DE20023764U1

DE20023764U1 - Sintered hard metal body useful as cutter insert or throwaway cutter tip has concentration gradient of stress-induced phase transformation-free face-centered cubic cobalt-nickel-iron binder

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

Sintered hard metal body has a concentration gradient of a face-centered cubic Co-Ni-Fe binder which undergoes no stress-induced phase transformations. A sintered hard metal body contains a Co-Ni-Fe binder of composition (by wt.) 40-90% Co, 4-36% Ni and 4-36% Fe with an Ni:Fe ratio of 1.5-1:1-1.5, the binder having a concentration gradient within the body, having a face-centered cubic structure and undergoing no stress-induced phase transformations.

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.The The invention relates to a sintered cemented carbide body (cermet) which is at least a hard material component and a cobalt-nickel-iron binder, wherein the binder consists of about 40 to 90 wt .-% of cobalt and the rest, apart from random Impurities consisting of nickel and iron and the nickel content of the binder at least 4 and at most 36 wt .-% and the iron content of the binder at least 4 and at most 36% by weight and the binder has a Ni: Fe ratio of about 1.5: 1 to 1: 1.5 having.

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.such Cemented carbide body (Cermets) are in the international patent applications PCT / IB98 / 01297, PCT / IB 98/01298, PCT / IB98 / 01299, PCT / IB98 / 01300 and PCT / IB98 / 01301 the KENNAMETAL INC. of August 20, 1998. In the mentioned International patent applications is also the use of this Cemented carbide body as cutting inserts and cutting inserts and for the production of drills and carbide tools and tool inserts of all kinds. On the overall content of this international Patent applications are hereby incorporated by reference.

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.Of the Term "cermet" whenever he below is used, refers exclusively to those materials that at least one metallic phase and at least one ceramic Phase such. B. tungsten carbide (WC) include. Diamond and graphite per se are not understood in the language of this application as "ceramic". which include diamond or graphite, embedded in a metallic one Matrix or bonded to a metal alloy, are therefore not a "cermet" in the context of the invention.

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.Out DE-PS 32 11 047 and U.S. Patent Re. 34 180 it is known that yourself for hard metals whose binders consist of cobalt, nickel or iron, under certain sintering conditions and after addition of certain additives to the Hard material powder mixtures, one enriched with binder, at the same time but in solid solution present carbides depleted or free layer near the surfaces of sintered cemented carbide body trains while below the enrichment layer a binder impoverished, but at the same time in solid solution formed present carbides enriched layer.

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.Of the Invention is based on the object new sintered carbide body for disposal but whose binder consists of cobalt, nickel and iron, but across from the previously available standing Co-Ni-Fe-bonded cermets improved mechanical properties have, in particular, an improved fatigue strength at the same time improved toughness.

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.These Task is at a sintered cemented carbide body of the initially defined Genus according to the invention thereby solved, that the Concentration of the Co-Ni-Fe binder within the cemented carbide body Has gradient and that the Co-Ni-Fe binder a cubic-face-centered structure has and none by tension, train or other stresses subject to induced phase transformations.

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.Preferably the concentration of the Co-Ni-Fe binder has a gradient, that from the inside of the cemented carbide body towards its surfaces increases. This gradient material is surprising for a person skilled in the art, because it was not expected that the ternary binder of cobalt, nickel and iron, preferably is in the form of an alloy, but not necessarily present as an alloy must behave similarly would like in the past often used cobalt binder. Above all, could not be expected that yourself a distribution of the binder in the cemented carbide as described above would set.

Besonders vorteilhaft ist der Co-Ni-Fe-Binder in einer Zone ("Binder Enriched Zone", BEZ) nahe der Oberfläche des Hartmetallkörpers angereichert.Especially Advantageously, the Co-Ni-Fe binder in a zone ("Binder Enriched Zone", BEZ) near the surface of Carbide body enriched.

