DE1927111A1 - Hartmetall-Metalloxid-Werkstoff - Google Patents

Description

Hartmetall-MetalLoxid-Werkstoff

BIe Erfindung betrifft Schneidwerkzeuge auf Grundlage metsllge» bundenen Carbides, inabesondere dichte Stoffzusamiaensetzungen mit einem Seijall aa Titan- „ Zirkonium- oder HäfhiiMncarbM, Aluminiumoxid;» Metall der Eisengruppe und Wolf rann odier MolybcEän.

Schsieideinaätze oder -auiflagen aus Carbiden, wie Tltaiicarbldia, itnd Metallen» wie Kiekel nnü MolyböSn» sind allgemein bekannt und stehen heute Im technischen Einsatz (vergl. ITSA-Kelssiie-Patentschrift 25 815). Solche Werkzeuge ermögllchera ein wirksames Sehneiden von Metall* haben Jedoch den Nachteil, beim Einsatz bei sehr hoher Sesch«indlgkelt beim Brehen oder Fräsen von Stahl durch Wärmerlssblldung zn versagen« Dies gilt besonders fiir das Schnellfräsen von Stahl» Man sollte hier erwarten, dass solche Werkzeuge auf ©riind Ihrer verhältnlsmässlg hohen Festigkeit einem Vorteil gegenüber spröden Keraittlkwerkzengen bieten sollten» aber sie versagen durch sti|ckwelses Herausbrechen. Das Herausbrechen beruht anscheinen«! auf Rissen* die durch die hohen, an der Sehneidkante erzeugten Temperaturen und die rasche Temperaturverändlerung herbeigeführt werden, die sich aus der disfcontinuilerllcheri K&tur des Schneiden« beim Fräsvorgang, bei dem

ORIGINAL INSPECTED

jeder Schneideinsatz wiederholt in den Werkstoff eindringt diesen wieder verläset, ergibt.

Das Aluminiumoxid ist stark wärmeefcoaeeinpfindlich und spröde. Das hierdurch bei KeramikschneidKerkzeugen auftretende Fr-ofelent iet durch Versuche sar Herstellung von metallgebundemen\ Älutiiniunoxiden oder Cermets nicht gelöst worden £vergl„ die britischen Patentschriften 8*1 576 und 821 555 und die deutsche Patentschrift i 072 182). Im Ergebnis finden solche Materialien keine technische Verwendung als Schneidwerkzeuge.

Damit ist schon überraschend, dass ein Susatz kleinerer Mengen an AluBiniueoxid zu einer Kombination von Metallcarbide^ und Metallen, wie er geraäss der Erfindung erfolgt» nicht zur Verstärkung des Wärmerissbildungseffektes und Erhöhung der Sprffdigkeit solcher Stoffzusammensetzungen fuhrt. Hoch darüberhinaus hat sich gezeigt, dass in engen Zusammensetzungsbereichen Kombinationen der vier Komponenten geraäss der Erfindung SehneMen «it in ungewöhnlich guns tiger Weise ausgewogenen Eigenschaften liefern. So liefern Titan-, Zirkonium- oder Hafnitsscarfrid oder deren Mischungen, ein Metall der Eisengruppe, Wolfram oder Molybdän und eine kleinere Menge an Aluminiumoxid bei der ¥sreinigung innerhalb der nachstehenden Mengenanteilsgz-ensen und Bit der nachstehenden Qefügeeharakteristifc eine Schneide* die fest und hochverschleissbeständig ist und eine hohe Beständigkeit gegen Wärraerisabildung besitzt.

Die dichten Stoffzusammensetzungen gemäss der Erfindung haben eine durchschnittliche Korngrösse von unter 10 Mikron· und werden von 60 bis 89 volji Zirkonium-, Hafnium- oder TitaHC&xföM oder deren Mischungen, i bis 20 VaIJf Metall und IO bis sm 20 Vtxlfc Aluminiumoxid gebildet, wabe! das Metall aus 5 bis 90 3ew,£ Eiaen, Kobalt oder Jlieköl oder deren Mischungen und iö bis 95 Qew.S VoXJTroi ^der fioiybdln oder deren Mieehungen besteht.

überraschenderweise geigen diese Sfcoffauaamaeiisetzungen odej»

109816/0962 bad original

Werkstoffe gegenüber ähnlichen, die sich aus eng verwandten Bestandteilen oder arcs den gleichen, in anderen Mengen vorliegenden Bestandteilen zusammensetzen, aussergewöhnliche Vorteile. So bieten die Werkstoffe gemäss der Erfindung gegenüber ähnlichen, grössere Mengen an Aluminiumoxid enthaltenden Stoffen dadurch Vorteile» dass sie wohlfeiler und leichter herstellbar sind. Sie zeigen eine ist Vergleich mit metallgebundenen Carbiden erhöhte Abriebfeafcigkeit und im Vergleich mit Keramikwerksseugen erhöhte mechanische. Festigkeit und Zähigkeit. Auf Grund ihrer aussergewöhnlichen Eigenschaften eignen sich die Werkstoffe gemäss der Erfindung hervorragend zum Schneiden und Fräsen von Eisenlegierungen bei sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten.

Die Zeichnung zeigt in graphischer Darstellung die Mengen der Komponenten innerhalb der Zusammensetzungsgrenzen gemäss der Erfindung, wobei der Bereich, in dem die Zusammensetzungsverhältnisse innerhalb der Grenzen gemäss der Erfindung liegen, mit ausgezogenen Linien eingezeichnet ist.

Die hitzebeständigen Werkstoffe gemäss der Erfindung bestehen im wesentlichen aus Titan-, Hafnium- oder Zirkoniumcarbid, Aluminiumoxid, Metall der Eisengruppe und Wolfram oder Molybdän.

A) Carbide

Das Titan-, Zirkonium- oder Hafniumcarbid oder ihre Mischungen werden in den Werkstoffen gemäss der Erfindung in Mengen von 60 bis 89 VoIJi eingesetzt. Zur Sicherstellung der Festigkeit und Härte, welche die. Werkstoffe gemäss der Erfindung für den Einsatz beim Schneiden von Stahl benötigen, müssen mindestens 60 Si Carbid vorliegen. Die Carbidmaximalmenge ist auf 89 VoIX beschränkt, da mindestens 10 % des Werkstoffs von Aluminiumoxid gebildet werden müssen und mindestens 1 t Metall notwendig ist.

