DE20023764U1

DE20023764U1 - Gesinterter Hartmetallkörper

Info

Publication number: DE20023764U1
Application number: DE20023764U
Authority: DE
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2010-02-15

Abstract

Gesinterter Hartmetallkörper mit mindestens einer Hartstoffkomponente und einem Co-Ni-Fe-Binder, der aus etwa 40 bis 90 Gew.-% Kobalt und zum Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen aus Nickel und Eisen besteht, wobei der Nickelgehalt des Binders mindestens 4 und höchstens 36 Gew.-% und der Eisengehalt des Binders mindestens 4 und höchstens 36 Gew.-% beträgt und der Binder ein Ni:Fe-Verhältnis von etwa 1,5:1 bis 1:1,5 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Co-Ni-Fe-Binders innerhalb des Hartmetallkörpers einen Gradienten aufweist und daß der Co-Ni-Fe-Binder im wesentlichen eine kubisch-flächenzentrierte Struktur besitzt und keinen durch Spannung, Zug oder sonstige Beanspruchungen induzierten Phasenumwandlungen unterliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Hartmetallkörper (Cermet), der mindestens eine Hartstoffkomponente und einen Kobalt-Nickel-Eisen-Binder aufweist, wobei der Binder aus etwa 40 bis 90 Gew.-% Kobalt und zum Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen, aus Nickel und Eisen besteht und der Nickelgehalt des Binders mindestens 4 und höchstens 36 Gew.-% und der Eisengehalt des Binders mindestens 4 und höchstens 36 Gew.-% betragen und der Binder ein Ni:Fe-Verhältnis von etwa 1,5:1 bis 1:1,5 aufweist.
Derartige Sinterhartmetallkörper (Cermets) sind in den internationalen Patentanmeldungen PCT/IB98/01297, PCT/IB 98/01298, PCT/IB98/01299, PCT/IB98/01300 und PCT/IB98/01301 der KENNAMETAL INC. vom 20. August 1998 beschrieben. In den genannten internationalen Patentanmeldungen ist auch die Verwendung dieser Sinterhartmetallkörper als Schneideinsätze und Schneidplatten sowie zur Herstellung von Bohrern und Hartmetallwerkzeugen und -werkzeugeinsätzen aller Art beschrieben. Auf den Gesamtinhalt dieser internationalen Patentanmeldungen wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Der Begriff „Cermet", wann immer er nachfolgend gebraucht wird, bezeichnet ausschließlich solche Werkstoffe, die mindestens eine metallische Phase und mindestens eine keramische Phase wie z. B. Wolframkarbid (WC) umfassen. Diamant und Graphit per se werden in der Sprache dieser Anmeldung nicht als „keramisch" verstanden. Werkstoffe, die Diamant oder Graphit umfassen, eingebettet in eine metallische Matrix oder gebunden an eine Metallegierung, sind somit kein „Cermet" im Sinne der Erfindung.
Aus der DE-PS 32 11 047 und dem U.S.-Patent Re. 34 180 ist es bekannt, daß sich bei Hartmetallen, deren Binder aus Kobalt, Nickel oder Eisen bestehen, unter bestimmten Sinterbedingungen und nach Zugabe bestimmter Zusätze zu den Hartstoff-Pulvergemischen, eine mit Binder angereicherte, gleichzeitig aber an in fester Lösung vorliegenden Carbiden verarmte bzw. freie Schicht nahe der Oberflächen der gesinterten Hartmetallkörper ausbildet, während sich unterhalb der Anreicherungsschicht eine an Binder verarmte, gleichzeitig aber an in fester Lösung vorliegenden Carbiden angereicherte Schicht ausbildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Sinterhartmetallkörper zur Verfügung zu stellen, deren Binder aus Kobalt, Nickel und Eisen besteht, aber gegenüber den bisher zur Verfügung stehenden Co-Ni-Fe-gebundenen Cermets verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen, insbesondere eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitig verbesserter Zähigkeit.