Vorzugsweise befindet sich die Anreicherungszone (BEZ) in einer Tiefe von bis zu 40 μm, gemessen von der Oberfläche des Hartmetallkörpers.Preferably is the enrichment zone (BEZ) at a depth of up to to 40 μm, measured from the surface of the cemented carbide body.

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.at a preferred embodiment of the cemented carbide body according to the invention The relationship the constituents of the binder among themselves (Co: Ni: Fe) in the binder within the enrichment zone (BEZ) equal to that in the binder outside the enrichment zone (BEZ). In this embodiment, the runs Congruent diffusion of the binder into the enrichment zone, i.e. without change the composition of the binder. Again, this was surprising to the skilled person, because in complicated multi-substance systems an incongruent behavior the components of the binder alloy is rather the rule.

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.Of the Co-Ni-Fe binder of the sintered hard metal according to the invention has a face-centered cubic Structure and is not subject to tension, train or otherwise Stress induced phase transformations. The Co-Ni-Fe binder is essentially austenitic.

Vorzugsweise macht der Anteil des Binders am Sinterhartmetall 4 bis 10 Gew.-% aus.Preferably makes the proportion of binder on sintered carbide 4 to 10 wt .-% out.

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.The at least one hard material component is preferably selected from the carbides, nitrides, carbonitrides and their mixtures and solid Solutions, in any combination with each other. Particularly preferred hard material components are the carbides of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, Chromium, molybdenum and tungsten, as well as mixtures of several of these carbides. Of the Carbonitrides are the hard carbon components of the carbonitrides of Titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum and tungsten as well their mixtures are preferred.

Die erfindungsgemäßen Sinterhartmetallkörper werden vorzugsweise als Schneideinsätze, Wendeschneidplatten sowie zur Herstellung von Hartmetallwerkzeugen und -werzeugeinsätzen aller Art verwendet.The Sinterhartmetallkörper invention be preferably as cutting inserts, Indexable inserts and for the production of carbide tools and missions of all kinds.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.The Invention will now be described by way of example in connection with closer to the drawing explained.

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.The 1 to 3 are energy distribution spectra (EDS spectra) of the Co-Ni-Fe binders of the cemented carbide bodies prepared according to Examples 1 to 3. The figures show, based on the K lines of the three elements Co, Ni and Fe of the respective binder alloy, the element concentrations as a function of the layer depth, ie the distance from a surface of the cemented carbide body.

Beispiel 1example 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

After customary powder metallurgical methods, first a powder mixture of 94% by weight of hard materials and 6% by weight of binder metal is produced. The powder mixture had the following composition (in each case in wt .-%, based on the total amount of the powder mixture):

86.5% WC with a particle size of 5.0 microns
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.There the hard material mixture contains 1.8% titanium carbonitride, the expert speaks this composition of a "nitrogen enrichment" in the powder mixture.

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.Out This powder mixture was in a conventional manner cuboid cutting insert blanks (Green compacts) made and to compacts pressed. The compacts were at temperatures between about 1300 and 1760 ° C, preferably between about 1400 and 1600 ° C, sintered and / or hot isostatic pressed, preferably using the known "sintering HIPping" method, pressing between about 1.7 and 206 MPa. The sintering is preferably under reduced pressure or under an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere carried out, special temperature-time cycles are used.

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

The cemented carbide body produced in this way had the following physical properties:

Density: 13.96 g / cm3
Magnetic saturation: 114 [4pr]
Magnetic field strength (Hc): 99 [Oe]
Vickers Hardness (HV30): 1510
Porosity: <A02 eB

(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.)

(The porosity of hard metals is classified according to ASTM as follows:

Type A: pores with diameters <10 μm,
Type B: pores with diameters between 10 and 40 μm;
Type C: irregular free carbon pores.)

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).The distribution of the three elements of the binder alloy and their concentration gradient, which increases respectively from the interior of the body towards the surface, is over 1 seen. The binder enrichment is in a zone up to about 40 μm depth (distance from the original surface) (cf. 1 ).

