-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff, welches für den Einsatz unter korrosiven und abrasiven Bedingungen geeignet ist. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes aus einem Hartmetallwerkstoff.
-
Die
DE 60 2004 012 147 T2 zeigt einen Hartmetall-Hybridverbund, welcher neben einer dispergierten Hartstoffphase auch eine kontinuierliche Binderphase umfasst. Die Hartstoffphasen umfassen Carbide von z. B. Wolfram, Titan und/oder Chrom. Die Binder umfassen beispielsweise eine Nickellegierung.
-
Aus der
DE 696 06 984 T2 ist eine korrosions- und verschleißbeständige Cermetzusammensetzung bekannt, die einen keramischen Bestandteil aus einem Borid, einem Carbid, einem Nitrid und/oder einem Silicid aufweist. Die Cermetzusammensetzung umfasst weiterhin eine Binderlegierung, deren Hauptbestandteil Eisen, Nickel oder Kobalt bzw. eine Legierung dieser Metalle ist. Die Binderlegierung umfasst als zusätzlichen Bestandteil Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und/oder Platin bzw. eine Legierung dieser Metalle.
-
Die
DE 10 2006 045 339 B3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Hartmetallmischung durch Verwendung von mindestens einem vorlegierten Pulver, welches aus der Gruppe bestehend aus Eisen/Nickel, Eisen/Cobalt, Eisen/Nickel/Cobalt und Nickel/Cobalt ausgewählt ist. Weiterhin wird mindestens ein Elementpulver verwendet, welches aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Nickel und Cobalt oder einem vorlegierten Pulver wie Eisen/Nickel, Eisen/Cobalt, Eisen/Nickel/Cobalt und Nickel/Cobalt ausgewählt ist. Zudem wird ein Hartstoffpulver verwendet, welches Chromcarbid enthalten kann.
-
Die
DE 10 2016 115 784 A1 lehrt eine gesinterte Hartmetallzusammensetzung, welche eine Hartpartikelphase umfasst, die Wolframcarbid beinhaltet. Die Hartmetallzusammensetzung umfasst zudem ein auf Cobalt basierendes metallisches Bindemittel, welches eine kubische Cobalt-Molybdän-Mischkristallphase aufweist.
-
In dem wissenschaftlichen Artikel von L. L. Zhu, H. Y. Qi, et al.: „Experimental determination of the Ni-Cr-Ru phase diagram and thermodynamic reassessments of the Cr-Ru and Ni-Cr-Ru systems" in Intermetallics, Ausgabe 64, Seiten 86-95, 2015, werden Nickel-basierte Zusammensetzungen vorgestellt, welche Ruthenium enthalten. Es wird festgestellt, dass die Löslichkeit des Rutheniums in der Nickellegierung durch Chrom verbessert wird.
-
Die
WO 2017/152197 A1 zeigt ein Zerspanungswerkzeug mit einem Grundmaterial aus Hartmetall, welches Hartstoffteilchen in einem metallischen Binder aufweist. Die Hartstoffteilchen sind durch Wolframkarbid gebildet. Der metallische Binder ist eine Cobalt-Ruthenium-Legierung. Zur Herstellung des Hartmetalls wird bevorzugt Cr
3C
2-Pulver als ein Ausgangsmaterial verwendet.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Verschleißfestigkeit von Werkstücken aus einem Hartmetallwerkstoff, welche unter korrosiven und abrasiven Bedingungen eingesetzt werden, zu verbessern.
-
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Werkstück gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 8.
-
Das erfindungsgemäße Werkstück besteht aus einem Hartmetallwerkstoff. Bei dem Hartmetallwerkstoff handelt es sich um einen Verbundwerkstoff aus Hartstoffpartikeln, die in einer metallischen Bindermatrix eingebunden sind. Die Hartstoffpartikel bilden eine Hartstoffpartikelphase des Hartmetallwerkstoffes. Die Hartstoffpartikel enthalten ein Carbid, bei welchem es sich bevorzugt nicht um Chromcarbid handelt. Bei dem Carbid handelt es sich bevorzugt um Wolframcarbid WC, wobei es sich alternativ auch um ein anderes Carbid handeln kann oder unterschiedliche Carbide enthalten sein können. Die Hartstoffpartikel enthalten das Carbid, insbesondere das Wolframcarbid mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt mindestens 90 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % beträgt. Besonders bevorzugt bestehen die Hartstoffpartikel vollständig aus dem Carbid, insbesondere aus dem Wolframcarbid.