Diese Aufgabe wird bei einem gesinterten Hartmetallkörper der eingangs definierten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Konzentration des Co-Ni-Fe-Binders innerhalb des Hartmetallkörpers einen Gradienten aufweist und daß der Co-Ni-Fe-Binder eine kubisch-flächenzentrierte Struktur besitzt und keinen durch Spannung, Zug oder sonstige Beanspruchungen induzierten Phasenumwandlungen unterliegt.
Vorzugsweise weist die Konzentration des Co-Ni-Fe-Binders einen Gradienten auf, der vom Inneren des Hartmetallkörpers in Richtung auf seine Oberflächen zunimmt. Dieses Gradientenmaterial ist für den Fachmann überraschend, weil nicht erwartet wurde, daß sich der Dreistoffbinder aus Kobalt, Nickel und Eisen, der vorzugsweise in Form einer Legierung vorliegt, aber nicht zwingend als Legierung vorliegen muß, ähnlich verhalten würde wie der in der Vergangenheit häufig verwendete Kobalt-Binder. Vor allem konnte nicht erwartet werden, daß sich eine Verteilung des Binders im Sinterhartmetall wie oben beschrieben einstellen würde.
Besonders vorteilhaft ist der Co-Ni-Fe-Binder in einer Zone ("Binder Enriched Zone", BEZ) nahe der Oberfläche des Hartmetallkörpers angereichert.
Vorzugsweise befindet sich die Anreicherungszone (BEZ) in einer Tiefe von bis zu 40 μm, gemessen von der Oberfläche des Hartmetallkörpers.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sinterhartmetallkörpers ist das Verhältnis der Bestandteile des Binders untereinander (Co:Ni:Fe) im Binder innerhalb der Anreicherungszone (BEZ) gleich demjenigen im Binder außerhalb der Anreicherungszonge (BEZ). Bei dieser Ausführungsform verläuft die Diffusion des Binders in die Anreicherungszone hinein kongruent, d.h. ohne Veränderung der Zusammensetzung des Binders. Auch dies war für den Fachmann überraschend, weil in komplizierten Mehrstoffsystemen ein inkongruentes Verhalten der Bestandteile der Bindelegierung eher die Regel ist.
Der Co-Ni-Fe-Binder des erfindungsgemäßen Sinterhartmetalls hat eine kubisch-flächenzentrierte Struktur und unterliegt keinen durch Spannung, Zug oder sonstige Beanspruchung induzierten Phasenumwandlungen. Der Co-Ni-Fe-Binder ist im wesentlichen austenitisch.
Vorzugsweise macht der Anteil des Binders am Sinterhartmetall 4 bis 10 Gew.-% aus.
Die mindestens eine Hartstoffkomponente wird vorzugsweise ausgewählt aus den Carbiden, Nitriden, Carbonitriden sowie deren Gemischen und festen Lösungen, in beliebiger Kombination untereinander. Besonders bevorzugte Hartstoffkomponenten sind die Carbide von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram sowie Gemische von mehreren dieser Carbide. Von den Carbonitriden werden als Hartstoffkomponenten die Carbonitride von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram sowie deren Gemische bevorzugt.
Die erfindungsgemäßen Sinterhartmetallkörper werden vorzugsweise als Schneideinsätze, Wendeschneidplatten sowie zur Herstellung von Hartmetallwerkzeugen und -werzeugeinsätzen aller Art verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Die 1 bis 3 sind Energieverteilungsspektren (EDS- Spektren) der Co-Ni-Fe-Binder der Sinterhartmetallkörper, die gemäß den Beispielen 1 bis 3 hergestellt worden sind. Die Figuren zeigen anhand der K-Linien der drei Elemente Co, Ni und Fe der jeweiligen Bindelegierung die Elementkonzentrationen in Abhängigkeit von der Schichttiefe, d.h. der Entfernung von einer Oberfläche des Sinterhartmetallkörpers.
Beispiel 1
Nach üblichen pulvermetallurgischen Methoden wird zunächst ein Pulvergemisch aus 94 Gew.-% Hartstoffen und 6 Gew.-% Bindermetall hergestellt. Das Pulvergemisch hatte folgende Zusammensetzung (jeweils in Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Pulvergemischs):

