EP0966550A1 - Hartmetall- oder cermet-sinterkörper und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
Hartmetall- oder cermet-sinterkörper und verfahren zu dessen herstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper, der aus mindestens einer WC enthaltenden Hartstoffphase und einer Binderphase sowie eingelagerten WC-Platelets besteht, der zumindest zeitweise durch eine direkte Mikrowelleneinstrahlung gesintert worden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Körpers, bei dem die zur Bildung der Phasen sowie Platelets notwendigen Stoffe jeweils in Pulverform vorgepresst und anschliessend in einem Mikrowellenfeld von 0,01 bis 10 W/cm<3> Energiedichte einem Reaktionssintern unterzogen werden.
Description
Beschreibung
Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper, bestehend aus mindestens einer WC enthaltenden Hartstoff- phase und einer Binderphase sowie eingelagerten WC-Platelets (plättchenförmige Verstärkungsmaterialien) .
Ein Hartmetall erbundkörper aus Hartstoffphasen, wie Wolfram- carbid und/oder Carbiden bzw. Nitriden der Elemente der IVa- oder Va-Gruppe des Periodensystemes , aus Verstärkungsmateria- lien und aus einer Bindemetallphase, wie Cobalt, Eisen oder Nickel ist aus der EP 0 448 572 Bl bekannt, der als Verstärkungsmaterialien entweder einkristallines plättchenförmiges Verstärkungsmaterial aus Boriden, Carbiden, Nitriden oder Car- bonitriden der Elemente der IVa- oder Vla-Gruppe des Periodensystemes oder Mischungen hiervon oder aus SiC, Si3N , Si2N20,
A1203, Zr0 , A1N und/oder BN bzw. einkristalline nadeiförmige
Verstärkungsmaterialien aus SiC, Si3N4, Si2N20, Al203, Zr02,
A1N und/oder BN aufweist. Der Anteil der Verstärkungsmaterialien beträgt 2 bis 40 Vol.%, vorzugsweise 10 bis 20 Vol.%.
Die US-A-3 647 401 beschreibt anisodimensionale Wolframcarbid- Platelets mit einer maximalen Dimension zwischen 0,1 bis 50 und einer größten Ausdehnung, die wenigsten dreimal so groß ist wie die kleinste Ausdehnung. Diese Platelets sind durch Cobalt gebunden, das in einer Menge von 1 bis 30 % bezogen auf das Gesamtkörpergewicht vorliegt. Der Körper hat eine Dichte von 95 % der theoretisch maximalen Dichte.
Die CH 522 038 beschreibt einen WC enthaltenden Sinterhartmetallkörper mit Wolframcarbidteilchen, deren mittlere Korngröße kleiner als 1 μm ist, wobei mindestens 60 % der Teilchen kleiner als 1 μm sind. Der Metallphasenanteil liegt zwischen 1 bis
30 % und setzt sich aus 8 bis 33 Gew.% Wolfram und 67 bis 62 Gew.% Cobalt zusammen. Die anisodimensionalen WC-Teilchen sollen mit ihren größten Flächen praktisch parallel zu einer Bezugslinie orientiert sein.
Schließlich beschreibt die WO 96/22399 einen mehrphasigen Sinterkörper, der eine erste Hartphase aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden oder Carbooxinitriden der Elemente der IVa-, Va- oder Vla-Metalle des Periodensystemes aufweist. Die zweite Phase besteht aus einer festen Lösung mit Korngrößen zwischen 0,01 bis 1 /im aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden und Carbooxinitriden von wenigsten zwei Elementen der IVa- bis Vla-Gruppe des Periodensystemes. Der Binder setzt sich aus Cobalt, Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän und Wolfram sowie Mischungen hiervon zusammen. Der Sinterkörper kann WC-Platelets aus Wolframcarbid mit einer Größe zwischen 0,1 und 0,4 p enthalten, die in-situ-gebildet werden sollen.