Die Carbide für den Einsatz in den Werkstoffen gemäss der

109816/0962

Erfindung sind Titan-, Zirkonium- oder Hafniumcarbid oder deren Mischungen. Diese Carbide sind im Handel erhältlich oder können nach vertrauten Methoden synthetisch gewonnen werden. Die Carbide sollen eine Teilchengröße von unter 5 und vorzugsweise unter 2 Mikron aufweisen. Ein Ausgangsmaterial mit einer 5 Mikron wesentlich überschreitenden Teilchengrösse kann durch vorheriges Mahlen auf die akzeptable Grosse gebracht werden. Naturgemäss fuhrt das zur Erzielung eines hohen Homogenitätsgrades angewandte Mahlen der Komponenten gemäss der Erfindung eu einer gewissen Zerkleinerung des Carbides und der anderen Ausgangskomponenten.

Von den Carbiden wird das Titancarbid für den Einsatz in den dichten Werkstoffen gemäss der Erfindung bevorzugt, da es leicht verfügbar ist und au Werkstoffen führt, die sich einer ausgezeichneten Ausgewogenheit ihrer physikalischen Eigenschaften erfreuen und die beim Einsatz zum Schneiden oder Fräsen von Eisenlegierungen eine hohe Wirksamkeit zeigen.

B) Aluminiumoxid

Das Aluminiumoxid liegt in den Werkstoffen gemäss der Erfindung in Mengen vor, die von 10 bis zu 20 VoIJf reichen, ohne jedoch den letzteren Wert noch zu umfassen. Der Bedarf an mindestens 10 % Aluminiumoxid basiert auf dem Wunsch, das Aluminiumoxid in wesentlichen Mengen vorliegen zu haben. Aluminiumoxidmengen unter 10 Jf sind im allgemeinen weniger zufriedenstellend, da sich die dichten Werkstoffe in ihrer Neigung zur Wärmerissbildung zu stark der Zusammensetzung der metallgebundenen Carbide des Standes der Technik nähern. Die Begrenzung der Aluminiumoxidmenge auf bis zu 20 VoIJIi stellt sicher, dass sich bei den meisten gewShnlichen Bedingungen ein von einer Kontinuität der Metall- und Carbidphase begleitetes Fehlen der Kontinuität der Aluminiumoxidphase ergibt.

Das Aluminiumoxid kann in den Werkstoffen gemäss der Erfindung

109816/0962

4239-ß

in vielerlei Formen eingesetzt werden, so lange es nur feinteilig ist. So kann es die.Form des Υ*-, V- oder «i-Alurainiumöxides oder von Mischungen derselben haben. Das «.-Aluminiumoxid stellt ein bevorzugtes Ausgangsmaterial dar, da es keine so hohe spezifische Oberfläche wie *f"- oder φ-Aluminiumoxid hat und da bei ihm die Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein Gehalt an adsorbier· tem Wasser, das nachteilig sein kann, geringer ist.

Das Aluminiumoxid soll genügend feinteilig sein, um die Werkstoffe gemäss der Erfindung mit einer durchschnittlichen Korngrösse von unter 10 Mikron zu ergeben. Ein solches Ausgangsaluminiumoxid stellt ein «"Aluminiumoxid mit einer spezifischen Oberfläche von über 2 m /g, vorzugsweise von 5 bis 25 m /g, dar. Aluminiumoxid mit einer Endkristallitgröaee von unter 0,5 Mikron, nach Iiinienverbreiterungs-Röntgentechniken bestimmt, wird besonders bevorzugt. Ein solches Aluminiumoxid ist in höchst einfacher Weise erhältlich, indem man wasserfreies Aluminiumdiacetat 3 Std. oder länger auf 1200° C erhitzt.

Für im Handel verfügbares Aluminiumoxid für die Zwecke der Erfindung beispielhaft ist das "Alcoa Superground Alumina XA-16", dessen Hontgenuntersuchung ^-Aluminiumoxid ergibt und das eine spezifische Oberfläche von etwa 13 m/g aufweist, die einer Kugelt eilchengrösse von etwa 115 nm äquivalent ist.

C) Metalle

in den Werkstoffen gemäss der Erfindung eingesetzten Metalle bestehen aus einem der Metalle der Eisengruppe, d. h. Eisen, Kobalt, Nickel und deren Mischungen, und einem schwerschmelzbaren hitzebeständigen Metall, d. h. Molybdän, Wolfram und deren

.Die Metalle werden in solchen Mengen eingesetzt, dass vom Metallgesamtgehalt 5 bis 90 0ew.$ auf Eisen, Kobalt, Nickel oder deren Mischungen und 10 bis 95 % auf Wolfran, Molybdän oder deren

BAD 109816/0962

Mischungen entfallen. Es wurde gefunden, dass diese Verhältnisse von Metall der Eisengruppe zu Wolfram oder Molybdän su den vorteilhaften Effekten führen, die sich aus ausgewogenen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben. Von den Metallen der Eisengruppe wird das Nickel und von Molybdän und Wolfram das Molybdän bevorzugt.

Das Metall der Eisengruppe und das Molybdän oder Wolfram werden vorzugsweise in Mengen von 40 bis 80 Gew.ff Metall der Eisengruppe und 20 bis 60 Gew.* Wolfram oder Molybdän und in besonders bevorzugter Weise in Mengen von 40 bis £0 G&a.f Matall der Eisengruppe und 40 bis 60 Gew. X Wolfram oder Molybdän eingesetzt. Solche Verhältnisse führen zu einer aussergewShnliehen Zähigkeit der Werkstoffe gemäss der Erfindung, ohne eine unangemessene Erweichung der Werkstoffe zu ergeben.

