DE3721259A1 - Verfahren zur herstellung homogener metallcarbid-suspensionen in metallschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung homogener Metallcarbid-Suspensionen in Metallschmelzen, insbesondere als Vorstufe zur Erzeugung von Schnellarbeitsstahl- und Hartlegie­ rungspulver mit erhöhtem Verschleißträgeranteil.

Auf konventionellem, schmelzmetallurgischem Wege lassen sich diese Legierungen nicht herstellen, da die Löslichkeit der Carbide in der Schmelze rasch überschritten wird und sich beim Aufbau der Schmelze aus den Elementen inhomogene Carbid­ suspensionen bilden. Schwierigkeiten bei der Her­ stellung solcher Legierungen aus carbidüber­ sättigten Schmelzen ergeben sich aus der Be­ netzbarkeit der Carbide sowie aus der unterschied­ lichen Dichte der meisten Carbide gegenüber der HSS-Schmelze, wodurch sich inhomogene Verteilungen ergeben. Eine Ausnahme bildet NbC, das mit 7,9 g/cm³ nahezu die Dichte der Schmelze von ca. 7,5 g/cm³ besitzt.

Aus diesem Grunde wurde vorgeschlagen, z. B. NbC-Pulver in eine HSS-Schmelze einzubringen, wobei die Weiterver­ arbeitung wegen der hohen Abkühlgeschwindigkeit im Stranggießverfahren erfolgen soll. Es wurden Versuche gemacht, in die reine Matrixschmelze vor dem Abguß NbC-Pulver einzublasen. In einer Injektionsanlage wird NbC-Pulver mit Stickstoff als Trägergas fluidisiert und über eine Lanze mit Druck in die Schmelze eingebracht.

Daß die eingangs erwähnten Leistungssteigerungen möglich sind, konnte nachgewiesen werden durch Ver­ suche mit mechanisch legierten Schnellarbeits­ stählen (HSS), denen bei der pulvermetallurgischen Herstellung feinkörniges Carbidpulver zugemischt wurde.

Die Produktion derartiger Pulver durch mechanisches Legieren ist allerdings unwirtschaftlich. Für die großtechnische Herstellung werden, wie z. B. in der DE-OS 34 28 022 vorgesehen die Zusatzstoffe bzw. Legierungselemente der Grundschmelze zugesetzt und das hochligierte HSS-Pulver durch Zerstäuben herge­ stellt. Die Weiterverarbeitung erfolgt dann in be­ kannter Weise durch Strangpressen oder heißiso­ statisches Presse (HIP). Hierzu ist allerdings er­ forderlich, daß es gelingt, die Überschußcarbide als Teilchen in der gewünschten Größe (0,5 bis 20 µm) direkt in der Schmelze homogen zu suspendieren.

Die wichtigste Voraussetzung für die Suspendierbar­ keit der Carbidteilchen ist ihre Benetzung durch die Schmelze. Einige technisch wichtige Monocarbide, wie WC, NbC und VC erfüllen diese Be­ dingungen unter der Voraussetzung sauberer Ober­ flächen. Das technisch wie wirtschaftlich interes­ sante TiC verhält sich in dieser Hinsicht weniger günstig. Es neigt im schmelzflüssigen Grundmaterial zum Agglomerieren mit dem Ergebnis inhomogener Carbodverteilung.

Eine weitere wichtige Rolle spielt die Sedimenta­ tion infolge der Schwerkraft. Die meisten Grund­ carbide, wie TiC, WC, TaC haben stark von der Schmelze abweichende Dichten. In nicht bewegten Schmelzen können sie daher aufschwimmen (TiC) oder absinken (WC, TaC usw.), so daß sich wiederum Inhomogenitäten ergeben.

In der DE-OS 34 28 022 wird zwar vorgeschlagen, daß man die Zusatzstoffe der Schmelze zuführen solle, es wird auch gesagt welche Zusatzstoffe dafür vorstellbar sind, und es wird darüber hinaus die Einbringung mit Hilfe eines Trägergases vorge­ schlagen. Die Frage, wie man für bestimmte Carbide trotz der obengenannten Schwierigkeiten zu homo­ genen Suspensionen kommt, wird in dieser Schrift jedoch gar nicht erst gestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe es gelingt, die Überschußcarbide als Teilchen mit einer Größe von 0,5 bis 20 µm direkt in der Schmelze homogen zu suspendieren und anschließend mit Hilfe von Inert­ gas zu Pulver zu zerstäuben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusatzstoffe in Form von Mischcarbiden, insbesondere auf TiC-Basis in die Schmelze eingebracht werden, deren Dichte etwa der der Schmelze entspricht und die eine gute Benetzbarkeit aufweisen. TiC bildet z. B. mit WC über einen weiten Konzentrationsbereich ein Mischcarbid mit lückenloser Mischbarkeit, so daß zur Schmelze dichtegleiche Mischcarbide herstellbar sind. Diese Mischcarbide zeichnen sich durch gute Benetzbarkeit und hohe Warmhärte aus.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mischcarbide aus Titancarbid und Wolframcarbid mit ca. 50% Titan- und 50% Wolframanteilen bestehen. Je nach Anwendungsfall der Fertigprodukte, z. B. Werkzeuge für die das Hartmetallpulver die Ausgangsbasis ist, ist nach der Erfindung vorgesehen, daß die Mischcarbide aus Titancarbid und einem oder mehreren Carbiden der Übergangsmetalle bestehen.

Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß Mischcarbidpulver in eine Blechkapsel bzw. Tauchbüchse gefüllt und dieses unter Vakuum oder Schutzgas in die Vakuum­ induktionsschmelzanlage eingerührt, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht und elektromagnetisch eingeführt wird. Das Mischcarbidpulver kann dabei lose oder auch in Blockform gepreßt verarbeitet werden. Bei hinreichend sauberen Carbidoberflächen werden die Teilchen benetzt, so daß die Schmelze infolge des Kapillardrucks in das Pulverhaufwerk eindringt und dieses nach einiger Zeit vollständig tränkt. Das anfänglich vorliegende Carbidgerüst löst sich dabei unter dem Einfluß der eindringenden Schmelze auf. Die einzelnen Carbidteilchen werden nach und nach aus dem Verbund herausgespült und gleichmäßig durch das elektromagnetische Rühren suspendiert.

Infolge von Oberflächenverunreinigungen kann sich die Benetzbarkeit verschlechtern. Zur Beseitigung dieser Schichten ist nach einer besonderen Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen, daß das Mischcarbidpulver mit 10 bis 40% Bindemetallpulver, insbesondere Fe-, Co-, Ni- und Schnellarbeitsstahlpulver (HSS), gemischt und im Vakuum gesintert wird, die fertigen Sinterlinge danach dem Sinterofen entnommen, unter Vakuum in die Vakuumschmelzanlage eingeschleust, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht und elektromagnetisch eingerührt werden. Das Mischcarbidpulver kann auch in diesem Falle lose oder in Blockform gepreßt verarbeitet werden.

Alternativ ist nach einer weiteren Ausprägung der Erfindung vorgesehen, daß Tränkkörper mit ca. 60 bis 90% Carbidgehalt durch Infiltrieren von Carbidpulver in Form einer Pulverschüttung oder Carbidpulverpreßlingen mit einem Bindemetall, insbesondere Fe, Co, Ni und Schnellarbeitsstahl (HSS), im Vakuumofen hergestellt werden, die anschließend unter Vakuum oder Schutzgas in die Vakuumschmelzanlage eingeschleust, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht, abgeschmolzen und elektromagnetisch eingerührt werden. Dabei löst sich das anfängliche Carbidskelett des Sinter- oder Tränkkörpers auf. Die einzelnen Carbid­ teilchen werden aus dem Carbidverbund durch die turbulente Schmelze herausgespült und gleichzeitig suspendiert.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Schnellarbeitsstahlpulver mit erhöhten Verschleiß­ trägeranteil näher beschrieben:

Im ersten Verfahrensschritt werden die Zusatz­ carbide vorbereitet, d. h. sie werden durch Tränken oder Sintern vom Bindemetall benetzt. Dies kann in der Art geschehen, daß 8 kg Misch­ carbid-Pulver (Ti, W) C mit ca. 50% Titan- und 50% Wolfram-Anteil (es handelt sich um Atom-%) mit einer Partikelgröße von 1,5 µm (Mittelwert d₅₀) mit ca. 2 kg Schnellarbeitsstahl-Pulver (HSS) S 6-5-2 (6% W; 5% Mo; 2% V; 4% Cr; 0,9% C; Rest Fe) mit einer Partikelgröße von ca. 50 µm (Mittelwert d₅₀) gemischt und kalt in Rondenform gepreßt werden. Die Preßlinge werden im Vakuumsinterofen unter Hochvakuum (10^-2 mbar) auf 1300°C erwärmt, wobei sie gleichzeitig während dieses Auf­ heizens vakuumentgast werden. Anschließend werden sie in einer Argon-Atmosphäre von ca. 40 mbar auf ca. 1500°C erhitzt. Die Ronden werden bei dieser Temperatur ca. 30 min gesintert. Sie werden im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend entnommen. Die tatsächliche Dichte der fertigen Ronden liegt bei über 95% der theoretischen Dichte.

Das gleiche Ergebnis wird erreicht, wenn man das oben spezifizierte Mischcarbidpulver (8 kg) als solches kalt in Rondenform preßt, diese Preßlinge im Vakuumsinterofen auf eine keramische Unterlage (Al₂O₃) stellt und mit 2 kg stückigem Schnellarbeitsstahl (HSS) der obengenannten Art überdeckt. Der Ofen wird dann auf ca. 1500°C aufgeheizt, wobei das Carbidpulver entgast wird. Nach Überschreiten der Liquidustemperatur des Schnellarbeitsstahl-Pulvers von ca. 1420°C wird der Mischcarbid-Preßling durch das schmelzende Schnellarbeitsstahlpulver getränkt. Nach einer Haltezeit von ca. 30 min werden die Tränkkörper im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt und entnommen. Auch in diesem Fall wird eine tatsächliche Dichte der fertigen Tränkkörper erreicht, die bei über 95% der theoretischen liegt.

Im zweiten Verfahrensschritt werden 90 kg Schnellarbeitsstahlpulver (HSS) des Typs S 6-5-8-5 (6,5% W; 5% Mo; 8% V; 5% Co; 4% Cr; 2,3% C; Rest Fe) im Vakuumofen erschmolzen. Die Temperatur des Ofens und damit der Schmelze wird bei ca. 1600°C konstant gehalten. Mit Hilfe der Feinchargier­ einrichtung der Schmelzanlage werden die im ersten Verfahrensschritt hergestellten Tränkkörper in den Schmelzkessel eingeschleust, abgesenkt und in die Schmelze eingetaucht. Der Tränkkörper schmilzt ab und die Carbidteilchen werden durch die Rührwir­ kung der Induktionsspule gleichmäßig in der Schmelze verteilt. Sedimentation oder ein Auf­ schwimmen der eingebrachten Carbidteilchen tritt nicht auf, da die Dichte des Titan-Wolfram-Misch­ carbids (Ti_0,5 Wo_0,5) C mit ca. 7,75 g/cm³ praktisch gleich der Dichte der HSS-Schmelze ist. Nach dem Rühren der Schmelze über einen Zeitraum von ca. 15 min Dauer wird die Schmelze im letzten Verfahrensschritt in den vorgeheizten Gießtrichter abgegossen. Der Gießtrichter hat eine Bodenöffnung, durch die die Suspension als feiner Gießstrahl mit einem Durchmesser von ca. 5 mm in den Verdüsungsturm gelangt und dort mit Hilfe von Stickstoff in bekannter Weise zu feinem Pulver verdüst wird.

Das fertige Pulver enthält die zugesetzten Mischcarbidteilchen gleichmäßig in die metallische Matrix eingebunden, d. h. die Carbide liegen im Innern der einzelnen Pulverteilchen gleichmäßig verteilt vor.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung homogener Metall­ carbid-Suspensionen in Metallschmelzen, vornehmlich auf Ni-, Co- und Fe-Basis ins­ besondere als Vorstufe zur Erzeugung von Schnellarbeitsstahl- sowie Hart­ legierungspulver mit erhöhtem Verschleiß­ trägeranteil, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zusatzstoffe in Form von Mischcarbiden in die Schmelze eingebracht werden, deren Dichte etwa der der Schmelze ent­ spricht und die eine gute Benetzbarkeit auf­ weisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischcarbide aus Titancarbid und Wolframcarbid mit ca. 50% Titan- und 50% Wolframanteilen bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischcarbide aus Titancarbid und einem oder mehreren Carbiden der Übergangsmetalle bestehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mischcarbidpulver in eine Tauchbüchse gefüllt wird, und diese unter Vakuum in die Vakuuminduktionsschmelz­ anlage eingeführt, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht und elektromagnetisch eingerührt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischcarbidpulver mit 10 bis 40% Bindemetallpulver, insbesondere Fe-, Co-, Ni- und Schnellarbeitsstahlpulver (HSS), gemischt und im Vakuum gesintert wird, die fertigen Sinterlinge danach dem Sinterofen entnommen, unter Vakuum in die Vakuuminduktionsschmelzan­ lage eingeschleust, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht und elektromagnetisch ein­ gerührt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Tränkkörper mit ca. 60% bis 90% Carbidgehalt durch Infiltrieren von Carbidpulver in Form einer Pulverschüttung oder Carbidpulverpreßlingen mit einem Bindemetall, insbesondere Fe, Co, Ni und Schnellarbeitsstahl, im Vakuumofen hergestellt werden, die anschließend unter Vakuum oder Schutzgas in die Vakuuminduktionsschmelzanlage eingeschleust, in die vorbereitete Schmelze eingetaucht, abgeschmolzen und elektromagnetisch eingerührt werden.