DE2855693A1

DE2855693A1 - Titanium di:boride and niobium nitride mixed with binder metal - then pressed into compacts subjected to two sintering operations to mfr. very hard tools etc.

Info

Publication number: DE2855693A1
Application number: DE19782855693
Authority: DE
Inventors: Choll K Jun; Bela J Nemeth
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-06-26

Abstract

Mixt. pref. consists of particles contg. by wt. 30-80% TiB2 and 70-20% NbN; and is made into a sinterable mixt. contg. max. 40% of a binder metal, esp. Fe, Ni, Co, Mo or an alloy of these metals. The mixt. contg. the binder is pref. pressed to make a compact which is sintered in vacuo at 1450-1550 degrees C for 1/2-1 hour and cooled to room temp., esp. in N2. Compact is then pref. subjected to a second sintering operation at 1300-1700 degrees C under a pressure of 210-1760 Kg/cm2. The mixt. contg. the binder is pref. milled in a ball mill to a particle size 1 mu before pressing. The hard and wear-resistant sintered prods. obtd. can be used for tools etc. as a replacement for conventional hard materials, such as WC or diamond, which are very expensive.

Description

Sinterfähiges Material, daraus erhaltenes SintermaterialSinterable material, sintered material obtained from it

und Verfahren zu seiner Herstellung Hartes, verschleißfestes und zusammengesetztes Material findet derzeit am verbreitetsten Anwendung für Werkzeuge zur Metallbearbeitung, Metallverformung, für Schneidwerkzeuge für alle Materialien und für Schlichtdrehmeißel für einige der ausgefalleneren und schwer zu bearbeitenden Raumfahrtmaterialien. Die extreme Härte von zusammengesetzten Pulvermaterialien macht diese auch zur Verwendung als Hartmetallwerkstoff oder für alle anderen Zwecke geeignet, wo Härte und Verschleißfestigkeit erwünscht sind. and method of making it hard, wear-resistant and composite material is currently most widely used for tools for metalworking, metal forming, for cutting tools for all materials and for finishing chisels for some of the more fancy and difficult to machine Space materials. The extreme hardness of composite powder materials makes these also for use as hard metal material or for all other purposes suitable where hardness and wear resistance are desired.

Werkstoffe, die sich in der Vergangenheit für diese Zwecke als geeignet erwiesen haben, sind diamanthaltige Werkstoffe, Hartmetalle, bzw. gesintertes Karbidmetall, z.B. Wolfram-und Titankarbid, Metallnitride, Metallboride,usw. Die vorstehend aufgeführten Werkstoffe sind zwar sehr hart und verschleißfest, jedoch etwas kostspielig herzustellen und zu verwenden.Materials that have been found to be suitable for these purposes in the past have proven, are diamond-containing materials, hard metals or sintered carbide metal, e.g. tungsten and titanium carbide, metal nitrides, metal borides, etc. The ones listed above Materials are very hard and wear-resistant, but somewhat expensive to manufacture and to use.

Die vorliegende Erfindung schafft ein verschleißfestes und hartes, zus.mmengesetztes Pulvermaterial aus Titandiborid und Niobnitrid, dessen Härte und Verschleißfestigkeit es zum Ersatz für die vorstehend genannten Werkstoffe geeignet machen.The present invention provides a wear-resistant and hard, Mixed powder material made of titanium diboride and niobium nitride, its hardness and Wear resistance it is suitable as a substitute for the aforementioned materials do.

Das neue Hartmaterial besteht aus 30 bis 80 Ges.56 Titandiborid (TiB2) und 70 bis 20 Gew.% Niobnitrid mit einem Bindermetall, z.B. Eisen, Nickel, Kobalt, Molybdän oder deren Legierungen in einer Menge bis zu 40 Gew.°,6.The new hard material consists of 30 to 80 Ges.56 titanium diboride (TiB2) and 70 to 20% by weight of niobium nitride with a binder metal, e.g. iron, nickel, cobalt, Molybdenum or its alloys in an amount up to 40 wt. °, 6.