Seit der Erfindung und Herstellung der ersten WC-Co-Hartmetalle vor mehr als 70 Jahren gingen die Aktivitäten in den For- schungs- und Entwicklungslabors dahin, die Eigenschaften dieser Legierungen zu verbessern und für die wachsenden Einsatzfelder zu optimieren. Speziell im Bereich der spanenden Verarbeitung - ein Haupteinsatzgebiet für Hartmetalle - wurden im Zuge der Weiterentwicklung der zu bearbeitenden Werkstoffe immer wieder neue Hartmetallegierungen entwickelt, die nicht nur die Verschleißbeständigkeit, sondern gleichzeitig auch die Zähigkeit des Schneidkörpers erhöhten. Wichtige Etappen in dieser Entwicklungsgeschichte stellen die Beschichtung von Hartmetall- Substraten mit harten und verschleißbeständigen Schichten sowie in neuerer Zeit die Einführung von Feinst- und Ultrafeinstkornhartmetallen dar, bei welchen die gleichzeitige Steigerung von Härte und Biegefestigkeit mit abnehmender Carbidgröße möglich wird.
Besonders bei der Herstellung von Ultrafeinstkornlegierungen aus ultrafeinen und nanofeinen Ausgangspulvern wird aber auch
deutlich, daß die konventionellen Produktionsverfahren aufgrund der Probleme bei der Verarbeitung der Pulver und der Kornvergrößerung beim Sintern offensichtlich an Grenzen stoßen.
Hier stellt sich die Frage, in wie weit die konventionellen Herstellungsverfahren für die Weiterentwicklung von Hartmetallegierungen nicht ebenfalls neu- bzw. weiterentwickelt werden müssen, um neue Konzepte von Verbundschneidstoffen mit verbesserten Eigenschaften technisch und wirtschaftlich möglich zu machen. Hierzu bietet sich als eine neue Technik, die gänzlich neue Lösungswege anbietet, die Sinterung von Hartmetallen im Mikrowellenfeld an.
Mit der Bezeichnung Mikrowellen wird eine elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von ca. IO8 bis 1011 Hz (entsprechend einer Wellenlänge im Vakuum von rund 1 mm bis 1 m) beschrieben. Handelsübliche Mikrowellengeneratoren erzeugen eine monochromatische Strahlung, d.h. Wellen mit einer bestimmten Frequenz. Weit verbreitet sind Generatoren mit 2,45 • IO9 Hz, was einer Wellenlänge von 12 cm entspricht. Im Gegensatz dazu besitzt die thermische Strahlung (Plancksche Strahlung) eine sehr große Frequenzbandbreite und bei typischen Sinterprozessen hat sie ihr Energiemaximun bei einer Wellenlänge von 1 bis 2 μm. Materie, die einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird, kann sich infolge der Wechselwirkung mit dem Feld erwärmen und entzieht dabei dem Wellenfeld Energie. Da diese Wechselwirkung stark frequenzabhängig ist, erfolgt auch die Erwärmung von Materie im Mikrowellenfeld und durch thermische Strahlung aufgrund verschiedener Aufheizmechanismen.
Die meisten festen Stoffe haben in Infrarotwellenlängenbereich hinreichend stark Absorptionsbanden und lassen sich durch Wärmestrahlung, die an der Körperoberfläche absorbiert wird, erwärmen. Der Transport der Wärmeenergie ins Körperinnere erfolgt dabei in der Regel über die Wärmeleitung, woraus ein Temperaturgradient im Körper von innen nach außen resultiert.
Befindet sich in einem Sinterofen ein Haufwerk von Teilen (Sintercharge), das durch einen peripheren Heizleiter erwärmt wird, so bildet sich aus analogen Gründen wie bei einem Einzel- körper ein Temperaturgradient außerhalb der Sintercharge aus . Möchtet man eine gewissen Temperaturhomogenität innerhalb der Sintercharge gewährleisten, d.h. den Temperaturgradienten klein halten, so ist dadurch die Aufheizrate durch die thermische Trägheit der Charge und des Ofens nach oben begrenzt. Somit sind gewissen Mindestverweilzeiten bei entsprechenden Temperaturen vorgegeben.
