Composition frittée dure résistant à la corrosion. La présente invention est relative à une composition frittée et dure, résistant à la cor rosion, sensiblement exempte de carbone libre, d'oxydes et de nitrures, caractérisée en ce qu'elle contient au moins 151/o en poids de carbure de titane TiC, 13 à 20 % d'au moins un métal du groupe du fer, cette composition ayant une densité comprise entre 5 et 8,35,
une dureté à l'échelle Rockwell A dépassant 87,0 et une résistance transversale à la rup ture, à température ambiante, d'au moins 6320 kg/em2.
Sous une forme particulière, la composi tion est apte à être utilisée dans des condi tions où la matière est exposée à l'action de gaz corrosifs ou oxydants à des températures relativement élevées, telles que l'on en ren contre pour des pièces de moteur à réaction, des aubes de turbines à gaz, des pièces de moteur à air chaud et appareils analogues.
Cette .composition, tout en ayant une den sité considérablement moindre que celle des alliages d'acier, est plus robuste que ces al liages et conserve sa résistance mécanique à des températures relativement élevées.
Une telle composition présente une résis tance relativement élevée aux chocs ther miques.
Une telle composition a une densité sen siblement inférieure à celle de l'acier, mais présente sur l'acier les avantages d'avoir une résistance transversale à la rupture et une résistance à l'allongement supérieures pour les températures élevées, une dureté considé rablement plus grande, un module d'élasticité supérieur, un coefficient de dilatation ther mique inférieur et une conductibilité calori fique plus grande; sa résistance aux - chocs thermiques est meilleure que celle des pro duits céramiques tels que l'alumine fondue ou l'oxyde de zirconium cuit.
Le dessin annexé représente des graphiques de certaines des caractéristiques de plusieurs formes de réalisation de la composition selon l'invention. Dans ce dessin: La fig. 1 est un graphique représentant l'effet de l'augmentation de la température sur la résistance transversale à la rupture des compositions des exemples 1 et 11.
La fig. 2 est un graphique représentant la variation de la résistance transversale à. la rupture, à température ambiante, d'une série de compositions dans lesquelles la teneur en cobalt est constante en volume, tandis que le pourcentage en poids de Cb (TaTi) C dans la composition varie.
La fig. 3 est un graphique représentant l'effet de l'oxydation dans un four à moufle ouvert, à 980 , sur une série de compositions dans lesquelles la teneur en cobalt reste cons tante en,volume, mais où le pourcentage en poids de Cb(TaTi)C varie.
La composition frittée peut contenir, outre du carbure de titane (TiC), du cobalt (Co). 9u obtient une composition ayant les carac- téristiques les plus intéressantes pour toutes les applications lorsqu'on y incorpore égale ment une certaine proportion de carbure de colombium - tantale- titane, désigné ici par Cb (TaTi) C. On peut remplacer au moins en partie le cobalt par un autre métal du groupe du fer.
Pour produire une composition ayant les caractéristiques et les propriétés indiquées ici, il est nécessaire d'utiliser du carbure de titane (TiC) ayant une teneur en carbone sensiblement uniforme et ne contenant pas de titane libre, pas de carbone libre, ni d'oxyde et de nitrure de titane. Le procédé habituel de fabrication du carbure de titane consiste à chauffer de l'oxyde de titane avec du car bone, ce qui provoque la réduction de l'oxyde en titane métallique et la carburation de ce titane métallique. Cette faon de procéder ne donne pas un carbure de titane apte à entrer dans la composition selon la présente inven tion.
Le carbure de titane fait de cette façon à une teneur en carbone variable et il contient du carbone libre ainsi que des proportions variables d'oxyde de titane et de nitrure de titane. Une composition frittée faite à partir de carbure de titane obtenue par cet ancien procédé ne possède pas la résistance mécani que et les autres qualités intéressantes qui sont les caractéristiques de la présente inven tion.
Pour autant qu'on le sache, le seul car bure de titane (TiC) convenant pour préparer les compositions dures frittées ayant les pro priétés indiquées ici est celui produit par un procédé suivant lequel le titane et le carbone sont dissous dans du fer fondu et où la masse fondue est maintenue pendant au moins une heure à une température comprise entre 2800 et 3050 , après quoi la masse est refroidie, le culot du lingot broyé et lessivé avec de l'acide pour enlever les parties solubles dans l'acide.
Après ce lessivage, la matière est lavée et la partie lourde est séparée de la partie légère par différence de densité, la partie lourde consistant en carbure de titane (TiC) à teneur en carbone uniforme et ne contenant pas d'impuretés, telles que des oxydes, des nitrures et du carbone libre. Cette matière a une densité d'environ 4,90. La matière indi quée ci-dessus est celle que l'on désignera ici sous le nom de carbure de titane (TiC).