86,5% WC einer Teilchengröße von 5,0 μm
5,0% Ta(Nb)C 70/30
1,8% TiCN 70/30
0,7% TiC
3,6% Co
1,2% Ni
1,2% Fe

Da das Hartstoffgemisch 1,8% Titancarbonitrid enthält, spricht der Fachmann bei dieser Zusammensetzung von einer "Stickstoffanreicherung" im Pulvergemisch.
Aus diesem Pulvergemisch wurden auf herkömmliche Weise quaderförmige Schneideinsatz-Rohlinge (Grünlinge) hergestellt und zu Preßlingen verpreßt. Die Preßlinge wurden bei Temperaturen zwischen etwa 1300 und 1760 °C, vorzugsweise zwischen etwa 1400 und 1600 °C, gesintert und/oder heißisostatisch verpreßt, vorzugsweise unter Anwendung des bekannten "Sinter-HIPping"-Verfahren, und zwar unter Drücken von zwischen etwa 1,7 und 206 MPa. Das Sintern wird vorzugsweise unter vermindertem Druck oder unter einer Inertgas- Atmosphäre oder einer reduzierenden Gas-Atmosphäre durchgeführt, wobei spezielle Temperatur-Zeit-Zyklen angewendet werden.
Der auf diese Weise hergestellte Sinterhartmetallkörper besaß die folgenden physikalischen Eigenschaften:

Dichte: 13,96 g/cm3
Magnetische Sättigung: 114 [4pr]
Magnetische Feldstärke (Hc): 99 [Oe]
Vickers-Härte (HV30): 1510
Porosität: <A02 e.B

(Die Porosität von Hartmetallen wird nach ASTM wie folgtklassifiziert:

Typ A: Poren mit Durchmessern <10 μm,
Typ B: Poren mit Durchmessern zwischen 10 und 40 μm;
Typ C: unregelmäßige, durch freien Kohlenstoff bedingtePoren.)

Die Verteilung der drei Elemente der Bindelegierung und deren Konzentrationsgradient, der jeweils vom Inneren des Körpers in Richtung auf die Oberfläche zunimmt, ist aus 1 ersichtlich. Die Binderanreicherung befindet sich in einer Zone bis zu etwa 40 um Tiefe (Entfernung von der ursprünglichen Oberfläche) (vgl. 1).
Beispiel 2
Es wurde ein Pulvergemisch folgender Zusammensetzung hergestellt:

86,5% WC (mittlere Teilchengröße 5,0 μm)
5,0% Ta(Nb)C 70/30
2,5% TiC
3,6% Co
1,2% Ni
1,2% Fe

Daraus wurden Sinterhartmetallkörper hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben. Das Hart stoffgemisch enthielt in diesem Falle kein Carbonitrid, sondern nur Carbide, weshalb man von "Kohlenstoffanreicherung" (überstöchiometrischer C- Gehalt) im Hartstoffgemisch spricht.
Die physikalischen Eigenschaften der so hergestellten Sinterhartmetallkörper waren wie folgt:

Dichte: 13,87 g/cm3
Magnetische Sättigung: 118 [4pr]
Magnetische Feldstärke (Hc): 103 [Oe]
Vickers-Härte (HV30): 1510
Porosität: <A02 e.B C06.