Die Wechselwirkung von Materie mit einem Mikrowellenfeld erfolgt über die im Material vorhandenen elektrischen Dipole oder freien Ladungen. Die Skala der Absorptionseigenschaften von Stoffen für Mikrowellen reicht von transparent (Oxidkeramik, einige organische Polymere), über teildurchlässig (Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik, gefüllte Polymere, Halbleiter) bis reflektierend (Metalle). Des weiteren ist das Verhalten eines Materials im Mikrowellenfeld von der Mikrowellenfrequenz und in hohem Maße von der Temperatur abhängig: Material, das bei Zimmertemperatur mikrowellentransparent ist, kann bei erhöhtem Temperaturen stark absorbieren oder reflektieren. Für die meisten Stoffe ist die Eindringtiefe der Mikrowellen wesentlich größer als die für Infrarotstrahlung, was in Abhängigkeit von der Probengröße zur Folge hat, daß das Material - im Gegensatz zur "Skin-Heizung" bei Infrarotstrahlung - mit Mikrowellen im Volumen aufgeheizt werden kann. Die Eindringtiefe von Mikrowellen der Frequenz 2,45 GHz bei einer Temperatur von 20°C (berechnet aus der Messung der Dielektrizitätskonstanten) ist bei verschiedenen Stoffen unterschiedlich groß und besitzt folgende Werte: 1,7 μm für Aluminium, 2,5 μm für Cobalt
(als Beispiel für Metalle), 4,7 μm für WC und 8,2 μm für TiC (als Beispiel für massive Halbleiter), 10 m für A1203 und
1,3 cm für H 0 (als Beispiel für Isolatoren) und 7,5 cm für WC mit 6 M% Co, 31 cm für A1203 mit 10 M% AI und 36 cm für A1203 mit 30 M% TiC (als Beispiel für Pulvermetallgrünlinge).
Das Sintern von keramischen Werkstoffen, wie Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder einer Mischkeramik im Mikrowellenfeld ist seit mehr als 10 Jahren bekannt. Doch seit Beginn der weltweiten Aktivitäten auf dem Gebiet der Mikrowellensinterüng herrscht die Meinung vor, daß diese Technologie für die Sinterung von Werkstoffen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Hartmetalle, nicht anwendbar sei. Diese Auffassung basierte auf der Tatsache, daß massive, metallische Körper praktisch nicht zu erwärmen sind, da sie aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit Mikrowellen gut reflektieren und nur eine wenige Mikrometer dicke Oberflächenschicht durch Wirbel- ströme erwärmt werden kann, überraschenderweise ergab sich jedoch, daß das Dissipationsverhalten pulvermetallurgisch hergestellter metallisch-keramischer Preßkörper im Mikrowellenfeld nicht nur von der elektrischen Leitfähigkeit der beteiligten Phasen, sondern in hohem Maße von der MikroStruktur abhängt und eine effektive Erwärmung metallischer Pulver sehr wohl möglich ist. Bei einer ausreichend feinen Zerteilung der metallischen Phasen in einem Gemisch mit Nicht- oder Halbleiterpulvern (wie z.B. WC-Co-Pulverpreßkörpern) ergibt sich eine äußerst effektive Heizung, die mikroskopisch gesehen auf "Ohmschen Verlusten" zwischen den Körnern und hochfrequenten Wirbelströmen am Einzelkorn basiert. Aus den vorstehend zitierten Eindringtiefen ist das unterschiedliche Verhalten von massiven Körpern und pulvermetallurgischen Preßkörpern im Mikrowellenfeld deutlich zu erkennen. Genauere Untersuchungen zeigen, daß die Eindringtiefe der Mikrowellen in Metall- bzw. Halbleiter-Preßkörpern auch von der Mikrowellenfeldstärke abhängt und bei höheren Leistungsdichten deutlich geringer wird. Diese Phänomen wird zurückgeführt auf die Abschirmung der Probe durch elektrisch leitfähige Plasmen, die im Randbereich der porösen Preßkörper nach Erreichen der elektrischen Durchschlagsfestigkeit in den Poren gezündet werden.