Die Menge an Metall in den Werkstoffen genäse der Erfindung beträgt 1 bis 20 VoU. Eine Metallmenge von Mindestens 1 VoI? wird benötigt, um die gewünschte Zähigkeit der Werkstoffe genäss der Erfindung su erreichen, und eine Begrenzung ä&v Menge auf 20 VoIg trägt dazu bei, die benötigte Härte tsnd Verschleissbeständigkeit sicherzustellen.

Es gibt naturgenäss in dem Bereich von 1 bis 20 Volf an Metall (das sich zu 5 bis 90 Qew.Jf aus Metall der Eisengruppe und 10 bis 95 Gew.? Wolfram oder Molybdän susaweneetst) Koitfrinati^sn von Metallnenge und Metallzusammensetsung, die gegenüber anderen zu bevorzugen sind. Im allgemeinen jedoch ist vorsrwsstroise der Wolfram- oder Molybdängehalt des Metalls mmo höher, je höher der Metallgehalt des Werkstoffs ist.

Eine Bestimmung der Form, in welcher die Metalle iß den dichten Werkstoffen gemäss der Erfindung vorliegen, ist sehr schwierig. Z. B. ist bekannt, dass Wolfram oder Molybdän »it Carbiden, wie Titan- oder Zirkoniummonocarbid, in einer solchen Weise in Wechselwirkung treten können, dass ein Teil dee Wolframs oder

BAD ORIGINAL

109816/09-62

Molybdäns in das Carbldkristallgitter eintritt. Es ist auch bekannt, dass bei hohen Temperaturen Nickel in Wechselwirkung mit Aluminiumoxid unter Bildung kleiner Mengen an Nickeloxid-Aluminiumoxid-Spinell tritt. Im Interesse der Klarheit und Einfachheit jedoch sind nachfolgend Angaben «um Metallgehalt und ssu Eisen, Kobalt, Nickel, Wolfram und Molybdän dahingehend zu verstehen, dass sie sich auf die metallische Form beziehen, auch wenn ein Teil dieser Stoffe in Wechselwirkung mit anderen Komponenten getreten sein mag.. Dementsprechend ist mit der Ausnahme, dass jeglicher vorliegende, überschüssige Kohlenstoff als mit Wolfram oder Molybdän vereinigt betrachtet wird, der Metallteil der dichten Produkte «ceafise der Erfindung als aus dem vorliegenden Eisen, Kobalt, Nickel, Wolfram und Molybdän bestehend und das vorliegende Zirkonium, Hafnium und Titan als sich in der Form von Monocarbiden befindend betrachtet. Das vorliegende ■ Aluminium ist als in der Form von Aluminiumoxid, Al₂O^, befindlich betrachtet.

Die Metalle für den Einsatz in den Werkstoffen gemäss der Erfindung sind in Pulverform aus Handelsquellen erhältlich oder können nach bekannten Methoden hergestellt werden.. Die Metallpulver sollen eine Teilchengrösse von unter 10 Mikron und vorzugsweise von unter 2 Mikron haben.

D) Verunreinigungen

Vorzugsweise werden in den Werkstoffen gemäss der Erfindung recht reine Honiposiesitan eingesetzt. Insbesondere ist ea erwünscht, Verunreinigungen wie Sauerstoff austsuschliessen, die zu nachteiligen Auswirkungen auf die dichten Werkstoffe gemäss der Erfindung neigen würden.

Andererseits sind kleinere Mengen vieler Verunreinigungen tolerierbar, ohne dass sich ein wesentlicher Verlust an den Eigenschaften ergibt.

So kann das Metall geringfügige Verunreinigungen durch kleine

109816/096?

Mengen anderer Metalle ₃ wie Titan, Zirkonium, Tantal oder¹ Niob enthalten, wenngleich auch niedrigechmelsende Metalle in Art von Blei ausgeschlossen werden sollten. Kleine Mengen an nicht von Titan-, Zirkonium- oder Hafniumearbid gebildeten Carbiden, wie mehrere Prozent an Wolframcarbid, das manchmal beim Mahlen aufgenommen wird, können vorliegen. Selbst Sauerstoff kann in kleinen Mengen, wie sie sich bei der Einwirkung von* Luft auf Titancarbid unter Anfall einiger weniger Prozent an Titanoxycarbid ergeben, toleriert werden. Nachdem die Pulverkomponenten miteinander gemahlen worden sind und sich in einem hoehreaktionsf&higen Zustand befinden, tritt jedoch eine Oxidation, besonders der Metalle, leicht ein und soll vermieden werden.

über die Kennzeichnung der Werkstoffe geraäss der·Erfindung auf Grundlage der Komponenten wie oben hinaus ist auch eine Kennzeichnung der Werkstoffe auf Grundlage ihrer Gefügeeharakteristik möglich.

A) Kontinuierliche Phase von Carbid und Metall

Die Werkstoffe gemäss der Erfindung kennzeichnen sich dadurch, dass sie feingekörntes Aluminiumoxid in einer kontinuierlichen Phase von Carbid und Metall verteilt enthalten.

Während die Auswirkungen des Vorliegens der Aluminiumoxidkörner und der kontinuierlichen Carbid-Metall-Phase nicht vollständig bekannt sind, wird doch angenommen, dass sie wesentlich zu den ungewöhnlichen Eigenschaften der Werkstoffe geraäss der Erfindimg beitragen, wobei sich Werkstoffe ergeben, die eine viel höhere Festigkeit und grössere Schlagzähigkeit als herkömmliche Tifcancarbid-Schneidwerkzeuge oder Aluminium©xid-K©rac5ikschneidw©rk" zeuge aufweisen.

Das Vorliegen der in der Carbid-Metall-Phase verteilten Altiminiumoxidkörner lässt sich an Hand einer Analyse des dichten Werkstoffs bestimmen. Das Fehlen eines kontinuierlichen Alwiiniumoxid-Netzwerks ist feststellbar, indem man das Carbid und

10981«/™*? BADORONAL

Metall durch anodisches Atzen in lOJSiger Aramoniumbifluoridlösung entfernt. Eine solche Ätzung entfernt das elektrisch leitende Material von dem der Oberfläche nächstgelegenen Aussenteil des Werkstoffs und würde zu einer nichtleitenden Oberfläche mit einem elektrischen Widerstand von über 100 000 Mikroohm-om führen, wenn das Aluminiumoxid als kontinuierliche Phase vorliegen würde.

