HARTMETALLKÖRPER MIT ZÄHEM OBERFLÄCHENBEREICH

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, hergestellt durch Sintern bei Unterdruck, gebildet aus Karbiden, alternativ aus Karbiden mit Nitriden und/oder Karbonitriden und einem Bindemetall bzw. Matrixmetall mit zumindest Teilen des Oberflächenbereiches, welche eine erhöhte Materialzähigkeit aufweisen, insbesondere Wendeschneidplatte für eine spanabhebende Bearbeitung von Stahl.

[0002] Bei einem Sintern eines Grünlings unter Bildung eines Hartmetallgegenstandes werden im Wesentlichen die Körner von Hartstoffpulvern durch Bindemetall gefügt.

[0003] Als Werkstoff für das Bindemetall, welches üblicherweise mit einem Anteil von bis zu 30 Gew.-% im Hartmetall vorliegt, können prinzipiell alle höher schmelzenden Metalle und Legierungen eingesetzt werden. In der Regel wird jedoch Kobalt verwendet, weil sich Kobalt als Bindemetall besonders gut als Verbindungselement von Karbiden, Nitriden und dgl. Hartstoffpartikeln eignet.

[0004] Geringe Bindemetallanteile führen zu einer äußerst ausgeprägten Sprödigkeit des Werkstoffes mit höchster Härte. Steigende Anteile an Bindemetall erniedrigen zwar die Härte des Hartmetalls, fördern jedoch dessen Zähigkeit. Je nach Verwendung des Hartmetallkörpers werden Bindemetall- bzw. Kobaltanteile von 2 bis 30 Gew.-% verwendet und derart den Zähigkeitsforderungen an den Werkstoff Hartmetall entsprochen.

[0005] Wie oben dargelegt, fördern geringe Kobaltgehalte im Hartmetall die Sprödigkeit und einen Rissfortschritt im Teil. Bei hoher Sprödigkeit wirken geringe Inhomogenitäten im Material insbesondere an der Oberfläche rissinduzierend und führen zu Materialtrennungen des Hartmetallkörpers.

[0006] Insbesondere bei einer Herstellung von Wendeschneidplatten ist es üblich geworden, den Oberflächenbereich des Teiles mit Bindemetall anzureichern, sodass derart zwar die Härte des Bereiches geringer ist, die Zähigkeit des Werkstoffes jedoch erhöht und sowohl die Rissinitiation als auch der Rissfortschritt minimiert sind.

[0007] Eine Anreicherung von Kobalt im oberflächennahen Bereich eines Hartmetallkörpers wird bei einem Sintern im Vakuum erreicht, weil Stickstoff aus Nitriden und auch Kohlenstoff aus Karbiden im Vakuum bei Sintertemperatur Reaktionen zeigen und somit das Kobalt zur Oberfläche hin eine Anteilszunahme erfährt.

[0008] Diese durchaus gewünschte Anreicherung des Kobaltgehaltes im Oberflächenbereich eines Hartmetallgegenstandes hat jedoch den Nachteil, dass der Prozess zeitaufwendig ist, also lange Sinterzeiten im Vakuum und/oder insbesondere mehrmaliges Sintern im Vakuum erfordert. Weiter ist der Gradient des Kobaltgehalts im Oberflächenbereich oftmals schwierig in einem gewünschten Ausmaß einstellbar. Es kann zu einem steilen Anstieg zur Oberfläche in einem engen Bereich kommen, was wiederum eine Rissinitiation und/oder Rissfortschritt fördert.

[0009] Dokument DE19752289C1 weist einen Hartmetallkörper auf, der WC, TiCN, TiC, TaNbC und Co Bindemetall enthält. An der Oberfläche ist der gesinterte Hartkörper Bindemetallangereicht.

[0010] Dokument US3971656A zeigt einen Hartmetallkörper mit Fe/Co Bindemetall mit 8 Gew.-% Co und 3 Gew.-% Fe als Bindemetall.