Unter Beachtung der Besonderheiten der Wechselwirkung von Mikrowellen mit den eingesetzten pulvermetallurgischen Grünlin-
gen lassen sich Hartmetalle mittels Mikrowellenstrahlung bis zur theoretischen Enddichte sintern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Mikrowellenofens,
Fig. 2 die Thermofravimetrie, die Dilatometrie und die dynamische Differenzkalometrie bei einer Reaktionssinterung in Abhängigkeit von der Temperatur,
Fig. 3 REM-Aufnähme eines Gefüges von reaktionsgesinterten WC-6Co-Hartmetallen aus 2,4 μm W-Pulver, das mit und ohne VC durch Mikrowellensintern (Abb. a, c) und durch konventionelles Sintern (Abb. b, d) hergestellt worden ist,
Fig. 4 entsprechende REM-Aufnähme wie zu Fig. 3 mit der Maßgabe, daß 0,4 μm W-Pulver verwendet worden ist,
Fig. 5 eine REM-Aufnähme eines erfindungsgemäßen Hartmetallkörpers
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines dafür geeigneten Ofens. Die Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz wird von einem Magnetron erzeugt und in das metallische Resonatorgehäuse geführt. Innerhalb des Resonators befindet sich die Hartmetall- Sintercharge, die mit einer mikrowellentransparenten, thermischen Isolierung umgeben ist. Bei entsprechender Auslegung des Resonators befindet sich die Charge in einem homogenen Magnetfeld und wird homogen erwärmt. Die Messung der Chargentemperatur sowie der eingekoppelten Mikrowellenleistung dienen zur Regelung des Mikrowellensinterprozesses mit einem Mikroprozessor. Vergleiche der Sinterprofile einer Mikrowellensinterung zu einer konventionellen Sinterung in vergleichbar großen Öfen haben ergeben, daß der Sinterzyklus (ohne die Abkühlphase)
zeitlich um einen Faktor 3 bei der Mikrowellensinterung verkürzt werden kann. Der Verbrauch an elektrischer Energie bei der Mikrowellensintertechnologie beträgt hier durch die Prozeßzeitreduzierung und die durch die geringere Heizleistung während des Sinterns nur noch einen Bruchteil der Werte für die konventionelle Sintertechnologie. Mit einer Mikrowellensinte- rung lassen sich Hartmetalle und auch Cermets mit hohem Bindemetallgehalt (von z.B. 25 Massen%) wie auch mit niedrigem Bindemetallgehalt (von beispielsweise 4 Massen%) bei Temperaturen, die 50 bis 100 K unter denen bei der konventionellen Sinterung liegen, drucklos dicht sintern. Der Vergleich mit einer konventionellen Sinterung zeigt, daß der Hauptteil der Verdichtung beim Mikrowellensintern bei wesentlich tieferen Temperaturen noch unterhalb der Eutektikumstemperatur stattfindet. Das verbesserte Verdichtungsverhalten zeigt sich auch in dem gleichzeitigen Abbau der offenen und geschlossenen Porosität beim Mikrowellensintern. Aufgrund der kürzeren Sinterzeiten und niedrigeren Sintertemperaturen zeigen die mikrowellengesinterten Hartmetalle ein feineres Gefüge und damit eine Härtesteigerung bis zu 10 %. Im Einsatz als Schneidwerkzeug beim Drehen von Gußeisen zeigte die mikrowellengesinterte Variante Vorteile beim Freiflachenverschleißverhalten . Das Mikrowellensintern von Cermets, Hartmetallen und pulvermetallurgischen Stählen wird beispielsweise in der WO 96/33830 beschrieben, worauf hiermit ergänzend verwiesen wird.
Ein weiterer Schritt in Richtung der Optimierung von Fertigungsverfahren und einer weiteren Kornverfeinerung stellt das Reaktionssintern von Hartmetallen dar. So kann beispielsweise Wolframpulver nicht mehr in einem getrennten Verfahrensschritt carburiert werden, sondern dadurch, daß das Carburieren in den Sinterprozeß integriert wird. Die Preßkörper werden auf dem üblichen Weg der Formgebung hergestellt, indem anstelle der Wolframcarbid-Cobalt-Pulvermischung von einer Mischung von Wolfram-, Kohlenstoff- und Cobaltpulver ausgegangen wird. Die exotherme Carburierungsreaktion des Wolframs und des Kohlenstoffes zu Wolframcarbid, mit einer Wärmetönung von 38 kJ/ ol ,
findet nach der Binderaustreibung des Preßkörpers bei einer Temperatur von rund 930° C statt. Die entstehende Reaktionswärme trägt zur zusätzlichen Aufheizung im Volumen des Preßkörpers bei und ermöglicht eine Verkürzung des Sinterprozesses. In Fig. 2 ist die Thermogravimetrie (TG, DTG), die Dilatometrie (DIL, DDIL) und die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) einer Reaktionssinterung eines WC-6 M% Co-Hartmetalles für Temperaturen ab 500° C dargestellt. Am DSC-Signal ist ab 750"C die endotherme Reduktion der im Wolframpulver vorhandenen Oxide zu erkennen, die mit der entsprechenden Massenabnahme in der Thermogravimetrie und einer ersten Schrumpfungsstufe der Probe im Dilatometersignal korrespondiert. Bei rund 930° C erkennt man am exothermen Ausschlag des DSC-Signales die Carburierung des Wolframs, verbunden mit einer weiteren Schrumpfung der Probe. Bei 1290° C bildet sich die flüssige Phase, zu diesem Zeitpunkt ist die Schrumpfung der Probe schon fast abgeschlossen.