Pour obtenir les meilleurs résultats, il est préférable que la composition contienne, en plus de TiC, une faible proportion de carbure de tantale (TaC) ou de carbure de colombium (CbC) ou des deux, mais on a trouvé qu'il était plus commode d'ajouter à la composition les carbures de colombium et de tantale sous forme de carbure multiple désigné ici par Ch (TaTi)C. Ce carbure multiple est décrit dans le brevet des E. U. A. N 2124509 du 19 juillet 1938.
Il a une densité d'environ 7,72 et contient environ 72,02 /a CbC, 17,900/0 TaC et 10,0811/o TiC. Toutefois, ces propor tions ne sont pas critiques et elles peuvent être un peu modifiées. Elles varient suivant le minerai de colombium utilisé pour faire le <B>Ch</B> (TaTi) C.
Les compositions décrites ci-dessous peu vent être faites en général par le procédé généralement utilisé pour faire les composi tions au carbure cémenté. pour outils, sauf que certains raffinements sont désirables pour obtenir les meilleurs résultats. Les consti tuants carbures de la composition, sous forme de cristaux de dimension inférieure à 152 microns et le métal pulvérulent auxiliaire (fer, cobalt ou nickel) ayant une dimension moyenne de particules d'environ 25 microns, sont mis dans un broyeur à -boulets en acier. Les boulets utilisés dans ce broyeur peuvent être du carbure cémenté ou de l'acier, étant donné que la présence de fer dans ces com positions n'est pas nuisible.
On remplit alors le broyeur d'un solvant dérivé du pétrole, léger, pour en expulser l'air et on le ferme, après quoi. on broie la charge pendant trois à six jours. On sépare alors le liquide du broyeur et de la charge par décantation et évaporation et on met dans la matière un liant temporaire, par exemple 0,25 à<B>1,00%</B> de paraffine. A la fin du broyage, la dimen sion moyenne des particules de la matière est de 1 à 5 microns. On comprime alors le mélange pour lui donner la forme désirée. Bien que cela puisse se faire par n'importe quel mode de, compression habituel, on a cons taté que l'on obtient des résultats beaucoup plus intéressants en utilisant un procédé de compression par explosion.
Conformément à celui-ci, on applique sur la matière une pres sion hydrostatiquement et rapidement dans toutes les directions et on. peut obtenir ainsi des pressions très élevées. Après compression du mélange à la forme désirée, on peut fritter les pièces ou on peut les conformer davantage par usinage, et ensuite les fritter.
Toutefois, s'il est nécessaire d'avoir une forme très com plexe, la matière sous cette forme n'a. pas une résistance suffisante pour résister à l'usinage nécessaire et, en ce cas, on lui fait subir un traitement thermique préliminaire à des tem pératures de 1038 à 1149 pour lui donner une résistance mécanique suffisante pour résister à la pression d'usinage avec des outils à diamant, mais ce traitement thermique n'est pas suffisant pour effectuer le frittage.
Après conformation finale, au cours de laquelle on doit tenir compte du retrait s'effectuant pendant le frittage et s'élevant de 16 à 20 0/0, on effectue le frittage final à des températures de 1538 à 1927 dans un four électrique à induction dans lequel on maintient un vide de un dixième clé mm de mercure ou moins pendant le frittage. Après refroidissement du four, on peut en enlever les pièces et les amener à la forme finale par meulage sur une meule à diamant.
On a constaté que l'on pouvait utiliser d'autres méthodes d'obtention des formes désirées. Après addition d'un lubrifiant approprié, on peut filer à la presse le mélange, broyé par des boulets, de carbures et de métal auxiliaire pour lui donner la, forme désirée en section transversale, après quoi on le découpe en tronçons de longueur requise. On a constaté que ce procédé donnait satisfac tion pour faire des tubes et qu'il pouvait convenir pour faire des aubes pour l'air.
On peut également faire, avec ces compositions, des objets conformés par compression à chaud en appliquant simultanément le chauf fage et la compression sur le mélange contenu dans une matrice de conformation. Les compositions, particulières décrites dans les exemples suivants ont été faites d'après le procédé indiqué ci-dessus.: <I>Exemple 1:</I> On a fait. cette composition à partir d'un mélange des ingrédients ci-dessous dans les proportions suivantes en poids:
TiC 66,31/o Cb(TaTi)C 15,0% Co<B>18,70/0</B> Le Cb (TaTi) C utilisé pour faire cette composition (ainsi que celles des exemples 2 à 10 suivants) contenait environ:
72% CbC, 18 % TaC et 10 % TiC, de sorte que la com- position contenait:
67,81/a TiC au total, 10,8 0/0 CbC, 2,7% TaC et 18,7% Co. La composi- tion faite de ce mélange, en procédant comme il est dit dans le paragraphe ci-dessus, avait une densité de 5,92,
une dureté de 88,9 % à l'échelle Rockwell A. et une résistance trans versale à la rupture à température ambiante d'environ 10 000 kg/cm2. Cette composition avait une résistance transversale à la rup ture à 980 de 7031 kg/cm2. Le module d'élas ticité Young, à température ambiante, de cette composition était de 4 021000 kg/em2. Le coefficient de dilatation thermique dans la gamme de 38 à 650 était de 45,
6 x 10-6 C-1 et sa conductibilité thermique était de
EMI0003.0070
On a constaté que cette composition était extrêmement résistante à la corrosion ou à l'oxydation -aux températures élevées. On a mesuré cette oxydation ou cette corrosion par l'augmentation d'épaisseur d'une face de l'échantillon après avoir exposé celui-ci pendant 64 heures dans un four à moufle à une température de 980 . Dans le cas de cette composition, l'augmentation d'épaisseur sur une face, après ce chauffage, n'a été que 0,017 mm. On a observé le même taux d'oxy dation dans plusieurs essais au cours des quels la température a été portée jusqu'à 1205 C.