Nach einer bequemen Methode zur Entfernung des gesamten Metalls und Carbides aus den Werkstoffen gemäßs der Erfindung und somit Aufzeigung des Fehlens eines Aluminiumoxid-Skeletts taucht man kleine Stäbe des Werkstoffs (1,78 χ 1,78 χ 25,¹JO ram) in eine Mischung von 25 cnr 12?iger Fluorwasserstoffsäure und 5 ear konzentrierter Salpetersäure und belässt sie 24 Std. in der Säuremischung, die während dieses Zeitraums auf einem Wasserdampfbad erhitzt wird. Der nach 24 Std. verbliebene Anteil des Stabes wird von Aluminiumoxid gebildet und kann visuell auf das Fehlen einer Kontinuität untersucht werden. Bei etwa 20 VoIJi oder mehr Aluminiumoxid liegt gewöhnlich ein mechanisch schwaches, aber selbsttragendes Gefüge und unter 20 VoIJ? gewöhnlich kein kontinuierliches Aluminiumoxid-Skelett vor. Die Entfernung von elektrisch leitenden Phasen aus den 10 bis zu 20 VoIJi Aluminiumoxid enthaltenden Werkstoffen führt gewöhnlich zum Anfall von Aluminiumoxidpulver.

Das Vorliegen einer kontinuierlichen Phase des elektrisch leitenden Carbides und Metalls ist aus der elektrischen Leitfähigkeit der dichten Werkstoffe gemäss der Erfindung ersichtlich. Die Werkstoffe gemäsE der Erfindung haben gewöhnlich einen spezifischen Widerstand von unter etwa 500 und häufig von unter 200 Mikroohm.'cm.

B) Homogenität und Felnkorngefüge

Die Werkstoffe gemäss der Erfindung kennzeichnen sich auoh durch Kornfeinholt in Form eines durchschnittlichen Korndureh-TOasera von unter 10 Mikron und vorzugsweise unter 5 Mikron. Darüberhinaus ist die Korngrösse in dem gesamten Werkstoff

109816/nSR?

AQ

gleichmässig und homogen und liegt in den dichten Werkstoffen gemäss der Erfindung im wesentlichen keine Porosität vor. Auch die Verteilung des Aluminiumoxidea in der kontinuierlichen Phase ist gleiohmäasig und homogen, und allgemein gesehen zeigt im Rahmen der konventionellen, statistischen Verteilungßgrensen bei der Untersuchung unter dem Mikroskop bei lOOOfacher Vergrösserung jeder 100 χ 100 Mikron Bereich das gleiche Aussehen.

Ee kann sein, dass die Kornfeinheit der Werkstoffe gemäss der Erfindung zumindest sum Teil für die gute Beständigkeit gegen Wärmerissbildung verantwortlich ist. Sie trägt zusammen mit der Homogenität und geringen Porosität auch zu der Abriebfest igkeit der Werkstoffe gemäss der Erfindung bei. Matalleinsohlüsse in Art der Carbideinschlüsse in Gusseisen führen sum Abrieb selbst der härtesten Schneidwerkzeuge aus metallgebimdenera Carbid. Dessen ungeachtet sind die Werkstoffe gemäss der Erfindung sehr abriebfest.

Die Herstellung der Werkstoffe gsraäss der Erfindung ist insofern von Wichtigkeit, als viele Eigenschaften der Werkstoffe sich auf Grund der Weise einstellen, in der die Herstellung erfolgt* So stehen der Einsatz feinkörniger Ausgangsmaterialien und das gründliche Mahlen der gemischten Komponenten in direkter Beziehung zu der Kornfeinheit und gleißhraäsaigen Homogenität der Werkstoffe. Andere Vorkehrungen bei der Herstellung der Werkstoffe gemäss der Erfindung, die wichtige Auswirkungen auf die Produkte haben, sind:

1. Die Verhinderung einer überhöhten Verunreinigung aus den Mahlmitteln und durch Feuchtigkeit oder Sauerstoff in der Luft.

2. Ein Warmpressen oder Sintern bei Bedingungen, welch© das Entweichen von flüchtigen Stoffen erlauben, bevor die Verdichtung erfolgt.

- 10 -

BAD ORIGINAL · 109816/096?

3. Die Vermeidung einer unangemessenen Absorption von Kohlenstoff aus Pressformen dareh Begrenzung des Kontaktes mit diesen während der Einwirkung absorptionsfördernder Bedingungen»

H. Die Vermeidung Überhöhter Komponentenrekristallisation und resultierenden Ausscheidung durch Vermeiden einer längeren Einwirkung sehr hoher Temperaturen·

A) Mahlung und Gewinnung des Pulvers

Das. Mahlen der Komponenten zur homogenen Vermischung derselben und Erzielung sehr geringer Korngrössen wird nach gebräuchlichen Praktiken durchgeführt. Optimale Mahlbedingungen werden gewöhnlich mit einem zur Hälfte mit einem Mahlmittel, wie Kugeln oder Stangen aus kobaltgebundenem Wolframcarbid, beschickten Mahlwerk, einem flüssigen Medium, wie einem Kohlenwasserstofföl, einer inerten Atmosphäre und Mahlzeiten von einigen Tagen bis su mehreren Wochen und unter Durchführung auch der Pulvergewinnung in einer inerten Atmosphäre erhalten. Das gewonnene Pulver wird gewöhnlich unter Vakuum bei Temperaturen in der Gegend von 150 bis 200° C getrocknet, worauf man das Gut sichtet und aufbewahrt, was, wenn gewünscht, in einer inerten Atmosphäre erfolgt.

P) Verfestigung

Die Werkstoffe gemäss der Erfindung werden gewöhnlich durch Kaltpressen und Sintern oder durch Sintern unter Druck ssu dichten, poroEsfreien Körpern verfestigt. Nach einer bevorzugten Varfestigungsssethods werden die durchmischten Pulver unter Vakuum in eiasr .Sraphitform wermgepresst.