Beispiel 2Example 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

A powder mixture of the following composition was prepared:

86.5% WC (average particle size 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.from that were sintered carbide bodies prepared as described in Example 1. The hard material mixture contained in this case no carbonitride, but only carbides, why one of "carbon enrichment" (superstoichiometric C content) in the hard material mixture.

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.

The physical properties of the cemented carbide bodies thus produced were as follows:

Density: 13.87 g / cm3
Magnetic saturation: 118 [4pr]
Magnetic field strength (Hc): 103 [Oe]
Vickers Hardness (HV30): 1510
Porosity: <A02 eB 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.The distribution of elements in the binder alloy of the cermets thus produced is over 2 seen. At a depth of between about 150 and 250 microns a free carbon free zone was detected.

Beispiel 3Example 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

A powder mixture of the following composition was prepared:

86.5% WC (average particle size 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.The Hard material mixture contained in this case in addition to a superstoichiometric C content of both titanium carbonitride and titanium carbide and tantalum niobium carbide in addition to the main component tungsten carbide.

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

As described in Example 1, cemented carbide bodies were prepared from this powder mixture. The physical properties of these bodies were as follows:

Density: 13.88 g / cm3
Magnetic saturation: 117 [4pr]
Magnetic field strength (Hc): 99 [Oe]
Vickers Hardness (HV30): 1530
Porosity: <A02 eB 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.The binder concentration gradient for these cermets is in 3 shown. In this case, a solid carbide-depleted zone was found at a distance between 5 and 10 μm from the original surface of the cemented carbide bodies, while a free carbon-free zone was at a depth between 150 and 300 μm.

Die erfindungsgemäßen Sinterhartmetallkörper können in bekannter Weise mit festhaftenden Beschichtungen (PVD, CVD) versehen werden.The Sinterhartmetallkörper invention can in known manner with adherent coatings (PVD, CVD) provided become.

Claims

A sintered cemented carbide body having at least one hard material component and a Co-Ni-Fe binder consisting of about 40 to 90% by weight of cobalt and the balance apart from incidental impurities of nickel and iron, the nickel content of the binder being at least 4 and at most 36 wt .-% and the iron content of the binder is at least 4 and at most 36 wt .-% and the binder has a Ni: Fe ratio of about 1.5: 1 to 1: 1.5, characterized in that the concentration of the Co-Ni-Fe binder within the cemented carbide body has a gradient, and that the Co-Ni-Fe binder has substantially a cubic face-centered structure and is not subject to stress, strain or other stress induced phase transformations.

Cemented carbide body according to claim 1, characterized in that the concentration of the Co-Ni-Fe binder has a gradient from the interior of the cemented carbide body in Direction on its surfaces increases.

Cemented carbide body according to claim 1 or 2, characterized in that the Co-Ni-Fe binder in a Zone (BEZ) near the surface of the cemented carbide body enriched.

Cemented carbide body according to claim 3, characterized in that the enrichment zone (BEZ) at a depth of up to about 40 μm, measured from the surface of the Carbide body is located.

Cemented carbide body according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the ratio of the components of Binders with each other (Co: Ni: Fe) in the binder within the enrichment zone (BEZ) equal to that in the binder outside the enrichment zone (BEZ) is.

Cemented carbide body according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the Co-Ni-Fe binder substantially austenitic is.

Cemented carbide body according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the proportion of the binder on Sinterhartmetall 4 to 10 wt .-% makes up.

Cemented carbide body according to one of the claims 1 to 7, characterized in that the at least one hard material component selected is made of carbides, nitrides, carbonitrides, their mixtures and solid solutions existing group.

Cemented carbide body according to claim 8, characterized in that the at least one hard material component at least one carbide comprising selected is made of the carbides of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, Tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten.

Sinterhartmetallkörper according to claim 8, characterized characterized in that at least one hard material component comprises at least one carbonitride, the selected is from the carbonitrides of titanium, zirconium, hafnium, vanadium, Niobium, tantalum, chromium, molybdenum and / or tungsten.