-
Die metallische Bindermatrix bildet eine Binderphase im Hartmetallwerkstoff aus. Die metallische Bindermatrix enthält eine Nickellegierung. Die Nickellegierung umfasst zumindest Nickel Ni und Ruthenium Ru. Die metallische Bindermatrix enthält die Nickellegierung mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt mindestens 90 % und besonders bevorzugt mindestens 99 % beträgt. Besonders bevorzugt besteht die metallische Bindermatrix vollständig aus der Nickellegierung. Die Nickellegierung umfasst neben dem Nickel und dem Ruthenium bevorzugt ein oder mehrere weitere Edelmetalle. Alternativ bevorzugt umfasst die Nickellegierung neben dem Nickel das Ruthenium als einziges Edelmetall. Die Nickellegierung enthält das Nickel mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt mindestens 60 % beträgt.
-
Erfindungsgemäß umfasst der Hartmetallwerkstoff in seiner metallischen Bindermatrix auch Chrom Cr, welches als Chromcarbid Cr3C2 zugegeben worden ist. Das Chromcarbid bildet einen löslichkeitssteigernden Zusatz und gewährleistet eine hohe Löslichkeit des Rutheniums im Nickel. Das Chromcarbid wird in der Bindermatrix als Chrom und Kohlenstoff gelöst.
-
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkstückes besteht darin, dass es eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist, auch wenn korrosive Medien unter einem sehr hohen Druck auf das Werkstück einwirken. Bei solchen korrosiven Medien kann es sich beispielsweise um Leitungswasser, entionisiertes Wasser, Salzwasser, leichte Säuren, wie Essigsäure oder Methacrylsäure handeln. Das erfindungsgemäße Werkstück ist korrosions- und verschleißfest.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält der Hartmetallwerkstoff neben dem Chrom als löslichkeitssteigernden Zusatz zudem Vanadium V, Tantal Ta, Niob Nb, Titan Ti, Molybdän Mo, Cobalt Co und/oder Eisen Fe, das als löslichkeitssteigernder Zusatz zugegeben worden ist. Die genannten chemischen Elemente können auch innerhalb von Carbiden, Nitriden und/oder Oxiden als löslichkeitssteigernder Zusatz zugegeben worden sein. Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform enthält der Hartmetallwerkstoff ausschließlich das Chrom, welches in Form von Chromcarbid als löslichkeitssteigernder Zusatz zugegeben worden ist.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält der Hartmetallwerkstoff die metallische Bindermatrix mit einem Massenanteil, welcher zwischen 4 % und 30 % beträgt. Somit beträgt der Anteil der metallischen Bindermatrix am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 4 Gew.-% und 30 Gew.-%. Entsprechend enthält der Hartmetallwerkstoff die Hartstoffpartikel mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt zwischen 70 % und 96 % beträgt. Somit beträgt der Anteil der Hartstoffpartikel am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 70 Gew.-% und 96 Gew.-%.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält der Hartmetallwerkstoff den löslichkeitssteigernden Zusatz bzw. die löslichkeitssteigernden Zusätze mit einem Massenanteil, welcher zwischen 0,1 % und 3 % beträgt. Somit beträgt der Anteil des löslichkeitssteigernden Zusatzes bzw. der löslichkeitssteigernden Zusätze am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-%. Insbesondere enthält der Hartmetallwerkstoff das Chrom mit einem Massenanteil, welcher bevorzugt zwischen 0,1 % und 3 % beträgt. Somit beträgt der Anteil des Chrom am Hartmetallwerkstoff bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 3 Gew.-%.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält die Nickellegierung das Ruthenium und die gegebenenfalls vorhandenen weiteren Edelmetalle in der Summe mit einem Massenanteil, welcher zwischen 1 % und 20 % beträgt. Somit beträgt der Anteil des Rutheniums und der gegebenenfalls vorhandenen weiteren Edelmetalle an der Nickellegierung in der Summe bevorzugt zwischen 1 Gew.-% und 20 Gew.-%.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen weisen mindestens 90 % der Hartstoffpartikel eine Korngroße zwischen 0,2 µm und 50 µm auf. Besonders bevorzugt weisen mindestens 99 % der Hartstoffpartikel eine Korngroße zwischen 0,2 µm und 50 µm auf. Die Hartstoffpartikel weisen eine mittlere Korngröße auf, welche bevorzugt zwischen 0,5 µm und 20 µm beträgt.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück handelt es sich bevorzugt um ein pumpendruckbelastetes Maschinenelement einer Hubkolbenpumpe. Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück handelt es sich bevorzugt um einen Kolben oder um eine Laufbuchse einer Hubkolbenpumpe. Bei der Hubkolbenpumpe handelt es sich bevorzugt um einen Kompressor, insbesondere um einen Hyperkompressor, mit welchem Drücke von mindestens 3.000 bar oder mindestens 4.000 bar erzeugbar sind. Der Kompressor ist geeignet, korrosive Medien, wie Leitungswasser, entionisiertes Wasser, Salzwasser, leichte Säuren, wie Essigsäure oder Methacrylsäure zu fördern. Eine Relativbewegung zwischen dem Kolben und der Laufbuchse wirkt grundsätzlich verschleißend auf eine Oberfläche des Kolbens und auf eine Oberfläche der Laufbuchse. Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolben bzw. die erfindungsgemäß ausgebildete Laufbuchse weisen im Vergleich zum Stand der Technik einen deutlich verringerten Verschleiß auf.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Herstellen eines Werkstückes aus einem Hartmetallwerkstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zum Herstellen des erfindungsgemäßen Werkstückes. In einem ersten Schritt werden Hartstoffpartikel bereitgestellt, welche ein Carbid, bevorzugt Wolframcarbid enthalten. Weiterhin werden pulverförmiges Nickel und pulverförmiges Ruthenium bereitgestellt, welche zum Ausbilden einer Nickellegierung geeignet sind. Zudem wird pulverförmiges Chromcarbid bereitgestellt, welches als Zusatzstoff zum Steigern einer Löslichkeit des Rutheniums in dem Nickel dient. In einem weiteren Schritt werden die bereitgestellten Hartstoffpartikel, das bereitgestellte Nickel, das bereitgestellte Ruthenium und das bereitgestellte Chromcarbid zu einer Mischung vermischt. In einem folgenden Schritt wird die Mischung zu einem Grünling geformt, wobei das Formen entsprechend der Form des herzustellenden Werkstückes erfolgt. Der Grünling wird zu einem Werkstück gesintert. Beim Sintern wird die Nickellegierung, welche das Nickel und das Ruthenium umfasst, ausgebildet. Die Nickellegierung bildet eine metallische Bindermatrix, welche die Hartstoffpartikel einschließt. Das gesinterte Werkstück kann einen Rohling darstellen, welcher noch einer finalen Bearbeitung unterzogen wird, um schließlich das herzustellende Werkstück auszubilden.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die bereitgestellten Hartstoffpartikel das Carbid mit einem Massenanteil auf, wie er für das erfindungsgemäße Werkstück beschrieben ist. Die Hartstoffpartikel und das Nickel sowie das Ruthenium und das Chromcarbid werden bevorzugt entsprechend der für das erfindungsgemäße Werkstück angeführten Massenanteile eingewogen. Bevorzugt werden auch ein oder mehrere Edelmetalle bereitgestellt und mit den anderen Komponenten zu der Mischung vermischt.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird weiterhin mindestens ein Presshilfsmittel bereitgestellt und gemeinsam mit den anderen Komponenten zu der Mischung vermischt. Das Presshilfsmittel ist bevorzugt durch Paraffin oder Polyethylenglycol gebildet.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt das Mischen in einer Kugelmühle oder in einer Rührwerkskugelmühle. Das Mischen erfolgt bevorzugt durch ein Nassmahlen, wofür ein Lösungsmittel in Form eines organischen Lösungsmittels oder Wasser verwendet wird.
-
Nach dem Nassmahlen erfolgt bevorzugt ein Trocknen der Mischung. Hierfür wird die Mischung bevorzugt einem Sprühtrocknungsprozess oder einem Vakuumtrocknungsprozess unterzogen.
-
Das Formen der Mischung zu dem Grünling umfasst bevorzugt ein Beaufschlagen der Mischung mit einem Druck. Insbesondere umfasst das Formen der Mischung ein Verfestigungsverfahren. Das Verfestigungsverfahren ist bevorzugt durch ein kaltisostatisches Pressen, durch ein Pulververpressen und/oder durch ein Extrudieren gebildet. Nach dem Durchführen des Verfestigungsverfahrens erfolgt bevorzugt ein mechanisches Bearbeiten des Grünlings, um eine endkonturnahe Form auszubilden.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt das Sintern des Grünlings in Vakuum oder in einer Gasatmosphäre. Die Gasatmosphäre ist bevorzugt durch Argon, Stickstoff oder durch eine Mischung von Wasserstoff und Methan gebildet.
-
Das Sintern wird bevorzugt durch ein heißisostatisches Pressen (HIP) ergänzt. Dies kann durch ein kombiniertes Verfahren als Sinter-HIP-Prozess oder durch einen separaten HIP-Prozess erfolgen.