Warsipressen gibt man die Pulver in die Form und bringt sie in die beheizte Zone der Warmpresse ohne Anwendung von Druck ein, eo ü&&® flüehtige Verunreinigungen entweichen können, bevor die Verdichtung des Werkstoffs erfolgt« Der volle Druck wird gewöhnlich bsi der Maximaltemperatur oder nahe derselben zur Einwirkung gebracht.

- 11 -

BAD ORIQfNAL 109816/nP.ß?

Die von der vorliegenden Menge an Metall der Eisengruppe abhängenden Maximaltemperaturen liegen im Bezieh von 1400 bis 1900° und gewöhnlich zwischen 1600 und l800° C. Die Maxiinalclrücke x»@iohen von 35 bis 281 at (500 bis ²JOOO Founds/Quadrat soll)., wobei man bei Werkstoffen von hohem Metallgehalt, insbesondere bei an Eisen, Kobalt, Nickel oder deren Mischungen reichem Metall, gewöhnlich niedrigere Drucke in Verbindung mit niedrigeren Temperaturen anwendet. Umgekehrt werden bei Werkstoffen geringem Metallgehalts, insbesondere bei tiberwiegend von Molybdän oder Wolfram gebildetem Metall, höhere Drucke und Temperaturen angewandt .

Bei höheren Temperaturen und Drücken besteht bei der einen oder anderen niedrigerschmelzenden Metallkomponente naturgemäßs eine Tendenz, während der Verdichtung einer Herausquetschung aus den Werkstoffen zu unterliegen. Diese Tendens kann in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, indem man von einer etwas grösseren als der gewünschten Menge an Metall der Eisengruppe ausgeht und bei hoher Temperatur und hohem Druck arbeitet. Durch diese Arbeitsweise wird eine Herausqüetschimg von etwas Metall der Eisengruppe unter Ausbildung des gewünschten Metallgehalts erhalten, eliminierte, geschmolzene Metall wirkt als Gleitmittel und terhilfsmittel während des Fressens. Auf iliesa Weise lassen sich Hohlräume trotr; der echwerschmelzbaren Natur des Endwerkstoffs eliminieren.

Es ist wichtig, den Werkstoff" nisht auf eine höhers Temperatur oder länger su erhitzen als es zur Slirainierung v©n Porosität und Erreichungßer Dichte notwendig ist. Solehe b&ber-'en Temperaturen oder längere, Erhitzungszeit^.n würdgsn mi «ineia unerwünschten Kornwach&tuffi und einer ^sinrJt.ieFendesi Vergrobuiis iiss Gsfüges führen und können sogar zur Airgbil-Sang von Sekundärporosität ß?.»f Gr«Rä von Re'ci'istallisat-ion o^rl?v wir Bildung \"©n unerwünseh" t-5n i'haeön führen.

- 12 -

BAD ORIGINAL

1 09fi 1 P /nqfi?

Wie später erläutert, werden bei den bevorzugten Produkten gemäss der Erfindung gewöhnlich Pressteraperaturen im Bereich von 1700 bis 1900⁰ C angewandt, und die Maximaltemperatur wird weniger als 30 Min. einwirken gelassen und gewöhnlich nicht länger als 10 und vorzugsweise nicht länger als 5 Min. nach der Entnahme des Produktes aus der Wärmezone. Die Werkstoffe gemäss der Erfindung werden durch diese Massnahmen so verdichtet, dass eine Porosität eliminiert und die maximale Dichte erreicht wird, ohne dass sich eine unangemessene !^kristallisation ergibt. Solche Produkte kennzeichnen sich durch ihr feines Korn und ihre hervorragende Querbruehfestigkeit.

Bei Befolgung der obigen Beschränkung auf eine minimale Sinterzeit bei maximaler Temperatur können die Werkstoffe gemäss der Erfindung, insbesondere diejenigen hohen Metallgehalts und geringer TellchengrOasen, auch durch Kaltpressen und Sintern im Hochvakuum verdichtet werden. Vorzugsweise wird das Pulver einer isostatischen Pressung in einer verschlossenen Gummiform unterworfen, die in Wasser in einer isostatiachen Presse aufgehängt ist, welche ein hydraulisches Einwirkenlassen hoher Drucke (4219 at bzw. 60 000 Pounds/Quadratzoll) erlaubt·

Die Werkstoffe gemäss der Erfindung sind bei einer Vielfalt von Arten von auf die verschiedensten Anwendungszweoke ausgelegten Sohneidwerkzeugen verwendbar. So kann van aus ihnen durch Pressen oder Sohneiden genormte Einweg-Einsätze erhalten, die sich für das Drehen» Bohren oder Fräsen eignen, oder sie zur Erzielung nachsohleifbarer Werkzeugarten durch Laminieren oder auf andere Weise an metall$?bundene Carbide oder Werkzeugstähle binden. Sie eignen sich allgemein für die Metallabtragung bei Eisen-" metallen, einachliesalich des Zerspanens oder Schneidens von gehärteten Stählen, von legierten Stählen, von Maraging-Stählen, Gusseisen, Gussstahl, Nickel, Niokel-Chrora-Legierungen, Superlegierungen auf Nickelgrundlage und Kobalt-Superlegierungen, wie- auch das Schneiden nichtmetallischer Materialien, wie von Glasfaser-Kunststoff-Laminaten und Keramikwerkstoff en·

- 13 -

tQ98ie/fl96?

4239-0

Die Werkstoffe geaäss der Erfindung' eignen sieh auf ßrund· dar hohen Beständigkeit gegen Wärmerissbildung und der guten Festigkeit und Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen hervorragend für das Schnellfräsen von Metallen in Art legierter Stähle _t wie des Stahls AISI 43*0. Sie eignen sich auf Grund ihrer guten Beständigkeit gegen Wärmestösse besonders für die Durchführung wiederholter kurzer Schnitte oder anderer, unterbrochener Schnitte, bei denen die Temperatur der Schneidkante stark fluktuiert .