Aufgrund des entfallenden separaten Carburierungsschrittes und der damit verkürzten thermischen Behandlung weisen die Gefüge von reaktionsgesinterten Hartmetallen eine deutlich feinere MikroStruktur auf als konventionell gesinterte Materialien.
Wird die Reaktionssinterung unter Einsatz von Mikrowellenstrahlung ausgeführt (MWRS), ist zum einen eine weitere Verfeinerung des Gefüges möglich, zum anderen kann die Restporosität gegenüber der konventionellen Reaktionssinterung (RS) deutlich erniedrigt werden. Beim Einsatz gleicher Wolframpulver vom konventionellen Sinterprozeß zum Mikrowellensinterprozeß, zum konventionellen Reaktionssintern und schließlich zur Mikrowellenreaktionssinterung ist eine fortgesetzte Reduzierung der WC-Korngrößen und damit verbunden eine Steigerung der Härte möglich. Die Vickers-Härte (HV30) betrug nach dem konventionellen Sintern 1560, nach dem Mikrowellensintern 1630, nach dem konventionellen Reaktionssintern 1720 und nach dem Mikrowellenreaktionssintern 1770.
Neben den erwähnten materialspezifischen Vorteilen des Reakti- onssinterns, insbesondere des Mikrowellen-Reaktionssinterns, bietet dieses Verfahren ein großes Potential zur Vereinfachung und Verkürzung des Prozeßablaufes sowie zur Energieeinsparung bei der Herstellung von Hartmetallen. Außer der bei hohen Temperaturen ablaufenden Carburierung fallen auch vor- und nachgeschaltete Prozeßschritte, wie das Mischen, Brechen, Zerkleinern usw. fort. Auch hierdurch kann ein Prozeßzeitgewinn erreicht werden .
Die Herstellung eines Cermets oder Hartmetalles nach einem solchen Verfahren wird in der deutschen Patentanmeldung 196 01 234.1 beschrieben.
Um die Auswirkungen der Primär-Wolframteilchengröße und die Zugabe von VC als Kornwachstumsinhibitor beim Reaktionssintern zu prüfen, wurden WC-6 M% Co-Hartmetalle mit unterschiedlich feinen Wolframpulvern mittels konventioneller (RS) und Mikrowellenheizung (MWRS) hergestellt. Die eingesetzten Wolframpul- ver hatten eine mittlere Korngröße von 0,4 μm, 1 μm und 2,4 μm (jeweils FSSS) bei Dotierungen von 0,2 M% VC oder fehlendem VC. Als Cobaltpulver kam jeweils eine Qualität mit einem FSSS-Wert von 1,6 μm zum Einsatz. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurden unabhängig von der Feinheit der Wolframpulver alle RS-Proben bei einer Temperatur von 1430° C konventionell (30 Minuten) und alle MWRS-Proben bei 1400° C mittels Mikrowelle (20 Minuten) bis auf eine Restporosität kleiner als A08, B04 (ISO) dicht gesintert. Anschließend wurde das Gefüge elektronenmikroskopisch untersucht sowie die Härte, magnetische Sättigung und Koerzi- tivfeidstärke bestimmt. Fig. 3 und 4 zeigen die Gefügebilder der Hartmetalle aus den Wolframpulvern mit den Teilchengrößen von 2,4 μm und 0,4 μm für jeweils beide Sintermethoden und VC Gehalte. Bei allen eingesetzten Wolfram-Teilchengrößen ist das Gefüge der Proben aus der Mikrowellen-Reaktionssinterung stets am feinsten. Der Einfluß des VC-Gehaltes auf das Gefüge ist bei den feinen Wolframpulvern offensichtlich am deutlichsten. Bei den Legierungen ohne VC haben die WC-Kristalle,
insbesondere bei den RS-Proben, während der Sinterphase in Abwesenheit von VC offenbar genügend Zeit auszuwachsen.