[0011] Hier will die Erfindung die Nachteile im Stand der Technik beseitigen und setzt sich zum Ziel, einen Hartmetallkörper zu schaffen, der bei einem für Sintern zur Verbindung der Hartstoffpartikel mit Bindemetall erforderlichen Zeit gleichzeitig eine gewünschte Dicke der mit Bindemetall angereicherten Oberflächenzone aufweist, wobei die Anreicherung in dieser verlaufend ausgeformt ist.

[0012] Dieses Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Gegenstand dadurch erreicht, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall einen Eisenanteil aufweist, welcher weniger als 45 Gew.-% beträgt.

[0013] Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass schon durch ein Sintern bei üblicher Sintertemperatur und bei erforderlicher Sinterzeit ein Hartmetallkörper mit einer Oberflächenzone mit einem höheren Bindemetallanteil bzw. mit erniedrigtem Hartstoffpartikelanteil herstellbar ist, wodurch eine Sprödrissbildung bzw. Rissausbreitung insbesondere bei Schneidplatten im unterbrochenen Schnitt wesentlich verringert ist. Der Anstieg des Bindemetallanteils verläuft im Wesentlichen im gesamten Bereich kontinuierlich, wobei eine Ausdehnung bzw. Dicke der Zone und ein Ausmaß der Bindemetallanreicherung vom Eisengehalt in diesem abhängt bzw. mit der Eisenkonzentration einstellbar ist. Eine ausreichende wissenschaftliche Erklärung für diese gewünscht einstellbare Oberflächenausbildung durch einen Eisenanteil im Bindemetall kann derzeit noch nicht erfolgen; es kann jedoch angenommen werden, dass Eisen als Katalysator für Diffusionsvorgänge bzw. die Transportvorgänge für Atome hoch wirksam ist.

[0014] Der Eisenanteil im Bindemetall weist einen Gehalt von größer als 5 Gew.-%, jedoch kleiner als 45 Gew.-%, vorzugsweise von größer als 10 Gew.-%, jedoch kleiner als 38 Gew.-%, auf. Es können derart alle üblichen Hartmetallarten mit einer gewünschten die Rissinitiation verringernden Oberflächenzone des Körpers, insbesondere der Schneidplättchen, hergestellt werden. Eisenanteile von gleich/kleiner 5 Gew.-% bewirken einen ungünstig langsamen Aufbau der Anreicherung an Bindemetall unter der Oberfläche und können zu wenig wirtschaftlichen Herstellverfahren führen. Eisenkonzentrationen von größer 45 Gew.-% verringern die Härte des Teiles im Oberflächenbereich schon bei kürzest möglichem Sintern rasch und verschlechtern einen Korrosionswiderstand.

[0015] Wenn der Anteil an Bindemetall 4 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 12 Gew.-% beträgt und mit einer Legierung aus Eisen und Kobalt gebildet ist, können Hartmetallkörper mit einem besonders günstigen Eigenschaftsprofil, insbesondere die Verschleißfestigkeit und die Zähigkeit betreffend, geschaffen werden. Bindemetallanteile von unter 4 Gew.-% steigern die Härte des Hartmetalls, führen jedoch zu einer Versprödung desselben und derart auch mit einem Konzentrationsanstieg zur Oberfläche hin zu einer hohen Trennbruchneigung des Körpers bzw. Teiles. Durch höhere Bindemetallgehalte als 15 Gew.-% werden die Härte und Verschleißfestigkeit derart verringert, dass beispielsweise Wendeschneidplatten keine ausreichende Schneidhaltigkeit aufweisen.

[0016] Wenn, wie weiters nach der Erfindung vorgesehen ist, der Bindemetallanteil an der Oberfläche des Bereiches mit erhöhter Zähigkeit in Vol.-% mindestens 1,2 mal, vorzugsweise mindestens 1,5 mal, den Bindemetallanteil im Hartmetallkörper beträgt, so sind auch für Werkzeuge, die mit unterbrochener Spanabnahme arbeiten, also stoßweise hochbelastet sind, eine Rissinitiation, eine Rissausbreitung und eine Bruchgefahr wesentlich vermindert.