Die Werkstoffe gemäss der Erfindung können auch bei allgemeinen ψ Verwendungszwecken hitzebeständiger bzw. schwer schmelzbarer Materialien Einsatz finden, wie als Fadenführungen> Lager, verschleissbeständige, mechanische Teile und als Korn in harzgebundenen Schleifscheiben und Trennschneidwerkzeugen. Darüberhinaus eignen sich die Werkstoffe gemäss der Erfindung für alle Zwecke, bei denen ihre Kombination von Hitzefestigkeitseigenschaften, elektrischer Leitfähigkeit, metallophiler Natur und Wärmestossbeetändigkeit einen Vorteil bietet, wie bei der Herstellung eines elektrisch leitfähigen Korns für beim elektrolytischen Schleifen einzusetzende Schleifscheiben.

Die folgenden Beispiele, in denen Teil- und Prozentangaben sich, wenn nicht anders geeagt, auf das Gewicht beziehen, dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert einen Werkstoff miä einem Gehalt von 10 VoIJi an Aluminiumoxid, 85 VoIZ an Titancarbid und 5 VoI# an Net all aus etwa 53 »4 Gew. JC Molybdän und etwa 46,6 Gew. % Nickel.

Das Aluminiumoxid in Form sehr feinteiligen ·*·-Aluminiumoxides wird aus kolloidalem Böhmit hergestellt, indem man 18 Std, in Luft bei 350° C erhitzt und dann die Temperatur mit 100° c/Std. auf ein· Zieltemperatur von 1200° C erhöht und 24 Std. auf die-

- 14 -

BAD ORIGINAL 109816/0962

sein Wert hält. Eine Probe fles abgekühlten Produktes erweist sich bei 16stündiger Behandlung in 24£iger wässriger Flussäure als zu 88 % unlöslich, was einen Gehalt an «^-Aluminiumoxid von 88 % zeigt. Die spezifische Oberfläche des HP-unlöslichen Aluminiumoxides beträgt, bestimmt nach der Technik von Brunauer, Emmett und Teller durch Stickstoffadsorption, 8,6 m /g, was einer Kristallitgrösse des«-Aluminiumoxides in Form des durchschnittlichen Teilchendurchmessers von etwa 175 nm entspricht. Unter dem Elektronenmikroskop zeigt das od-Aluminiumoxid die Form von Aggregaten von Aluminiumoxidkristallen mit einem Durchmesser von 100 bis 300 nm.

Das eingesetzte Titancarbid hat eine Teilchennenngrösse von 2 Mikron und eine spezifische Oberfläche, durch Stickstoffadsorption bestimmt, von 5 ra /g. Wie eine EIektronenmikroaufnähme zeigt, haben die Titane arMdkörner einen Durchmesser von ungefähr 2 Mikron und sind die Kfener in F©pm loeltsrer Aggregate zusammengeballt. Der Kohlenstoff gelaalt beträgt 19 _s0 %_s und die Sauerstoffanalyse ergibt einen T±%@M<&±<e>iz±ü~us®hsiXt ·ψ@η etwa 2,5 #.

Das eingesetzte Molybdänpulver ha'e Qltm Sssi-KgpÖBae von unter ¹M Mikron, eine spezifische Oberfläche₉ ®k-^ itiekstoffadso^ption bestimmt, von 0,29 m /g und ein© dupöfosetefii&feliehe Kristallitgrösse, an der Linienverbreiterung bei der RÖntgenbeugungsanalyse bestimmt, von 35²J nm* Wie eine Elektronenmikroaufnahme seigt, besteht das Molybdänpulver aus Körnern von 1/2 bis 3 Mikron Durchmesser, die in Form offener Aggregate zusammengeballt sind. Die chemische Analyse des Pulvers ergibt 0,2 % Sauerstoff und die Freiheit von anderen Verunreinigungen in Mengen von über 500 ppm.

Alß Nicksl viva ein Feinpulver eingesetzt, das 0,15 % Kohlenotoff, OjO? % Sauerstoff und unter 300 ppm Eisen enthält. Das Nicke.VpuXvej* hat-, eine spezifische Oberfläche von 0,48 m /g, und nein Hontgeiibeugungsdiagramm zeigt nur· Nickel., das nach der Liniem'örbreite.'ung eine Kristallitgrößse von 150 nm besitzt.

- 15 -

BAD ORIGINAL

Unter dem Elektronenmikroskop erscheint das Pulver als polykristallines Korn mit einem Durchmesser von 1 bis 5 Mikron,

Zum Mahlen der Pulver beschickt man eine 1,3-1-Stahlwalzenmühle von etwa 15 cm Durchmesser mit 6000 g vorkonditionierten, zylindrischen Mahlkörpern aus kobaltgebundenem Wolframcarbid von 6,35 mm Länge und 6,35 mm Durchmesser sowie 375 ml gesättigtem Paraffinkohlenwasserstoff ("Soltrol" 130) mit einem Siedepunkt von ungefähr 130° C und gibt auf die Mühle dann 11,9 g «-Aluminiumoxid, 125*6 g Titancarbidpulver, 7>65 g Molybdänpulver und 6,68 g Nickelpulver entsprechend jeweils der obigen Beschreibung auf.

Die Mühle wird hierauf geschlossen und 5 Tage bei 90 U/Min, umlaufen gelassen und dann geöffnet und unter Zurückhaltung der Mahlkörper im Mühleninneren entleert, worauf man mehrmals die Mühle mit dem obigen Paraffinkohlenwasserstoff ausspült, bis das gesamte, gemahlene Peststoffgut entfernt ist.

Man Überführt das gemahlene Pulver in einen Vakuumverdsanpfer, dekantiert nach Absetzen des suspendierten Materials den überschüssigen Kohlenwasserstoff und trocknet dann den nassen Restkuchen im Vakuum unter Anwendung von Wärme, bis die Temperatur im Verdampfer zwischen 200 und 300° C und der Druck unter etwa 0,1 mm Hg liegt. Das Pulver wird von hier ab vollständig in Abwesenheit von Luft gehandhabt.

