DE3238319C2

DE3238319C2 -

Info

Publication number: DE3238319C2
Application number: DE3238319A
Authority: DE
Inventors: Akio Hara; Masaya Miyake; Shuji Itami Hyogo Jp Yazu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1981-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1991-09-12
Also published as: JPH0228428B2; DE3238319A1; JPS5865588A; US4492846A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten von Hartlegierungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und befaßt sich insbesondere mit einem Verfahren zum Verbinden einer oder mehrerer Hartlegierungsarten unter Verwendung eines hochenergetischen Strahls.

Die Verbindung einer Vielzahl von Werkzeugteilen aus Hartlegierungen, wie beispielsweise aus Sintercarbiden, zur Schaffung eines einstückig gebildeten Werkzeugs hätte den Vorteil, es zu ermöglichen, einen Gegenstand mit einer komplizierten Form oder mit einer derartigen Größe zu schaffen, die die durch Sintercarbide erreichbare Grenze übertrifft, sowie zwei oder mehrere Arten von Hartlegierungen, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden, zu kombinieren. Da jedoch der Schmelzpunkt der Hartlegierung so hoch liegt, daß eine hohe Temperatur, zum Beispiel 1320°C oder mehr zur Bildung der Flüssigphase erforderlich ist, gibt es nur die Möglichkeit daß eine Diffusionsbindung in einem Brennofen unter Druck erreicht wird.

Daher arbeitet das wirtschaftlichste Bindeverfahren mit Silber- oder Kupferlot; die Bindung mit einem derartigen Lot ist jedoch schwach, insbesondere wenn die Benetzung mit Lot gering ist. Selbst wenn der Verbund fertiggestellt ist, kann nur eine Scherkraft von etwa 10 bis 20 kg/mm² erwartet werden.

Wenn Sintercarbide als Konstruktionsteil oder als verschleißfestes Werkzeug wie beispielsweise als Ziehstein, Rollenschneider und Bohrerspitze, verwendet werden, sind eine höhere Scherkraft, Dauer- und Stoßfestigkeit erforderlich.

Daher benötigt man Verbindungsverfahren, durch die Sintercarbide bzw. Hartmetalle leicht und vollständig unabhängig von ihrer Form oder Größe miteinander verbunden werden können.

Aus der DD-PS 60 684 ist ein Verfahren zum Hartlöten von Hartmetall auf Trägerwerkstoffe aus Stahl oder zum Löten von sonstigen schwer lötbaren Materialien bekannt, durch das eine höhere Verbindungsfestigkeit der Lötung erreicht wird. Bei dem Verfahren wird zwischen der Lötfolie, z. B. aus Rein- bzw. Elektrolytkupfer, und aufzulötender Metallplatte, z. B. aus schwer lötbarem Hartmetall ein Pulver bestehend aus Eisen Nickel oder Kobalt vorzugsweise jedoch Kobalt, eingestreut. Es wird als besonders vorteilhaft beschrieben, das Pulver mit dem bei der Lötung zur Anwendung kommenden Flußmittel, vorzugsweise Borax zu durchmischen, wobei der Anteil des Eisen- Nickel- oder Kobaltpulvers zwischen 5 bis 10 Vol.-% zum Flußmittel beträgt. Es ist aber auch möglich, das Metallpulver in die Lötfolie oberflächlich einzuwalzen und auf diese Weise am Lötprozeß zu beteiligen. Das beschriebene Hartmetall kann jedoch mit dem Eisengruppenmetall nicht gut genug hart gelötet werden und wenn man ein Flußmittel vorzugsweise Borax zumischt, bildet dieses eine Legierung mit Co, Fe, Ni etc., wodurch die Verbindungsfestigkeit gesenkt wird.

Aus der Veröffentlichung "Löten von hochschmelzenden Metallen und Hartmetall" Dr. S. Schider, Metallwissenschaft und Technik 1979 S. 361-365, sind Hochtemperaturlöte auf Nickelbasis bekannt. Diese schmelzen zwischen ca. 1000 und 1300°C, haben den für Vakuumlöter nötigen niedrigen Dampfdruck und zeigen gute Benetz- und Fließeigenschaften durch Zugabe von Bor und Silicium. Die Veröffentlichung erwähnt auch das Schweißen mittels Elektronenstrahl. Die gewünschten Verbindungsstärken können jedoch hierdurch nicht erhalten werden.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung gebundener Hartlegierungen zum Verbinden von Sintercarbiden mittels eines hochenergetischen Strahles bzw. die Herstellung von Werkzeugen aus Sintercarbiden zu schaffen, die durch eine Zwischenschicht aus einem Eisengruppenmetall oder dessen Legierung miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung eine ausreichende Festigkeit aufweisen soll.