Gemäß der Erdingung wird das Gemisch der pulverförmigen Bestandteile in einer Kugelmühle zu einer Teilchengröße unter einem Mikron gemahlen und dann unter Druck verformt. Diese verfestigten Teile werden im Vakuum (10 bis 500 p) oder in Stickstoff bei 1300 bis 17000C je nach der Zusammensetzung gesintert. Diese Sinterkörper werden dann erneut in einem heißen isostatischen Ofen bei der für die endgültige Verdichtung erforderlichen Temperatur (1300 bis 17000C) und unter einem Druck von 210 bis 17600 kg/cm2 (3000 bis 25000 psi) erneut gesintert. Die Stickstoffatmosphäre sowohl bei dem regulären Sintern als auch bei dem heißen, unter statischem Druck erfolgenden Sintern ergibt eine stärker nitridierte Oberfläche des gesinterten Hartmaterials und verbessert die Verschleißfestigkeit.According to the convention, the mixture of powdery ingredients is ground in a ball mill to a sub-micron particle size and then deformed under pressure. These solidified parts are in vacuum (10 to 500 p) or sintered in nitrogen at 1300 to 17000C depending on the composition. This sintered body are then put back in a hot isostatic oven for the final Compression required temperature (1300 to 17000C) and under a pressure of Re-sintered 210 to 17600 kg / cm2 (3000 to 25000 psi). The nitrogen atmosphere both regular sintering and hot, static pressure sintering sintering results in a more heavily nitrided surface of the sintered hard material and improves wear resistance.

Das erfindungsgemäße zusammengesetzte Material zeigt eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und große Härte.The composite material of the present invention exhibits excellent Wear resistance and great hardness.

Obwohl alle erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zufriedenstellende Ergebnisse liefern, hat sich doch gezeigt, daß der Bindergehalt und die Verfahrensbedingungen die Eigenschaften der erhaltenen Materialien beeinflussen.Although all compositions according to the invention are satisfactory Provide results, it has been shown that the binder content and the process conditions affect the properties of the materials obtained.

Vorzugsweise besteht das erfindungsgemäße Material aus 50 bis 60 Gew.% TiB2 und 30 bis 40 Gew.% NbN mit einem Gehalt an Nickelbinder von bis zu 18 Gew.%.The material according to the invention preferably consists of 50 to 60% by weight TiB2 and 30 to 40% by weight of NbN with a nickel binder content of up to 18% by weight.

Die bevorzugten Verfahrensbedingungen sind: (1) Sintern im Vakuum (10 bis 100 Mikro@, bei 1450 bis 15500C während 30 bis 60 Minuten und langsames Abkühlen in N2-Atmosphäre (etwa 4000C pro Stunde) und (2) erneutes Sintern in der W.irme unter isostatischem Druck von 703 bis 1410 kg/cm2 (10000 bis 20000 psi) bei 1450 bis 15500C während 0 bis CO Minuten.The preferred process conditions are: (1) Sintering in vacuo (10 to 100 micro @, at 1450 to 15500C for 30 to 60 minutes and slow Cooling in an N2 atmosphere (about 4000C per hour) and (2) re-sintering in the W. Umbrella under isostatic pressure of 703 to 1410 kg / cm2 (10,000 to 20,000 psi) 1450 to 15500C for 0 to CO minutes.

L)ie folgende ausf4hrlichen Beispiele erläutern die Erfinc3ung näher.The following detailed examples explain the invention in more detail.

Beispiel 1 - Mischung 8007 Eine insgesamt etwa 700 g wiegende Zusammensetzung, die aus 58 Gew.9S TiB2, 39 Gew.% NbN und 3 Gew.% Ni besteht, wurde in einer mit Wolframkarbid- Kot alt ausgekleideten Kugelmühle mit cycloidischen Mahlkörpern aus Wolframkarbid-Kobalt gemahlen. Diese Beschickung war mit Polychloräthylen bedeckt. Example 1 - Mixture 8007 A composition weighing a total of about 700 g, which consists of 58 wt. 9S TiB2, 39 wt.% NbN and 3 wt.% Ni, was in one with Tungsten carbide feces old lined ball mill with cycloidic grinding media Milled tungsten carbide cobalt. This charge was covered with polychlorethylene.