-
Der Grünling wird beim Sintern auf eine Temperatur erwärmt, die bevorzugt zwischen 1.200°C und 1.600°C und besonders bevorzugt zwischen 1.320°C und 1.500°C beträgt.
-
Insofern das gesinterte Werkstück zunächst einen Rohling darstellt, so wird der Rohling bevorzugt einer finalen Bearbeitung unterzogen, um das herzustellende Werkstück auszubilden. Bei der finalen Bearbeitung wird der Rohling mechanisch bearbeitet; bevorzugt durch Diamantschleifscheiben.
-
Im Übrigen weist das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstück angegeben sind.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zu einer Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik.
-
Gemäß der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt, welcher nachfolgend als WC-NiCrRu L305 bezeichnet wird. Für die Herstellung dieses Hartmetallwerkstoffes werden 90,2 Gew.-% Wolframcarbid WC in Form von Hartstoffpartikeln, 8 Gew.-% pulverförmiges Nickel Ni, 0,9 Gew.-% pulverförmiges Ruthenium Ru und 0,9 Gew.-% pulverförmiges Chromcarbid Cr3C2 bereitgestellt.
-
Entsprechend der Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik wird ein Werkstück aus einem Hartmetallwerkstoff hergestellt, welcher nachfolgend als WC-NiCr L307 bezeichnet wird. Für die Herstellung dieses Hartmetallwerkstoffes werden 91,1 Gew.-% Wolframcarbid WC in Form von Hartstoffpartikeln, 8 Gew.-% pulverförmiges Nickel Ni und 0,9 Gew.-% pulverförmiges Chromcarbid Cr3C2 bereitgestellt.
-
Für die Herstellung der beiden Hartmetallwerkstoffe WC-NiCrRu L305 und WC-NiCr L307 werden die bereitgestellten Stoffe jeweils durch Rührwerkskugelmühlen zu einer Mischung vermischt. Die Mischungen werden jeweils durch Sprühtrocknung getrocknet. Aus den Mischungen wird in einer Pulverpresse jeweils ein scheibenförmiger Grünling geformt. Die Grünlinge werden jeweils in einem Sinter-HIP-Prozess bei 1.430°C in einer Wasserstoff- bzw. Argon-Atmosphäre gesintert, wodurch Sinterrohlinge erhalten werden. Die Sinterrohlinge weisen jeweils einen Durchmesser von 18 mm auf und werden auf eine Dicke von 5 mm plangeschliffen, sodass zwei probenartige Werkstücke erhalten werden.
-
Das Verschleißverhalten der beiden probenartigen Werkstücke wurde jeweils durch einen Hochdruckwasserabtrag getestet. Auf die plane Oberfläche der beiden probenartigen Werkstücke wurde unter einem Winkel von 45° für eine Dauer von 30 Sekunden ein Wasserstrahl mit 3.000 bar aus einer Runddüse mit einem Durchmesser von 0,9 mm gerichtet. Anschließend wurde mit einem Messmikroskop jeweils der Volumenabtrag bestimmt. Das erfindungsgemäße probenartige Werkstück aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCrRu L305 wies einen Volumenabtrag von 0,07 mm3 auf, während das probenartige Werkstück gemäß dem Stand der Technik aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCr L307 einen Volumenabtrag von 0,36 mm3 aufwies. Somit war der Volumenabtrag bei dem probenartigen Werkstück gemäß dem Stand der Technik aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCr L307 ohne Ruthenium um etwa das Fünffache höher als bei dem erfindungsgemäßen probenartigen Werkstück aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCrRu L305. Die beiden probenartigen Werkstücke wiesen eine etwa gleiche Härte auf. Die Härte HV30 des erfindungsgemäßen probenartigen Werkstückes aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCrRu L305 betrug 1.570, während die Härte HV30 des probenartigen Werkstückes gemäß dem Stand der Technik aus dem Hartmetallwerkstoff WC-NiCr L307 1.560 betrug.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 602004012147 T2 [0002]
- DE 69606984 T2 [0003]
- DE 102006045339 B3 [0004]
- DE 102016115784 A1 [0005]
- WO 2017/152197 A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- L. L. Zhu, H. Y. Qi, et al.: „Experimental determination of the Ni-Cr-Ru phase diagram and thermodynamic reassessments of the Cr-Ru and Ni-Cr-Ru systems“ in Intermetallics, Ausgabe 64, Seiten 86-95, 2015 [0006]