Das trockne Pulver wird in einer Stickstoffatmosphäre durch ©in 210-Mikron-Sieb geführt und dann in verschloßsonen Kumtstoffbehältem unter Stickstoff aufbewahrt.

Zur Herstellung eines verfestigten Barrens wird das Pulver in einer zylindrischen, mit gegenüberliegenden, eng sitzenden Stempeln ausgestatteten Graphitform mit einem.zylindrischen Forrahohlraum von 2,54 cm Durchmesser warmgepresst, wobei man in den Formhohlraum, an dessen einem Ende der eine Stempel in seiner Lage gehalten wird, unter Stickatoff ZZ g dec Pulvere

- 16 -

109816/096?

einschüttet und durch Drehen der Form und leichtes Beklopfen von der Seite her gleichmässig verteilt und dann den oberen Stempel unter Handdruck einsetzt. Man gibt die zusammengebaute Form nebst Inhalt dann in die Vakuumkammer einer Vakuumwarmpresse, hält die Form in vertikaler Lage und lässt auf die oben und unten hervorstehenden Stempel die gegenüberliegenden Graphitstempel der Fresse bei einem Druck von etwa. 7 bis 14 kg/cm einwirken, Di© Form wird innerhalb einer Minute in die Wärmeeone des Ofene von 1175° C hochgefahren und die Ofentemperatur sofort erhöht, während die Lage der Preseensterapei so arretiert ist, dass eine weitere Bewegung während der Aufheissteit verhindert wird. Man erhöht die Temperatur in 10 Min. von 1175 auf 1800° C und hält die Formtemperatur weitere 2 Min. bei l800° C, um eine gleichmässige Erhitsung der Probe sicherzustellen, worauf man über die Formstempel *t Min. einen Druck von 281 kg/cm² einwirken lässt und sofort nach dem Pressen die noch zwischen den Pressenstempeln gehaltene Form nebst Inhalt aus dem Ofen in eine kühle Zone führt, in welcher Form und Inhalt in etwa 5 Min. auf Dunkelrotglut abgekühlt weriien.

Man entnimmt dann die Form nebst Inhalt aus dem Vakuumofen und entnimmt den Barren aus der Form und entfernt jeglichen anhaftenden Kohlenstoff durch Sandstrahlen.

Die chemische Analyse ergibt über äas Aluminiumoxid, Titancai-foid, Molybdän und Nickel hinaus das Vorliegen von etwa 2 % Eisen, wahrscheinlich durch At rieb vom Mahlwerk her, und von ¹J Gev/.* Wolfram, wahrscheinlic H in Form von Wolframcarbid, und etwa 0,5 % Kobalt, wobei die beiden letztgenannten wahrscheinlich durch Abrieb der Mahlkörper aufgenommen werden.

Durch Zerschneiden des Barrens, de,τ einen Durchmesser von 25,') mm und eine Dicke von etwa 7,5 mm aufweist, wird aus dessen Mitte ein Stück gewonnen, d«3seen Grosse 12,7 x 12,7 mm leicht überschreitet. Aus dem verbleibenden Material werden auf jeder Mittelstückseite Streifen von 1,78 mm Dicke geschnitten, aus denen man durch weiteres Zerschneiden

- 17 » 109816/0962

1,78 χ 1,78 son Stäbe für die Prüfung der Querbruehfestigkeit gewinnt. Andere Teile dee Barrens werden für die Bestimmung der Eindruckhärte und zu weiteren Produktkennzeichnungen verwendet. Die Querbruchfestigkeit, bestimmt durch Biegebeanspruchung der 1,78 χ 1,78 mm Stäbe auf einer Einepannlänge von 14,29 nun j beträgt etwa 11 952 kg/cra². Die Hockwell Α-Härte beträgt 94,0. "■·■■·

Bei einer Betrachtung des warxngepressten Werkstoffe ist keine Porosität zu erkennen. Strukturell besteht der Werkstoff aus extrem feinkornphasigem Titancarbid, Nickel und Molybdän mit gleichmässig in dem Gefüge diepergiertem Aluminiumoxidkora.

Der Werketoff hat einen spezifischen Widerstand von 119 Mikroohm.cm. Diese Leitfähigkeit zeigt eine Kontinuität der leitenden Komponenten des Gefüges, nämlich des Metalls und Titancarbide. Elektronenmikroaufnahmen zeigen eine sehr feinkörnige Struktur, wobei nur wenige Körner eine OrOsse von über 1 oder 2 Mikron aufweisen. Das Aluminiumoxid bildet im allgemeinen die gröbste Phase.

Die Diskontinuität der Aluminiumoxidphase tritt in Erscheinung, indem man das Titancarbid und Metall aus dem Werkstoff durch 24stündigen anodischen Angriff in einer erwärmten Mischlösung aus verdünnter Plussäure und konzentrierter Salpetersäure entfernt. Das Gefüge zerfällt in der warmen Säureldsung unter Zurückbleiben von unlöslichen, pulverförmigem Aluminiumoxid, was zeigt, dass das Aluminiumoxid in dem Gefüge nicht in Form eines kontinuierlichen, selbsttragenden Skelette vorliegt.

Das quadratische Mittelstück wird zu einer Schneide mit den genauen Abmessungen von 12,70 χ 12,70 χ 4,76 mm fertiggearbeitet, und die Ecken erhalten einen Radius von 0,79 ^m (entsprechend dem in der Technik als SNG-432 bekannten Schneidentyp). Diese Schneide wird als Sohneideinsatz beim Schnelltrockendrehen von Grauguseeisen der Klasse 30 (Brinell-Härte

- 18 -

109816/0962

SIO₁

170) bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 381 m/Min, und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,127 mm/Umdrehung bei einer Schnittiefe von 1,27 mm eingesetzt. Der Einsatz Eeigt bei . diesen Bedingungen eine sehr gute Beständigkeit gegen Freiflächenverschleiss.