Die Mahlkörperfüllung betrug etwa 50 Volum- der Mühle.The grinding media filling was about 50 volumes of the mill.

Alle Bestandteile plus 3 g Paraffinwachs und 1,5 g oberflächenaktives Schmiermittel wurden eingefüllt und 5 Tage zusammen gemahlen.All ingredients plus 3 g paraffin wax and 1.5 g surfactant Lubricants were poured in and ground together for 5 days.

Das als Ausgangsprodukt verwendete TiB2, NbN und Ni waren handelsbbliche Sorten mit einem Reinheitsgrad von 99+ Ges.% und einer Teilchengröpe von -325 mesh. Der Borgehalt des TiB2 betrug 30,9 Gew.%; der Stickstoffgehalt des NbN betrug 11,3 Gew.%. Nach dem Mahlen wurde das Pulver unter einer inerten Atmosphäre getrocknet und durch ein -400 mesh Sieb gesiebt. Das gesiebte Pulver wurde dann zu Teststicken unter einem Druck von etwa 1690 kg/cm2 (24000 psi) in einer Tablettenpresse gepreßt und dann 60 Minuten bei 1600 c vakuumgesintert.The TiB2, NbN and Ni used as the starting material were commercially available Grades with a purity of 99+ total% and a particle size of -325 mesh. The boron content of the TiB2 was 30.9% by weight; the nitrogen content of the NbN was 11.3 Weight%. After milling, the powder was dried under an inert atmosphere and sifted through a -400 mesh sieve. The sieved powder was then used for test stitching compressed under a pressure of about 1690 kg / cm2 (24,000 psi) in a tablet press and then vacuum sintered at 1600 c for 60 minutes.

Während des Sinterzyklus betrug das Vakuum zwischen 10 und 500 Mikron. Die gesinterten Stücke wurden dann unter isostatischem Druck von etwa 1120 kg/cm? (16000 psi) bei 15400C während 60 Minuten erneut erhitzt. Nach diesem isostatischen Pressen wurden die Proben untersucht. Die Forosität betrug A5/A6; die Härte 93,6 bis 94,5 Docklfe'] "A"; der Bruchmodul bei einem Dreipunkttest für zwei Proben betrug 6120 und 7380 kg/cmS (87000 und 104000 IXsi). Die Nikrostruktur war 1 bis 3 Mikron Korngröße.During the sintering cycle the vacuum was between 10 and 500 microns. The sintered pieces were then subjected to an isostatic pressure of about 1120 kg / cm? (16000 psi) reheated at 15400C for 60 minutes. According to this isostatic Pressing the samples were examined. The forosity was A5 / A6; the hardness 93.6 up to 94.5 Docklfe '] "A"; the modulus of rupture in a three-point test was for two samples 6120 and 7380 kg / cmS (87000 and 104000 IXsi). The microstructure was 1 to 3 microns Grain size.

Beispiel 2 - Mischung 8107 Das Gemisch 8107 bestand aus 57 Ges.% TiB2, 38 Ges.% NbN, 2,3 Ges.% Ni und 2,7 Gew.% Molybdän. Die anderen Ausgangsbestandteile waren die gleichen wie in Beispiel 1. Das verwendete Molybdän besaß einen Reinheitsgrad von 99+ Prozent und eine Teilchengröße von -325 mesh, der Sauerstoff gehalt betrug 0,64 Prozent. Das Mahlen, die zugesetzten Schmiermittel, das Trocknen, das Sieben und das Pressen waren wie in Beispiel 1. Dieses Pulver wurde dann unter Vakuum bei 16000C 30 Minuten und unter einem Druck von 10 bis 300 Mikron heiß gepreßt. Nach dem Heißpressen betrug die Porosität A3/A6; die Härte 94,0 bis 95,0 Rockwell "A" und die Korngröße betrug in typischer Weise 2 bis 3 Mikron. Example 2 - Mixture 8107 The mixture 8107 consisted of 57 total% TiB2, 38% by weight NbN, 2.3% by weight Ni and 2.7% by weight molybdenum. The other starting ingredients were the same as in Example 1. The molybdenum used had one degree of purity of 99+ percent and a particle size of -325 mesh, the oxygen content was 0.64 percent. The grinding, the added lubricants, the drying, the sieving and pressing were as in Example 1. This powder was then placed under vacuum at 16000C for 30 minutes and hot pressed under a pressure of 10 to 300 microns. To after hot pressing, the porosity was A3 / A6; the hardness 94.0 to 95.0 Rockwell "A" and the grain size was typically 2 to 3 microns.

Beispiel 3 - Mischung 8307 Das insgesamt 2500 g wiegende Gemisch 8307 bestand aus 58 Gew.% TiB2, 38 Gew.% NbN und 4 Gew.% Ni. Die Ausgangsbestandteile waren die gleichen wie in Beispiel 1. In diesem Beispiel und in den folgenden Beispielen wurde das Perchloräthylen durch ein aliphatisches Kohlenwasserstofföl mit dem Handelsnamen SOLTROL 130 ersetzt, das von der Philips Petroleum Company hergestellt wird. Die Mahlparameter waren ähnlich wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß die Dauer 4 Tage betrug. Das Trocknen, Sieben, Pressen, Vakuumsintern und das isostatische Warmpressen waren ähnlich wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß die Temperatur beim Sintern und beim isostatischen Warmpressen 154n°c betrug. Andere Größen waren gleich wie in Beispiel 1. Example 3 - Mixture 8307 The mixture weighing a total of 2500 g 8307 consisted of 58% by weight TiB2, 38% by weight NbN and 4% by weight Ni. The starting ingredients were the same as in Example 1. In this example and in the following examples Perchlorethylene was replaced by an aliphatic hydrocarbon oil with the trade name Replaces SOLTROL 130, which is manufactured by Philips Petroleum Company. the Grinding parameters were similar to Example 1, with the exception that the duration was 4 days. The drying, sieving, pressing, vacuum sintering and that Hot isostatic presses were similar to Example 1 except that the temperature during sintering and hot isostatic pressing was 154n ° C. Other Sizes were the same as in example 1.

Die prtiflrng erfrab eine Porosita-t von A5/A6; eine Iiockwe]g- -härte "A" von 93,2; die Werte für den Bruchmodul betrugen 4760 kg/cm2 bis 6260 kg:cm2 (62000 bis 89000 psi).The test found a porosity of A5 / A6; a hardness "A" of 93.2; the values for the modulus of rupture were 4760 kg / cm2 to 6260 kg: cm2 (62,000 to 89,000 psi).

Beispiel 4 - Mischung 8308 Das Gemisch 8303 bestand aus 57 Gew.°S TiB2, 38 Gew.% NbN und 5 Gew.% Ni. Die Ausgangabestandteile waren die gleichen wie in Beispiel 3, mit der Ausnahme, daß der Schmiermittelgehalt auf 3 Gew.% erhöht wurde und das Mahlen 4 Tage dauerte. Das Trocknen, Sieben, Tablettieren und Vakuumsintern erfolgte wie in Beispiel 1. Das isostatische Wärmepressen erfolgte 60 Minuten unter einem Druck von 1410 kg/cm2 (20000 psi) und bei 15400C. Nach dem isostatischen Warmpressen waren die Eigenschaften die folgenden: Porosität--A3/A5; Härte--95,3 bis 95,6 Rockwell "A"; Bruchmodul zwischen 7030 und 9280 kg/cm2 (100000 und 132000 psi). Die Korngröße betrug in typischer Weise 1 bis 5 Mikron. Example 4 - Mixture 8308 Mixture 8303 consisted of 57% by weight of S TiB2, 38% by weight NbN and 5% by weight Ni. The starting ingredients were the same as in Example 3, with the exception that the lubricant content is increased to 3% by weight and grinding lasted 4 days. Drying, sieving, tabletting and vacuum sintering was carried out as in Example 1. The isostatic heat pressing was carried out for 60 minutes under a pressure of 1410 kg / cm2 (20,000 psi) and at 15400C. After hot isostatic pressing the properties were as follows: porosity - A3 / A5; Hardness - 95.3 to 95.6 Rockwell "A"; Modulus of rupture between 7030 and 9280 kg / cm2 (100,000 and 132,000 psi). The grain size was typically 1 to 5 microns.

Beispiel 5 - Mischung 8309 Das Gemisch 8309 bestand aus 55 Gew.% TiB2, 36 Gew.% NbN und 9 Gew.% Ni. Die Ausgangsbestandteile waren von gleicher Qualität wie in Beispiel 3. Der Schmiermittelgehalt, das Mahlen, Trocknen, Sieben, Pressen, Vakuumsintern und isostatische Wärmepressen erfo]gte wie in Beispiel 4 fütr die Mischung 8308. Die Ergebnisse waren: Porosität--A4/A6; Härte--95,0 bis 95,5 Rockwell "A"; Bruchmodul zwischen 5620 und 10050 kg/cm2 (80000 und 14300p,psi); die Korngröße reichte in typischer Weise von 1 bis 5 Mikron. Example 5 - Mixture 8309 Mixture 8309 consisted of 55% by weight TiB2, 36% by weight NbN and 9% by weight Ni. The starting ingredients were of the same quality as in example 3. The lubricant content, grinding, drying, sieving, pressing, Vacuum sintering and isostatic heat pressing took place as in Example 4 for the Mixture 8308. The results were: porosity - A4 / A6; Hardness - 95.0 to 95.5 Rockwell "A"; Modulus of rupture between 5620 and 10050 kg / cm2 (80000 and 14300p, psi); the grain size typically ranged from 1 to 5 microns.

Beispiel 6 - Mischung 8310 Das Gemisch 8310 bestand aus 53 Gew.% TiB2, 35 Grew.% MhN und 12 Gew. Ni. Die Ausgangsbestandteile waren von der gleichen Qualität wie in Beispiel 3. Der Schmiermittelgehalt, das Mahlen, Trocknen, Sieben, Pressen, Vakuumsintern und isostatische Warmpressen waren ähnlich wie in Beispiel 4 für das Gemisch 8308. Die Ergebnisse waren: Porosität--A3/A5; Härte--90,5 bis 94,9 Rockwell "A"; Bruchmodul zwischen 5410 und 7450 kg/cm2 (7700 und 110000 psi; die Korngröße lag in typischer Weise zwischen 1 und 5 Mikron. Example 6 - Mixture 8310 The mixture 8310 consisted of 53% by weight TiB2, 35% by weight MhN and 12% by weight Ni. The starting ingredients were the same Quality as in example 3. The lubricant content, grinding, drying, sieving, Pressing, vacuum sintering, and hot isostatic pressing were similar to Example 4 for Mixture 8308. The results were: porosity - A3 / A5; Hardness - 90.5 to 94.9 Rockwell "A"; Modulus of rupture between 5410 and 7450 kg / cm2 (7700 and 110,000 psi; the grain size was typically between 1 and 5 microns.

Beispiel 7 - Mischung 8311 Das Gemisch 8311 bestand aus 51 Gew.% TiB2, 34 Gew.% NbN und 15 Gew.% Ni. Die Ausgangsbestandteile waren von der gleichen Qualität wie in Beispiel 3. Der Schmiermittelgehalt, das Mahlen, Trocknen, Sieben, Pressen, Vakuumsintern und isostatische Warmpressen waren ähnlich wie in Beispiel 4. Die Ergebnisse waren: Porosität--A5/A6; Härte--90,1 bis 91,6 Rockwell "A"; Korngröße 1 bis 5 Mikron. Example 7 - Mixture 8311 The mixture 8311 consisted of 51% by weight TiB2, 34% by weight NbN and 15% by weight Ni. The starting ingredients were the same Quality as in example 3. The lubricant content, grinding, drying, sieving, Pressing, vacuum sintering, and hot isostatic pressing were similar to Example 4. The results were: porosity - A5 / A6; Hardness - 90.1 to 91.6 Rockwell "A"; Grain size 1 to 5 microns.

Beispiel 8 - Mischung 8312 Das Gemisch 8312 bestand aus 50 Gew.% TiB2, 32 Gew.% tXbN und 18 Gew.% Ni. Die Ausgangsbestandteile waren von der gleichen Qualität wie in Beispiel 3. Der Schmiermittelgehalt, das Mahlen, Trocknen, Sieben, Pressen, Vakuumsintern und isostatische Warmpressen waren wie in Beispiel 4. Example 8 - Mixture 8312 The mixture 8312 consisted of 50% by weight TiB2, 32% by weight tXbN and 18% by weight Ni. The starting ingredients were the same Quality as in example 3. The lubricant content, grinding, drying, sieving, Pressing, vacuum sintering, and hot isostatic pressing were as in Example 4.

Die Ergebnisse waren: Porosität--A4; Harte--88,5 Rockwell"A"; Korngröße 1 bis 4 Mikron.The results were: porosity - A4; Hard - 88.5 Rockwell "A"; Grain size 1 to 4 microns.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1 ;. Sinterable material, consisting of an intimate mixture of a binder metal and particles of titanium diboride and Niobium nitride.

2. Sinterable material according to claim 1, characterized in that that the particulate material from 30 to 80 Ges.% Titanium diboride and 70 to 20 Total% niobium nitride.

3. Sinterable material according to claim 1 or 2, characterized in that that the binder metal makes up to 40 total% of the sinterable material.

4. Sinterable material according to claim 1 to 3, characterized in that that the binder metal is iron, nickel, cobalt. Molybdenum or an alloy of these Metals is.

5. Compact made of sintered material, consisting of a binder metal particles of titanium diboride and niobium nitride bound together.

6. compact according to claim 5, characterized in that the particles consist of 30 to 80 total% titanium diboride and 70 to 20 total% niobium nitride.

7. compact according to claim 5 and 6, characterized in that the Binder metal makes up to 40 total% of the compact.

8. compact according to claim 5, characterized in that the binder metal made of iron, nickel, cobalt, molybdenum or an alloy thereof.

9. Method of making a hard, wear-resistant, composite Material, characterized in that an intimate mixture of powders of titanium diboride, Niobium nitride and a binder metal produces the mixture in a vacuum during a sinters for a certain period of time and then under pressure and heat for a predetermined period Time sinters again.

10. The method according to claim 9, characterized in that the sintering the mixture is carried out at 1450 to 15500C for 30 to 60 minutes.

11. The method according to claim 9, characterized in that the renewed Sintering of the mixture at 1300 to 17000C and under a pressure of 210 to 1760 kg / cm2 (3,000 to 25,000 pounds / in2).

12. The method according to claim 9, characterized in that the mixture is cooled to room temperature after sintering.

13. The method according to claim 12, characterized in that during cooling the mixture is maintained in a nitrogen atmosphere.

14. The method according to claim 9, characterized in that the intimate Mix the powder in a ball mill until a particle size of the Powder is ground below a micron.

15. The method according to claim 9, characterized in that the powder be mixed so that the mixture is 30 to 80 wt.% titanium diboride and 1 to 40 wt.% Contains binder metal.

16. The method according to claim 9, characterized in that the powder be mixed so that the mixture is 20 to 70 total weight% niobium nitride and 1 to 4C total weight% Contains binder metal.