Die Lösung dieses Problems ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.

Nachfolgend werden das Prinzip und die Vorzüge der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Änderung der Härte eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Teils zeigt;

Fig. 3 eine Vorderansicht auf eine Schneidkante nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine Frontansicht auf eine Schneidkante nach einer Verkörperung der Erfindung; und

Fig. 5 eine Vorderansicht eines Stempels nach einer anderen Verkörperung der Erfindung.

Die Erfinder waren um die Entwicklung eines Verfahrens zum vollständigen Untereinanderverbinden von Hartlegierungen, insbesondere Sinterhartmetallen, bemüht und haben demgemäß ermittelt, daß dann, wenn die Zwischenschicht einer Verbundschicht eine Härte aufweist, die wenigstens 60% der der Hartlegierungen entspricht, die Festigkeit der verbundenen Teile in einem ausreichenden Bereich gehalten werden kann.

Wenn dagegen die Härte einer Verbundschicht größer als die Hartlegierung ist, ist die Zähigkeit gering. Daher ist es besonders wünschenswert, das Verschweißen derart auszuführen, daß die Härte einer Verbundschicht so nah wie möglich an die der Hartlegierung herangebracht wird.

Bei der Erfindung wird eine Verbundschicht, die eine geringere Härte als die Sintercarbide aufweist, deren Härte jedoch wenigstens 60% der der Sintercarbide entspricht, durch Einbringen einer dünnen Lage aus Eisengruppenmetall oder dessen Legierung zwischen die aneinanderstoßenden oder in Berührung gebrachten Oberflächen von Hartlegierungen, durch unmittelbares Schmelzen der Hartlegierungen und Einbringen einer dünnen Lage bei einer hohen Temperatur und Bilden einer Legierungsschicht erreicht, bei der die Eisengruppenmetall- und die Hartlegierungsbestandteile einander durchdrungen haben.

Die Erfindung macht ein Verfahren zur Herstellung von gebundenen Hartlegierungen verfügbar, das Aneinanderbringen oder in Berührung bringen einer oder mehrerer Hartlegierungsarten, Einbringen einer dünnen Lage aus Eisengruppenmetall oder dessen Legierung als Hartlot zwischen die aneinanderstoßenden Oberflächen der Hartlegierungen und Vorsehen eines hochenergetischen Strahls auf einen Teil oder das gesamte Hartlot, um dieses zu schmelzen und zu verfestigen und dadurch die Hartlegierungen miteinander zu verbinden, enthält.

Die dabei verwendeten Hartlegierungen bestehen im allgemeinen aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden und Carbooxynitriden der Gruppe 4a, 5a und 6a der Elemente des periodischen Systems und deren festen Lösungen, die wenigstens durch eines der Eisengruppenmetalle wie Co, Ni und Fe gebunden sind. Insbesondere werden Sintercarbide, wie beispielsweise WC-Co-Legierungen und (Mo, W)C-Co-Legierungen vorzugsweise verwendet. Als Hartlot werden im allgemeinen Eisen mit höchstens 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, Stähle (SS, SCM), Fe-Ni-Legierungen, Co, Ni und Fe-Ni-Co- Legierungen (Kovars) benutzt, und als hochenergetischer Strahl werden im allgemeinen Elektronen- und Laserstrahl verwendet. Diese Hartlote besitzen im allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als die Hartlegierungen.

Zur Ausübung der Erfindung wird, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Eisengruppenmetallage 2 mit einer Dicke von 0,1 bis 2 mm zwischen die aneinanderstoßenden Oberflächen 1 und 1′ polierter Hartlegierungen eingebracht und ein hochenergetischer Strahl 3 wird auf die eingebrachte Lage zum Schmelzen der Hartlegierungen und der eingebrachten Lage und zur Bildung einer Verbundschicht aufgestrahlt.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer Untersuchung der Änderung der Härte, wenn eine Fe-Ni-Legierung und eine Hartlegierung in Berührung gebracht und mit einem elektronischen Strahl bestrahlt worden sind. Die Koordinatenachse zeigt die Härte Hv, und die Abzissenachse die Längen einer Hartlegierung 4, eines geschmolzenen und erstarrten bzw. verfestigten Teils 5 und eines Hartlotteils 6.