[0017] Untersuchungen haben ergeben, dass mit Vorteil die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit größer als 5 µm, jedoch kleiner als 50 µm, vorzugsweise größer als 10 µm, jedoch kleiner als 25 µm, beträgt.

[0018] Unterschreitet die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhtem Bindemetallanteil und erhöhter Zähigkeit des Hartmetallkörpers 5 µm, so ist eine wirkungsvolle Rissvermeidung in den Werkstoff hinein nicht in ausreichendem Maße gegeben. Überschreitet der Bereich erhöhter Zähigkeit jedoch 25 µm, so kann deren Härte nicht ausreichend sein, sodass plastische Materialverformungen entstehen können.

[0019] Eine Steigerung der Verschleißfestigkeit des Hartmetallkörpers kann erreicht werden, wenn dieser eine Beschichtung trägt.

[0020] Anhand von Versuchsergebnissen mit Gefügebildern (Fig. 1), die lediglich einen Ausführungsweg der Erfindung darstellen, soll diese näher erläutert werden.

[0021] Aus Hartstoffpulver mit Gehalten an:

84 Gew.-% Wolframkarbid (WC)

3 Gew.-% Titannitrid (TiN)

5 Gew.-% Tantal-Niob-Karbid ((TaNb)C)

und jeweils 8 Gew.-% Bindemetall

wurden sogenannte Grünlinge gefertigt und diese in Vakuum bei einer maximalen Temperatur (Tmax) von 1410°C mit einer Haltezeit auf Temperatur von einer Stunde gesintert. Als Bindemetall kam in den Versuchreihen Kobalt (Co) 100 Gew.-%, Nickel (Ni) 100 Gew.-%, Kobalt (Co) 70 Gew.-% und Eisen (Fe) 30 Gew.-% (Co 70 - Fe 30), Kobalt (Co) 50 Gew.-%, Eisen (Fe) 50 Gew.-% (Co 50 - Fe 50) zum Einsatz.

[0022] An jedem Sinterkörper wurde mittels Mikroschliffs die Dicke (D) des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit bzw. mit erhöhtem Bindemetallanteil durch eine Gefügeuntersuchung bestimmt.

[0023] Aus der nachfolgenden Tabelle und aus Fig. 1 sind die Ergebnisse ersichtlich.

Versuchsreihe	Bindemetall Bezeichnung in Fig. 1	Dicke D des Bereiches mit hoher Materialzähigkeit
1	Co	11 µm
2	Ni	13 µm
3	Co 70 - Fe 30	17 µm
4	Co 50 - Fe 50	22 µm

[0024] Bei sonst gleicher Zusammensetzung des Hartmetallkörpers und bei gleichen Sinterbedingungen ist, wie die Ergebnisse aus der Tabelle und der Fig. 1 zeigen, eine Einstellung der Dicke D des Bereiches mit erhöhter Materialzähigkeit durch den Eisenanteil im Bindemetall möglich.

Ansprüche

1. Hartmetallkörper hergestellt durch Sintern bei Unterdruck, gebildet aus Karbiden mit Nitriden und/oder Karbonitriden und einem Bindemetall bzw. Matrixmetall mit zumindest Teilen des Oberflächenbereiches, welche eine erhöhte Materialzähigkeit aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemetall bzw. Matrixmetall aus einer Legierung von Kobalt und Eisen besteht und ein Anteil an Bindemetall 4 bis 15 Gew.-% beträgt, wobei ein Eisenanteil im Bindemetall mehr als 5 Gew.-% und weniger als 45 Gew.-% beträgt und wobei der Bindemetallanteil an der Oberfläche des Bereiches mit erhöhter Zähigkeit in Vol.-% mindestens 1,2 mal den Bindemetallanteil im Hartmetallkörper beträgt.

2. Hartmetallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenanteil im Bindemetall einen Gehalt von größer als 10 Gew.-%, jedoch kleiner als 38 Gew.-% aufweist.

3. Hartmetallkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Bindemetall 6 bis 12 Gew.-% beträgt.

4. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bindemetallanteil an der Oberfläche des Bereiches mit erhöhter Zähigkeit in Vol.-% mindestens 1,5 mal den Bindemetallanteil im Hartmetallkörper beträgt.

5. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Oberflächenbereiches mit erhöhter Materialzähigkeit größer als 5 µm, jedoch kleiner als 50 µm, vorzugsweise größer als 10 µm, jedoch kleiner als 25 µm, beträgt.

6. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Beschichtung trägt.

7. Hartmetallkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper eine Wendeschneidplatte für eine spanabhebende Bearbeitung von Stahl ist.

Claims

1. A hard metal body manufactured by means of vacuum sintering and composed of carbides with nitrides and/or carbonitrides and a metallic binder or matrix metal, wherein at least parts of the surface area have an increased material toughness, characterized in that the metallic binder or matrix metal consists of cobalt and iron and a metallic binder content lies between 4 and 15 wt.%, wherein an iron content in the metallic binder amounts to more than 5 wt.% and less than 45 wt.%, and wherein the metallic binder content on the surface of the area with increased toughness amounts in terms of vol.% to at least 1.2-times the metallic binder content in the hard metal body.

2. The hard metal body according to claim 1, characterized in that the iron content in the metallic binder is higher than 10 wt.%, but lower than 38 wt.%.

3. The hard metal body according to claim 1 or 2, characterized in that the metallic binder content lies between 6 and 12 wt.%.

4. The hard metal body according to one of claims 1 to 3, characterized in that the metallic binder content on the surface of the area with increased toughness amounts in terms of vol.% to at least 1.5-times the metallic binder content in the hard metal body.

5. The hard metal body according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the surface area with increased material toughness is greater than 5 µm, but smaller than 50 µm, preferably greater than 10 µm, but smaller than 25 µm.

6. The hard metal body according to one of claims 1 to 5, characterized in that it carries a coating.

7. The hard metal body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the hard metal body is an indexable insert for machining steel.

Revendications

1. Corps en métal dur fabriqué par frittage sous dépression, constitué de carbures contenant des nitrures et/ou nitrures de carbone et un métal liant ou métal matriciel et comportant au moins des parties de la zone surfacique qui présentent une ductilité accrue de matériau, caractérisé en ce que le métal liant ou le métal matriciel est composé d'un alliage de cobalt et de fer et qu'une teneur en métal liant représente 4 à 15 % en poids, une teneur en fer du métal liant s'élevant à plus de 5 % en poids et moins de 45 % en poids et la teneur en métal liant à la surface de la zone à ductilité accrue représentant en pourcentage du volume au moins 1,2 fois la teneur en métal liant du corps en métal dur.

2. Corps en métal dur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en fer du métal liant est supérieure à 10 % en poids mais inférieure à 38 % en poids.

3. Corps en métal dur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la teneur en métal liant est de 6 à 12 % en poids.

4. Corps en métal dur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en métal liant à la surface de la zone à ductilité accrue représente en pourcentage du volume au moins 1,5 fois la teneur en métal liant du corps en métal dur.

5. Corps en métal dur selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la zone surfacique ayant une ductilité de matériau accrue est supérieur à 5 µm, mais inférieure à 50 µm, de préférence supérieure à 10 µm, mais inférieure à 25 µm.

6. Corps en métal dur selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que celui-ci porte un revêtement.

7. Corps en métal dur selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le corps en métal dur est une plaque de coupe inversable pour l'usinage d'acier par enlèvement de copeaux.

Zeichnung