Bemerkenswert ist das zu beobachtende anisotrope Korhwachstum, das typisch für die Bedingungen beim Reaktionssintern ist. Wird in entsprechenden Sinterstadien den WC-Keimen Gelegenheit zum Kornwachstum gegeben, so kann man, wie in Fig. 7 dargestellt, mit konventionell erhältlichen W-Pulvern die in-situ-Erzeugung von WC-Platelets beim Reaktionssintern steuern. Scheibchenför- mige WC-Kristalle mit einem Aspektverhältnis (Durchmesser zur Dicke) bis zu 10 sind somit erzeugbar. WC-Platelets in Hartmetallen erhöhen aufgrund der anisotropen Härteeigenschaften von WC-Kristallen bekanntermaßen sowohl die Härte als auch die Bruchzähigkeit des Verbundwerkstoffes. Bisher beschriebene Verfahren zur Erzeugung solcher Platelets gehen meist von nanokristallinen WC-Pulvern aus und fügen diese Platelets dann bei der Mischungsherstellung dem Hartmetall zu.
Mit dem Mikrowellen-Reaktionssinterverfahren lassen sich somit dichte Verbundkörper herstellen, in denen in einer ultrafeinen Hartmetall-Matrix mit einer hohen Härte und Festigkeit in-situ erzeugte WC Platelets eingebettet sind. Diese Platelets dienen als eine mechanische Verstärkung des Hartmetalls und erhöhen bekanntermaßen Verschleißfestigkeit und Schlagzähigkeit beim Einsatz dieses Verbundkörpers als Schneidstoff zur spanenden Bearbeitung.
Zusammenfassend läßt sich die vorliegende Erfindung folgendermaßen charakterisieren:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichzeitige Steigerung von Härte und Zähigkeit bei Hartmetall- oder Cemert- Sinterkörpern der eingangs genannten Art herbeizuführen.
Diese Aufgabe wird durch den Hartmetall- oder Cermet- Sinterkörper nach Anspruch 1 gelöst, vorzugsweise Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Herstellung eines solchen Sinterkörpers das Verfahren nach Anspruch 4 verwendet.
Ansprüche 5 bis 8 beschreiben Weiterbildungen dieses Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei keineswegs auf eine möglichst unimodale Ausgangskorngrößenverteilung beschränkt, vielmehr kann auch mit Pulvern mit einer breiten oder bimodalen Größenverteilung gearbeitet werden.
Das Sintern von Hartmetallen und Cermets im Mikrowellenfeld ermöglicht aufgrund der geschilderten Aufheizmechanismen und der dadurch erreichbaren kürzeren Sinterzeiten und niedrigen Sintertemperaturen eine Verfeinerung des Gefüges gegenüber der konventionellen Sintertechnik. Darüber hinaus führt das Mikrowellenreaktionssintern mit Mischungen aus metallischen Wolframpulvern, Kohlenstoff und Cobalt zu feineren Gefügen als der konventionellen Herstellung mit WC-Co als Ausgangsmaterial.
Bezüglich der Stoffzusammensetzung der Hartmetalle und Cermets sind alle Stoffe angesprochen, die freies WC im Gefüge haben. Das Reaktionssintern von Pulvern, die sowohl Wolfram als auch Kohlenstoff enthalten, aber auch in der Ausgangsmischung WC enthalten können, kann vollständig oder auch als partielles Reaktionssintern durchgeführt werden, wobei die Partialanteile des Reaktionssinterns zwischen 1 % und 100 % (bezogen auf den kompletten Sinterprozeß) betragen. Je nach dem Anteil des Mikrowellen-Reaktionssinterns an dem gesamten Mikrowellen-Sinterprozeß, kann das Kornwachstum im Sinterkörper gesteuert werden.
