulver wurde undotiertes WC-Pulver mit einer mittleren Korngrösse 0,19 µm (gemessen mit REM als mittlerer äqivalenter Kreisdurchmesser) verwen­ det.

Das WC-Pulver wurde mit Paraffin als Presshilfsmittel versetzt, wobei 2 Masse-% Paraffin bezogen auf die WC-Pulvermasse eingesetzt worden sind. Diese Mischung wurde anschließend mit einem wasserfreien Mahlmedium dispergierend und deagglomerierend in einem Laborat­ tritor gemahlen.

Das getrocknete Pulver wurde anschließend bei einem Druck von ca. 700 bar kaltisostatisch zu einem Presskörper verdichtet. Der Presskörper wird bei ei­ ner Temperatur von ca. 1700°C im Vakuum gesintert und nachfolgend in einer Argonatmosphäre bei einem Druck von 80 bar nachverdichtet.

Der fertige Formkörper wies eine Dichte von 15,67 g/cm³ und bei Raumtemperatur eine Härte von HV₁₀ 2700 sowie eine Bruchzähigkeit K_IC von 4,9 MPA √ m auf. Es wurde eine WC-Kristallitgrösse, als mittlerer äquiva­ lenter Kreisdurchmesser am metallografischen Schliff mittels REM von 0,21 µm gemessen und eine Porosität nach DIN ISO 4505 von A02B00C00 erreicht. Der Abra­ sivverschleiß, getestet im Schleifradtriometer (Reib­ geschwindigkeit: 45 m/min. Flächenpressung: 1,8 N/mm², Abrasionsmaterial: 0,5 kg Edelkorund EKP 100 in 200 ml H₂O), betrug nach 6 min 0,25 mm³, bei der konventionellen Vergleichsprobe aus WC mit 3 Mas­ se-% TiC und 0,5 Masse-% Mo₂C 0,4 mm³.

Claims (11)

1. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse, bestehend aus gesintertem WC-Pulver mit einem Anteil an Zusatzkarbiden < 0,5 Masse-% und einem Anteil an Binder < 1 Masse-%, wobei die WC-Kri­ stallite eine mittlere Korngröße ≦ 0,3 µm, ge­ messen als mittlerer äquivalenter Kreisdurchmes­ ser gemessen am metallografischen Schliff im Rasterelektronenmikroskop aufweisen, die Härte HV₁₀ ≧ 2500 ist und die Dichte ≧ 99,5% der theoretischen Dichte beträgt.

2. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass enthaltene kubische Zusatzkarbide/-karbonitride MeC_xN_y, einen Nichtmetallgehalt im Bereich 0,85 ≦ (x + y) ≦ 1,05 aufweisen und x ≧ 0,5 ist.

3. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil aller Zusatzkarbide/-karbonitride < 0,2 Masse-% ist.

4. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Zusatzkarbide/-karbonitride < 0,1 Masse-% ist.

5. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Binder ≦ 0,4 Masse-% ist.

6. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Binder < 0,1 Masse-% ist.

7. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Fe oder eine Fe-Legierung ist.

8. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Co, Ni, Cr, Cu oder eine Fe-Legierung ist.

9. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangs-WC-Pulver eine mittlere Körnung ≦ 0,3 µm äquivalenter Kreisdurchmesser im Rasterelektronenmikroskop aufweist.

10. Wasserstrahlschneidhochdruckdüse nach den An­ sprüchen 1 bis 9, bei der die Düsenöffnung in Form einer Laval-Düse ausgeformt ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Wasserstrahl­ schneidhochdruckdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dispergie­ rend und deagglomerierend gemahlenes WC-Pulver mit einer mittleren Korngröße ≦ 0,3 µm, gemessen als äquivalenter Kreisdurchmesser mit Raster­ elektronenmikroskop, zu einem Presskörper mit einer Dichte < 50% der theoretischen Dichte verdichtet und der mittels drucklosem Sintern und/oder Sintern bei bei erhöhtem Druck in Form von heißisostatischem Pressen oder Sintern heiß­ isostatisches Pressen erhaltene Formkörper bis zum Erreichen einer Dichte 99,5%, in Bezug zur theoretischen Dichte dichtgesintert wird.