Der gleiche Einsatz wird auch als Schneideinsatz beim Schnelldrehen von AISI-1045-Stahl mit einer Brinell-Härte von 183 eingesetzt, wobei man 10 Min. bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 274 m/Min, und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,127 mm/Umdrehung bei einer Schnittiefe von 1,27 mm trockenzerspant. Der Einsatz zeigt bei diesen Bedingungen eine sehr gute Beständigkeit gegen Freiflächenverschleiss.

Der gleiche Einsatz wird auch zum Einzelzahn-Planfräsen 5,1 cm breiter Stäbe aus AlSI-i^O-Stahl mit einer Brinell-Härte von 3¹JO eingesetzt, 'wobei man trocken und zentrisch bei stumpfem Spanwinkel mit einem Kopf von 10,2 cm Durchmesser bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 305 m/Min, und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,15 mm/Zahn bei einer Schnittiefe von 1,27 sun fräst. Die Werkzeuge werden bei dieser Prüfung gewöhnlich bis zum Versagen durch Verschleiss, Kolkung, Brandrissbildung oder Ausbrechen eingesetzt. Der Einzelzahn aus üsu vorliegenden Werkstoff verhält sich bei dieser Prüfung ausgezeichnet und zeigt keine Warmrissbildung·.

Bei spiel 2

Dieses Beispiel erläutert einen Werkstoff mit einem Gehalt von 15 VoIJf an Aluminiumoxid, 55 VoIi an Zirkoniumcarbid, 10 VoIJi an Hafniumcarbid und 20 VoIJi an Metall aus etwa 90 Qew.JS Wolfram und etwa 10 Gew.% Kobalt.

Die Herstellung des Pulvers und das Warmpressen erfolgen mit der Abänderung entsprechend den Bedingungen von Beispiel 1, dass auf die Kugelmühle 17,9 g Aluminiumoxid, 111 g Zirkonium-

- 19 -

109816/0962

ID

U239-G

carbid, 38,1 g Hafniuniearbid, 93*25 g Wolfram und 10,35 g Kobalt aufgegeben werden, wobei die Zirkonium- und Hafniumcarbide von der "Materials for Industry" (einem Zweigwerk der Vestron Corp., Ambler, Pa., V.St.A.) bezogene Peinpulver mit einer Oberfläche von etwa 0,5 m/g und einem Sauerstoffgehalt von etwa 0,2 % darstellen.

Die Querbruchfestigkeit des warmgepressten Barrens beträgt 9843 kg/cm².

Eine wie in Beispiel 1 hergestellte Schneide aus diesem Werkstoff ergibt bei der Prüfung bei den in Beispiel 1 beschriebenen Metallschneidbedingungen bei dem Schnelldrehversuch an AISI-1045-Stahl eine gute Beständigkeit gegen Freiflächenverschleiss, bei der Schnelldrehprüfung an Graugusseisen ©ine sehr gute Verschleissbeständigkeit und bei dem Planfräsversuch an AISI-i»3^0-Stahl ein gutes Verhalten.

Beispiel 3

Dieses Beispiel erläutert einen Werkstoff mit einem Gehalt von 18 VoIi an Aluminiumoxid, 72 VoIJi an Titancarfoid und 10 VoIf an Metall aus 53,^ Gew.Ji Molybdän und US₃S Gew.JS an Nickel.

Die Herstellung des Pulvere erfolgt bei den in Beispiel 1 be-" schriebenen Bedingungen, wobei man auf die Mühle 21,5 g Aluminiumoxid, 1*15,3 g Titancarbid, 15,3 g Molybdän und 13,35 ε Nickel aufgibt. Als Aluminiumoxid wird das "Alcoa Supergroimd Alumina XA-I6" eingesetzt, das nach der Röntgemmtersuehung vollständig von «^-Aluminiumoxid gebildet wird und eine epesifische Oberfläche von 13 m /g hat. Elektronenmilcroaufnahmen zeigen Teilchen von 200 Millimikron oder darunter, die viel grössere Aggregate bilden.

Das gemahlene Pulver wird in eine verschlossene Gummiform eingegeben und in Wasser in einer isostatisehen Presse durch Einwirkung eines hydraulischen Drucks von Ί219 kg/cm k&lt-*

- 20 -

109816/0962 B^AD ORIGINAL

gepresst, worauf man den kaltgepressten Barren aus der Form entnimmt und bei einem Vakuum von 1 χ 10 mm Hg 5 Min. bei 1800° C sintert.

Die Querbruchfestigkeit des gesinterten Körpers beträgt 10 516 kg/cm².

Eine aus diesem Werkstoff nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellte und entsprechend den dort beschriebenen Metallschneidbedingungen geprüfte Schneide ergibt bei dem Schnelldrehversuch an AISI-1045-Stahl eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Freiflächenverschleiss, bei dem Schnelldrehversuch an Graugusseisen eine sehr gute Verschleissbeständigkeit und bei dem Planfräsversuch an AISI-i3iO-Stahl ein sehr gutes Verhalten.

- 21 -

109816/0962

Claims (1)

1. 28. Mai 1969 Patent an sprüc h e

   Hartraetall-Metalloxid-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er eine durchschnittliche Korngrösse von unter 10 Mikron hat und im wesentlichen aus 60 bis 89 VoIJC Carbid aus der Gruppe Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid, Titancarbid und deren Mischungen, 10 bis weniger als 20 VoI* Aluminiumoxid und 1 bis 20 VoIi Metall besteht, wobei das Metall im wesentlichen aus 5 bis 90 Gew.Ji Metall aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel und deren Mischungen und 10 bis 95 Gew.* Metall aus der Gruppe Wolfram, Molybdän und deren Mischungen besteht.

   Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbid Titancarbid ist.

   Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall im wesentlichen aus Nickel und Molybdän besteht.

   Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass die durchschnittliche Korngrösse unter 5 Mikron liegt.

   Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall im wesentlichen aus 40 bis 60 Gew.% Metall aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel und deren Mischungen und 40 bis 60 Gew. % Metall aus der Gruppe Wolfram, Molybdän und deren Mischungen besteht.

   Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbid Titancarbid ist und das Metall im wesentlichen aus 40 bis 60 Gew.Jf Nickel und 40 bis 60 Gew.* Molybdän besteht.

   109816/^962