Steuerbar ist ebenso das WC-Platelet-Wachstum über den Partialanteil des Reaktionssinterns, wodurch die Plateletkonzen- tration im Sinterkörper steuerbar ist. Der Volumenanteil der WC-Platelets am Gesamtsinterkörpervolumen beträgt vorzugsweise
bis zu 25 Vol %. Insbesondere soll der Plateletanteil, gemessen als Flächenanteil eines metallographischen Schliffs max. 20 % betragen, wobei alle WC-Kristalle mit einem Längen/Breiten-Verhältnis, dem sogenannten Aspekt-Verhältnis von größer als 3 gezählt werden. Das maximale Aspekt-Verhältnis beträgt vorzugsweise max. 10 + 1. Ebenso kann je nach Feinheit des Wolframpul- vers in der Ausgangsmischung die Geschwindigkeit des Wachstums gesteuert werden. Weitere Steuerungsmöglichkeiten ergeben sich durch Zusätze von Kornwachstumsinhibitoren, wie insbesondere VC, vorzugsweise in der Größe von 0,2 Massen%, die das Plateletwachstum auf Kosten des Riesenkornwachstums fördern. Weitere Steuerungsmöglichkeiten lassen sich prozeßtechnisch über die Temperatur-Haltezeiten und die Temperaturhöhe beim Sintern erreichen.
Der Vorteil des Mikrowellenreaktionssinterns besteht darin, daß eine homogenere Gefügestruktur, eine bessere Verdichtung, d.h. eine kleinere Restporosität ebenso erreicht werden wie kürzere Sinterzeiten und niedrigere Sintertemperaturen. Hierdurch ergeben sich geringere Fertigungskosten.
Hinsichtlich der Materialzusammensetzung sowie der Prozeßführung wird auf die eingangs genannten Druckschriften einschließlich der deutschen Patentanmeldung 196 01 234.1 verwiesen.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel sind 0,4 μm W-Pulver, 0,2 % Zusatz an VC, 6 % Co-Pulver einer Korngröße von 1,6 μm sowie eine stöchiometrische Zugabe von Kohlenstoff in Form von Ruß gemischt und unter Zugabe von Azeton 36 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen worden, bevor anschließend 2 % Wachs als Preßhilfsmittel hinzugefügt, abdestilliert und granuliert worden sind.
Das Granulat wurde mittels Matritzenpressen zu Grünkörpern verpreßt und im Mikrowellensinterofen mit 500°C/Stunde bis 900°C aufgeheizt und dann mit dem Einsetzen der Carburierungsreaktion
innerhalb von 10 min mittels Mikrowellen auf die Sintertemperatur von 1350° C erwärmt. Nach einer Wartezeit von 20 min wird die Probe durch Ausschalten der Mikrowellenheizung abgekühlt.
Claims
1. Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper, bestehend aus mindestens einer WC enthaltenden Hartstoffphase und einer Binderphase sowie eingelagerten WC-Platelets (plättchenförmige Verstärkungsmaterialien), der zumindest zeitweise durch eine direkte Mikrowellenstrahlung gesintert worden ist.
2. Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 12 %, vorzugsweise 8 % VC und/oder Cr3C bezogen auf die Binderphase enthält.
3. Hartmetall- oder Cermet-Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die WC-Platelets einen Durchmesser/Dicken-Verhältnis von >3, vorzugsweise >5 besitzen und/oder daß der Anteil der WC-Platelets - bezogen auf das Gesamtvolumen < 25 Vol % ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetall- oder Cermet- Sinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildung der Hartphase(n) notwendigen Metalle, der Kohlenstoff und die zur Bildung der WC-Platelets notwendigen Wolfram- und Kohlenstoffanteile sowie ggf. weitere Metalle, Metallcarbide und -nitride und/oder feste StickstoffVerbindungen als Lieferanten für Kohlenstoff und/oder Stickstoff zumindest zum Teil jeweils in Pulverform zu einem Formkörper vorgepreßt und anschließend zumindest zeitweise in einem Mikrowellenfeld von 0,01 bis 10 W/cm3 Energiedichte einem Reaktionssintern unterzogen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffanteil, der durch Reaktionssinterung, insbesondere WC, entstanden ist, zwischen 1 % und 100 % liegt, wobei
die verbleibenden Anteile in der chemischen Form zugegeben worden sind, in der sie später im fertigen Sinterkörper vorliegen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß WC-Platelets und auch Wolfram sowie Kohlenstoff in der Ausgangsmischung (vor dem Sintern) vorliegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß das Wachstum der WC-Platelets über den Anteil des Mikrowellenreaktionssinterns an dem gesamten Mikrowellensinterprozeß gesteuert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsmischung Kornwachstumsin- hibitoren, vorzugsweise bis zu 12 %, weiterhin vorzugsweise bis zu 8 % VC und/oder Cr3C2 zugegeben werden.
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