Die Legierungsschicht, die durch Verschmelzen und Durchdringen von Hartlegierungen der Fe-Ni-Legierung gebildet ist, besitzt eine Hv-Härte von 800, was 70% oder mehr der Hv-Härte der Hartlegierung entspricht, deren Hv-Härte beispielsweise 1100 beträgt. Dies bedeutet, daß anzunehmen ist, daß die Härte erheblich vergrößert ist, weil WC-Bestandteile in die Fe-Ni-Legierung diffundiert sind, während durch die Verwendung eines elektronischen Strahls das schnelle Schmelzen und Abkühlen vorgenommen wurde. Wenn insbesondere Co oder Ni als Hartlot benutzt wird, kann eine noch größere Härte dadurch erreicht werden, daß diese Elemente sich als WC in der Legierungsschicht ablagern.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Hartlot zwischen die in Berührung gebrachten Oberflächen von Hartlegierungen gebracht, geschmolzen und unter Anwendung eines hochenergetischen Strahls gebunden wird. Falls das Hartlot nicht verwendet wird, schmilzt beispielsweise Wolframcarbid bei einer Temperatur von 3000°C oder höher und verdampft als W und C, und eine Bindung wird unmöglich. Die Verwendung des Hartlots führt zu einer Herabsetzung der Schmelz- und Bindetemperatur und verhindert das Verdampfen von W und C.

Es ist bekannt, ein Hartlot zum Binden verschiedener Metalle, zum Beispiel beim Schweißen von Cu-Al zu benutzen. Dies dient dazu, der Bildung einer intermetallischen Verbindung der verschiedenen Metalle zu begegnen. Den Erfindern ist jedoch kein Anwendungsbeispiel bekannt, bei dem ein Hartlot zum Herabsetzen des Schmelzpunktes und zur Bildung einer Legierungsschicht mit einer höheren Härte beim Verschweißen von Werkstoffen derselben Art verwendet wird.

Bei der Erfindung weist das Hartlot vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 2 mm auf. Wenn die Dicke geringer als 0,1 mm ist, kann das Verdampfen der Hartlegierung nicht verhindert werden, während dann, wenn sie größer als 2 mm ist, keine befriedigende Härte erzielt werden kann.

Bei einer Verkörperung der Erfindung wird die Oberfläche zu einer zu verschweißenden Hartlegierung geglättet, entfettet und entmagnetisiert, und ein Eisengruppenmetall, das an der Oberfläche angebracht werden soll, insbesondere, eine Fe-Ni-Legierung, die einen thermischen Dehnungskoeffizienten von 8 - 10 × 10^-6 cm/°C, ähnlich dem der Hartlegierung besitzt, wird zwischen deren Oberflächen geschichtet. Danach wird durch Aufbringen eines hochenergetischen Strahls auf die Verbindungsstelle die Schweißung derart ausgeführt, daß beide Hartlegierungen bestrahlt werden. Im allgemeinen wird ein Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 60 bis 150 KV, einem Strahlstrom von 10 bis 50 mA und einer Schweißgeschwindigkeit von 0,1 bis 1 m/min. benutzt. Ein Laserstrahl kann ebenfalls unter den gleichen Bedingungen, daß eine Hartlegierung und eisenhaltiges Hartlot gleichzeitig geschmolzen werden, verwendet werden.

Die folgenden Beispiele werden zur detaillierteren Erläuterung der Erfindung ohne Beschränkung derselben angegeben.