Die Elementenverteilung in der Bindelegierung der so hergestellten Cermets ist aus 2 ersichtlich. In einer Tiefe zwischen etwa 150 und 250 um wurde eine von freiem Kohlenstoff freie Zone festgestellt.
Beispiel 3
Es wurde ein Pulvergemisch folgender Zusammensetzung hergestellt:

86,5% WC (mittlere Teilchengröße 5,0 μm)
5,0% Ta(Nb)C 70/30
2,0% TiC
0,5% TiCN 70/30
3,6% Co
1,2% Ni
1,2% Fe

Das Hartstoffgemisch enthielt in diesem Falle neben einem überstöchiometrischen C-Gehalt sowohl Titancarbonitrid als auch Titancarbid und Tantal-Niob-Carbid neben dem Hauptbestandteil Wolframcarbid.
Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden Sinterhartmetallkörper aus diesem Pulvergemisch hergestellt. Die physikalischen Eigenschaften dieser Körper waren folgende:

Dichte: 13,88 g/cm3
Magnetische Sättigung: 117 [4pr]
Magnetische Feldstärke (Hc): 99 [Oe]
Vickers-Härte (HV30): 1530
Porosität: <A02 e.B C06

Der Binderkonzentrationsgradient ist für diese Cermets in 3 dargestellt. In diesem Falle wurde eine an in fester Lösung vorliegenden Carbiden verarmte Zone in einer Entfernung zwischen 5 und 10 μm von der ursprünglichen Oberfläche der Sinterhartmetallkörper festgestellt, während sich eine von freiem Kohlenstoff freie Zone in einer Tiefe zwischen 150 und 300 μm befand.
Die erfindungsgemäßen Sinterhartmetallkörper können in bekannter Weise mit festhaftenden Beschichtungen (PVD, CVD) versehen werden.

Claims

Gesinterter Hartmetallkörper mit mindestens einer Hartstoffkomponente und einem Co-Ni-Fe-Binder, der aus etwa 40 bis 90 Gew.-% Kobalt und zum Rest, abgesehen von zufälligen Verunreinigungen aus Nickel und Eisen besteht, wobei der Nickelgehalt des Binders mindestens 4 und höchstens 36 Gew.-% und der Eisengehalt des Binders mindestens 4 und höchstens 36 Gew.-% beträgt und der Binder ein Ni:Fe-Verhältnis von etwa 1,5:1 bis 1:1,5 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Co-Ni-Fe-Binders innerhalb des Hartmetallkörpers einen Gradienten aufweist und daß der Co-Ni-Fe-Binder im wesentlichen eine kubisch-flächenzentrierte Struktur besitzt und keinen durch Spannung, Zug oder sonstige Beanspruchungen induzierten Phasenumwandlungen unterliegt.
Sinterhartmetallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Co-Ni-Fe-Binders einen Gradienten aufweist, der vom Inneren des Hartmetallkörpers in Richtung auf seine Oberflächen zunimmt.
Sinterhartmetallkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Co-Ni-Fe-Binder in einer Zone (BEZ) nahe der Oberfläche des Hartmetallkörpers angereichert ist.
Sinterhartmetallkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anreicherungszone (BEZ) in einer Tiefe von bis zu etwa 40 μm, gemessen von der Oberfläche des Hartmetallkörpers, befindet.
Sinterhartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Bestandteile des Binders untereinander (Co:Ni:Fe) im Binder innerhalb der Anreicherungszone (BEZ) gleich demjenigen im Binder außerhalb der Anreicherungszone (BEZ) ist.
Sinterhartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Co-Ni-Fe-Binder im wesentlichen austenitisch ist.
Sinterhartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Binders am Sinterhartmetall 4 bis 10 Gew.-% ausmacht.
Sinterhartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Hartstoffkomponente ausgewählt ist aus der aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, deren Gemischen und festen Lösungen bestehenden Gruppe.
Sinterhartmetallkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Hartstoffkomponente mindestens ein Carbid umfaßt, das ausgewählt ist aus den Carbiden von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram.
Sinterhartmetallkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Hartstoffkomponente mindestens ein Carbonitrid umfaßt, das ausgewählt ist aus den Carbonitriden von Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram.