EP0204920B1 - Formkörper mit hoher Härte und hoher Zähigkeit für die Bearbeitung von Metallen, Hartmetallen, Keramiken und Gläsern - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a shaped body with high hardness and high toughness from sintered boron carbide and a binder metal phase for the processing of metals, hard metals, ceramics and glasses.
- Boron carbide is particularly resistant to sandblasting. This opens up certain application possibilities for sintered bodies containing boron carbide. According to DE-C-973 807, these sintered bodies can be obtained by sintering boron carbide powder with a grain size of 0.1-30 ⁇ at temperatures of 1,600 to 2,000 ° C. under pressure.
- B4C particles are sintered with powder of the known binding metals cobalt or nickel, undesirable chemical reactions and the formation of further phases, for example borides, occur. As a result, the different properties of the phases that are already present and those that are forming can already cause cracks and gaps in the molded body during cooling.
- the invention was based on the object of presenting a simple process for the production of moldings based on B 4 C, in which the strength, in particular the toughness, compared to moldings made of pure B 4 C is increased and which are suitable for cutting or grinding tools or for applications , where mechanical wear loads or high surface pressures must be met, such as. B. in nozzles, particularly well suited.
- cutting platelets for machining or other shaped bodies for tools for grinding, honing, rubbing etc. of metals, in particular non-ferrous metals, hard metals, ceramics and glasses can be produced.
- Mo and W belong to the metals with low heat of formation of both metal borides and carbides.
- the lowest melting point of a Mo boride at 1,950 ° C, corresponding to 0.75 T Schm is already in the sintering region of Mo.
- the B 4 C is doped with carbon.
- 0.1 to 2.0% by weight of activated carbon, based on the product weight is homogeneously mixed into the powder mixture from step a) before step b).
- the compact can be heated to the sintering temperature and then introduced into the die. The final compact can be ejected hot from the die and then cooled.
- the sintering temperature is close to the upper range value.
- the hot pressing of Mo and B 4 C powders takes place at temperatures at which both materials are compressed but no molten phase occurs yet.
- the essence of the method according to the invention is the comparatively rapid execution of the hot pressing, in which even a very small proportion of the metal powder in the powder mixture is retained as the metallic phase in the molded product and embeds the B4C particles.
- Molded articles were produced: with 5% by volume Mo (corresponds to 20% by weight) and 95% by volume B 4 C; with 15 vol.% Mo and 85 vol.% B 4 C; and with 35 vol.% Mo (corresponds to 80 wt.%) and 65 vol.% B 4 C.
- the shaped articles produced according to the invention clearly show the separation of the embedded B4C particles (B 4 C dark, Mo light ⁇ from the surrounding Mo area. These differences are also confirmed in the scanning electron microscope and an X-ray scan of the same section. The X-ray fine structure analysis shows the metallic Mo in the compacts. The clear separation of B 4 C-containing areas and Mo-containing intermediate layers with thicknesses down to 3 ⁇ m was proven.
- Compacts were sintered using a semi-isostatic hot press with a compressive force of approx. 80 kN. Shaped articles were produced and tested, the Mo contents contained between 5% by volume and 35% by volume.
- the homogeneously mixed powders of molybdenum (37-140 ⁇ m) and boron carbide (0.1-1 360 ⁇ m) were placed in a graphite matrix. Square and round platelets were produced with punches movable from two sides under pressure of 10 and 30 MPa and at temperatures of 1,850 ° -2,000 ° C.
- the heating rates were between 100 and 200 ° C / min.
- the holding times were between 10 and 20 minutes.
- the cooling rates were in the range of 100-200 ° C / min.
- the moldings thus created were clamped in a tool holder and fastened in the steel holder of a lathe.
- Various steels, including austenites, were machined with the cutting inserts.
- AI 2 0 3 was processed with the same arrangement, it being possible to remove both over a large area and to achieve cuts.
- TaC and TiN surfaces could be removed.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit hoher Härte und hoher Zähigkeit aus gesintertem Borkarbid und einer Bindemetallphase für die Bearbeitung von Metallen, Hartmetallen, Keramiken und Gläsern.
- Borkarbid ist gegen Sandstrahlen besonders widerstandsfähig. Dadurch eröffnen sich für borkarbidhaltige Sinterkörper gewisse Anwendungsmöglichkeiten. Diese Sinterkörper können nach der DE-C-973 807 durch Sintern von Borkarbidpulver mit einer Korngröße von 0,1-30 µ bei Temperaturen von 1 600 bis 2 000 °C unter Druck erhalten werden. Bei einem Vergleich der Verschieißwerte von Hartmetallen und Hartstoffen, bestimmt nach der Sandstrahlmethode, ist der Verschleißwert eines Sinterkörpers mit 95 Gew.- % Borkarbid (20 Gew.-% C) und 5 Gew.-% Fe gegenüber den Verschleißwerten von Sinterkörpern aus WC-Co oder TiC-Fe-Cr oder TiC-VC-Fe-Ni der niedrigste (R. K. Kieffer, P. Schwarzkopf "Hartstoffe und Hartmetalle., Springer-Verlag, 1953, Seiten 524 und 525). Borkarbid-Sinterkörper weisen allerdings eine geringe Bruchfestigkeit auf. An anderer Stelle dieser Druckschrift (Seite 327) wird erwähnt, daß Versuche, Borkarbid mit zähen Metallen abzubinden, gescheitert seien.
- Werden B4C-Partikel mit Pulver der bekannten Bindemetalle Cobalt oder Nickel gesintert, so kommt es zu unerwünschten chemischen Reakionen und zur Bildung von weiteren Phasen, beispielsweise von Boriden. Hierdurch können durch die unterschiedlichen Eigenschaften der bereits vorhandenen und der sich bildenden Phasen bereits beim Abkühlen Risse und Lücken im Formkörper entstehen.
- Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf B4C-Basis vorzustellen, bei welchen die Festigkeit, insbesondere die Zähigkeit gegenüber Formkörpern aus reinem B4C erhöht ist und die sich für Schneid- oder Schleifwerkzeuge oder für Anwendungen, bei denen mechanischen Verschleißbelastungen oder hohen Flächenpressungen begegnet werden muß, wie z. B. bei Düsen, besonders gut eignen. Mit dem erfindungsgemä-Ben Verfahren sollen Schneidplättchen für spanabhebende Bearbeitung oder andere Formkörper für Werkzeuge zum Schleifen, Honen, Reiben etc. von Metallen, insbesondere Nichteisenmetallen, von Hartmetallen, von Keramiken und von Gläsern hergestellt werden können.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Formkörper aus gesintertem Borkarbid und einer Bindemetallphase hergestellt wird wobei das B4C. undotiert oder mit Kohlenstoff bis 2,0 Gew.% dotiert, in einem Volumen-Anteil von wenigstens 65 Vol.% im Formkörper enthalten ist und der Bindemetallphasen-Anteil dem Restvolumen des Formkörpers im Bereich von 5-35 Vol.-% entspricht und in der Weise vorgegangen wird, daß
- a) B4C-Partikel von Korngrößen im Bereich von 1 µm bis 1 650 µm mit metallischem Pulver aus Mo und/oder W oder deren Legierungen mit anderen Metallen, deren Schmelzpunkt oberhalb der unteren Sintertemperaturgrenze von 1 000 °C liegt, und deren Legierungspartner keine flüssigen boridischen oder carbidischen Verbindungen im Sinterbereich von 1 800° bis 1 950 °C bilden, in einer Korngröße im Bereich zwischen 35 µm und 100 µm homogen gemischt werden,
- b) das Pulver in eine Graphit-Matrize eingefüllt wird,
- c) das Pulvergemisch auf eine Temperatur im Bereich von 1 800 °C bis 2 000 °C erhitzt, bei einem Druck von 100 N/mm2 bis 300 N/mm2 und einer Preßdauer zwischen 5 und 20 Minuten oder durch Schlagverdichten unter Schutzgas-Atmosphäre endverdichtet wird,
- d) danach mit einer Kühlrate zwischen 100° C/min. und 200° C/min. abgekühlt wird, wobei
- e) die Dauer des Aufheizens und Abkühlens insgesamt die Dauer des Pressens nach Schritt c) nicht übersteigt.
- Die abhängigen Verfahrensansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
- Mo und W gehören zu den Metallen mit geringen Bildungswärmen sowohl der Metallboride als auch der Karbide. Der niedrigste Schmelzpunkt eines Mo-Borids liegt mit 1 950 °C, entsprechend 0,75 TSchm, bereits im Sinterbereich von Mo. Um ein feinkörniges Sintermaterial zu erhalten, wird das B4C mit Kohlenstoff dotiert. Hierzu wird dem Pulvergemisch aus Schritt a) 0,1 bis 2,0 Gew.-% aktivierter Kohlenstoff, bezogen auf das Produktgewicht, vor Schritt b) homogen zugemischt. Im Falle eines Vorpressens kann der Preßling auf die Sintertemperatur erhitzt und danach in die Matrize eingeführt werden. Der endverdichtete Preßling kann heiß aus der Matrize ausgestoßen und anschließend abgekühlt werden. Die Sintertemperatur liegt bei Kohlenstoffdotierung in der Nähe des oberen Bereichswertes. Das Heißpressen von Mo- und B4C-Pulvern erfolgt bei Temperaturen, bei denen beide Materialien verdichtet werden, aber noch keine schmelzflüssige Phase auftritt. Das Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die verhältnismäßig schnelle Ausführung des Heißpressens, bei welcher auch ein noch so geringer Anteil des Metallpulvers im Pulvergemisch als metallische Phase im Formkörper-Produkt erhalten bleibt und die B4C-Partikel einbettet.
- Es wurden Formkörper hergestellt: mit 5 Vol.- % Mo (entspricht 20 Gew -%) und 95 Vol.-% B4C ; mit 15 Vol.-% Mo und 85 Vol.-% B4C ; und mit 35 Vol.-% Mo (entspricht 80 Gew.-%) und 65 Vol.-% B4C.
- Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper zeigen im Anschliff deutlich die Trennung der eingebetteten B4C-Partikel (B4C dunkel, Mo hell} von dem umgebenden Mo-Bereich. Diese Unterschiede werden auch bei den Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop und einem Röntgenscan des gleichen Ausschnitts bestätigt. Mit der Röntgen-Feinstrukturanalyse läßt sich das metallische Mo in den Preßlingen nachweisen. Die eindeutige Trennung von B4C-haltigen Bereichen und Mo-haltigen Zwischenschichten mit Stärken bis herunter zu 3 µm wurde nachgewiesen.
- Im folgenden wird ein Durchführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
- Mittels einer semiisostatischen Heißpresse mit einer Druckkraft von ca. 80 kN wurden Preßlinge gesintert. Es wurden Formkörper hergestellt und getestet, die Mo-Anteile enthielten zwischen 5 Vol.-% und 35 Vol.-%. Dazu wurden die homogen gemischten Pulver aus Molybdän (37-140 µm) und Borkarbid (0,1-1 360 µm) in eine Graphit-Matrize eingefüllt. Mit von zwei Seiten beweglichen Stempeln wurden unter Druck von 10 und 30 MPa und bei Temperaturen von 1 850°-2 000 °C viereckige und runde Plättchen hergestellt.
- Die Aufheizgeschwindigkeiten betrugen zwischen 100 und 200° C/min. Die Haltezeiten lagen zwischen 10 und 20 min. Die Abkühlgeschwindigkeiten lagen im Bereich von 100-200° C/min.
- Das Preßverfahren ließ jedoch noch wesentlich höhere Abkühlgeschwindigkeiten zu.
- Die so entstandenen Formkörper wurden in einen Werkzeugaufnehmer eingespannt und in Stahlhalter einer Drehbank befestigt. Mit den Schneidplatten wurden verschiedene Stähle, auch Austenite, spanabhebend bearbeitet.
- Im optischen Vergleich mit einer mit TiN beschichteten Hartstoffschneidwendeplatte war die Verschleißfestigkeit der Formkörper mit 10 bzw. 15 Vol.-% Mo viel besser.
- Mit derselben Anordnung wurde AI203 bearbeitet, wobei sowohl großflächig abgetragen werden konnte, als auch Schnitte erzielt wurden. Außerdem ließen sich TaC- und TiN-Oberflächen abtragen.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit hoher Härte und hoher Zähigkeit aus gesintertem Borkarbid und einer Bindemetallphase für die Bearbeitung von Metallen, Hartmetallen, Keramiken und Gläsern, wobei das B4C, undotiert oder mit Kohlenstoff bis 2,0 Gew.% dotiert, in einem Volumen-Anteil von wenigstens 65 Vol.% im Formkörper enthalten ist und des Bindemetallphasen-Anteil dem Restvolumen des Formkörpers im Bereich von 5-35 Vol.% entspricht und in der Weise vorgegangen wird, daß
a) B4C-Partikel von Korngrößen im Bereich von 1 µm bis 1 650 µm mit metallischem Pulver aus Mo und/oder W oder deren Legierungen mit anderen Metallen, deren Schmelzpunkt oberhalb der unteren Sintertemperaturgrenze von 1 800 °C liegt, und deren Legierungspartner keine flüssigen boridischen oder carbidischen Verbindungen im Sinterbereich von 1 800 °C bis 1 950 °C bilden, in einer Korngröße im Bereich zwischen 35 µm und 100 µm homogen gemischt werden,
b) das Pulvergemisch in eine Graphit-Matrize eingefüllt wird,
c) das Pulvergemisch auf eine Temperatur im Bereich von 1 800 °C bis 2 000 °C erhitzt, bei einem Druck von 100 N/mm2 bis 300 N/mm2 und einer Preßdauer zwischen 5 und 20 Minuten oder durch Schlagverdichten unter Schutzgas-Atmosphäre endverdichtet wird,
d) danach mit einer Kühlrate zwischen 100°C/min. und 200°C/min. abgekühlt wird, wobei
e) die Dauer des Aufheizens und Abkühlens insgesamt die Dauer des Pressens nach Schritt c) nicht übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch aus Schritt a) 0,1 bis 2,0 Gew.-% aktivierter Kohlenstoff, bezogen auf das Produktgewicht, vor Schritt b) homogen zugemischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der endverdichtete Preßling heiß aus der Matrize ausgestoßen und anschließend abgekühlt wird.
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