Beispiel 1

Zur Auslegung des Schneidwerkzeugs 7, das aus einer Sintercarbidkante mit einer Länge von 3 m, einer Breite von 30 mm und einer Dicke von 3 mm, wie in Fig. 3 dargestellt, besteht, wurde die Sintercarbidkante durch Verbinden von Sintercarbiden 8 gebildet, die, wie in Fig. 4 dargestellt, in einer Länge von 50 cm geformt und gesintert wurden. In Fig. 4 wurde eine dünne Lage aus Fe-42 Gew.-% Ni-Legierung mit einer Dicke von 0,5 mm zwischen die Oberflächen 9 der miteinander zu verbindenden Sintercarbide eingebracht und durch einen elektronischen Strahl verschweißt, und die Verbindungsfläche 10 der Sintercarbide und des Strahls B wurde durch einen Elektronenstrahl verschweißt, der mit einer Beschleunigungsspannung von 150 KV, einem Strom von 20 mA und einer Schweißgeschwindigkeit von 0,5 m/min. bestrahlt, um auf diese Weise eine lange Kante zu erzielen.

Wenn dagegen eine Sintercarbidkante von 3 m Länge zuvor hergestellt und die Verbindungsfläche des in Fig. 3 dargestellten Sintercarbids A und Strahls B mit einem Silberlot verlötet wurde, war die Sintercarbidkante verformt und ein Teil des Sintercarbids rissig geworden bzw. ausgebröckelt.

Die nach der Erfindung hergestellte langgestreckte Kante gemäß Fig. 4 wies weder eine Deformation noch einen Bruch auf. Die verbundene Sintercarbidschicht zeigte eine Hv-Härte von 900. Wenn mit dem erfindungsgemäß hergestellten Schneidwerkzeug Papier geschnitten wurde, konnte eine gleichmäßige Schnittqualität ohne Verschleiß der gebundenen Schichten eingehalten werden.

Beispiel 2

Das Ende eines in Fig. 5 dargestellten Stempels mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 70 mm wurde um 10 mm abgeschnitten. Das Schaftende 11 bestand aus einer großen WC-20 Gew.-% Co-Legierung und das Endteil 12 aus einer WC-8 Gew.-% Co-Legierung. Eine dünne Lage aus Co mit einer Dicke von 0,3 mm wurde zwischen die aneinanderstoßenden Oberflächen 13 des Schaftteils 11 und des Endteils 12 eingebracht und durch einen elektronischen Strahl (Beschleunigungsspannung: 150 KV; elektrischer Strom: 20 mA; Schweißgeschwindigkeit: 0,5 m/min.) verschweißt. Der auf diese Weise erhaltene Stempel stellte ein zusammengesetztes Werkzeug dar, das aus einem Endteil aus Sintercarbid mit hervorragender Verschleißfestigkeit und einem Schaftteil aus Sintercarbid mit hervorragender Zähigkeit zusammengesetzt war.

Zum Vergleich wurden jeweils Stempel nur aus WC-8 Gew.-% Co-Legierung, WC-20 Gew.-% Co-Legierung und WC-15 Gew.-% Co-Legierung hergestellt und Vergleichstests mit dem zusammengesetzten Stempel gemäß der Erfindung unterzogen. Beim Stanzen einer Silikonstahlplatte mit einer Dicke von 0,5 mm wurden die in der Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse erzielt:

Tabelle 1

Der mittels des Elektronenstrahls verbundene zusammengesetzte Stempel zeigte eine größere Wirksamkeit als die Stempel nach dem Stand der Technik.

Claims

1. Verfahren zum Hartlöten von Hartlegierungen unter Verwendung von Eisen, Nickel oder Kobalt, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Lage des Eisengruppenmetalls oder dessen Legierung als Hartlot zwischen die in Berührung gebrachten Oberflächen der Hartlegierung aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden oder Carboxynitriden von Elementen der Gruppen 4a, 5a oder 6a des Periodensystems oder aus festen Lösungen derselben, die durch wenigstens einen aus den Eisengruppenmetallen ausgewählten Bestandteil gebunden sind, eingebracht wird, diese oder ein Teil von ihr mit einem hochenergetischen Strahl geschmolzen und in einer Nutform zum Erstarren gebracht wird, um dadurch die Hartlegierungen miteinander zu verbinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot aus der aus Eisen mit höchstens 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, Stählen, Fe-Ni Legierungen, Co, Ni und Fe-Ni-Co Legierungen bestehende Gruppe ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Lage eine Dicke von 0,1 bis 2 mm besitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochenergetische Strahl ein Elektronen- oder Laserstrahl ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 60 bis 150 KV, einem Strahlstrom von 10 bis 50 mA und einer Schweißgeschwindigkeit von 0,1 bis 1 m/min. ausgestrahlt wird.