<I>Exemple 2:</I> Cette composition était la même que celle de l'exemple 1, sauf que l'on avait utilisé du nickel à la place de cobalt comme métal auxi liaire. Le mélange contenait les ingrédients ci-dessous avec les proportions suivantes en poids: TiC 66,31/o <B>Ob</B> (TaTi) C 15,01/o Ni 18,71/o Le Ob(TaTi)C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem- ple 1,
de sorte qu'elle contenait 67,8% TiC au total, 10,8% CbC, 2,71/o TaC et 18,7% Ni.
La densité de cette composition était de 5,73, sa dureté à l'échelle Rockwell A de 87,3 et sa résistance transversale à la rupture, à température ambiante, de 10 800 kg/cm2.
<I>Exemple 3: ,</I> Cette composition contenait les ingrédients ci-dessous dans les proportions suivantes: TiC 51,71/o - Cb(TaTi)C 31,0% Co 17,31/o Le Ob (TaTi) C utilisé pour cette composi tion était le même que dans l'exemple 1, de sorte qu'elle contenait environ 54,8% TiC au total, 23,39/o CbC,
5,6% TaC et 17,3% Co. Sa densité était de 6,17, sa dureté à l'échelle Rockwell A de 91,6 et sa résistance transver sale à la .rupture, à température ambiante, de 6757 kg/cm2. .
Exemple <I>4:</I> On a fait cette composition à partir d'un mélange contenant les ingrédients ci-dessous, en proportions en poids: TiC 41,81/0 Cb(TaTi)C 41,8% Co 16,4% Le Ob(TaTi)C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem ple 1, de sorte qu'elle contenait environ 46% TiC au total, 30,1% CbC, 7,
5% TaC et 16,4% Co, Sa den,ité était de 6,54, sa dureté à l'échelle Rockwell A de 91,5 et sa résistance à la rupture, à température am biante, de 6686 kg/cm2.
<I>Exemple 5:</I> Cette composition contenait les ingrédients suivants en proportions en poids: _ TiC 29,8% Cb(TaTi)C 55,0% Co 15,21/o Le Ob(TaTi)C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem ple 1, de sorte qu'elle contenait environ 35,3% TiC au total, 39,6% CbC, 9,
8% TaC et 15,2% Co. Sa densité était de 7,10, sa dureté à l'échelle Rockwell A de 89,8 et sa résistance à la rupture, à température am biante, de 8020 kg/cm2.
<I>Exemple 6:</I> Cette composition contenait les ingrédients suivants en proportions en poids: TiC 7,01)/o <B>Ob</B> (TaTi) C 80,011/0 Co 13,01/o Le Ob(TaTi)C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem ple 1, de sorte qu'elle contenait environ 15% TiC au total, 57,61/o CbC, 14,31/o TaC et 13,
0% Co. Sa densité était de 8,35, sa dureté de 90,2 à l'échelle Rockwell A et sa résistance transversale à la rupture, à tem pérature ambiante, de 6320 kg/cm2.
<I>Exemple 7:</I> Cette composition dure était faite avec les ingrédients ci-dessous en proportions en poids de TiC 72,71/o Cb(TaTi)C 8,0% Co 19,3% Le Cb(TaTi)C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem ple 1, de sorte qu'elle contenait environ 73,5% TiC au total, 5,76% CbC, 1,
44% TaC et 19,3% Co. Elle avait une densité de 5,72. une dureté de 89,2 à l'échelle Rockwell A et une résistance transversale à la rupture de 11116 kg/em2.
<I>Exemple 8:</I> La composition contenait les ingrédients ci-dessous en proportions en poids de TiC 76,3% Cb(TaTi)C 4,0% Co 19,71/o Le Cb (Tari) C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem- ple 1, de sorte qu'elle contenait environ 76,
7 % TIC au total, 2,88% CbC, 0,72% TaC et 19,7 % Co.
La composition avait une densité<B>dé</B> 5,65, une dureté de 89,2 à l'échelle Rocl@vell A et une résistance transversale à la rupture, à température ambiante, de 10 ?00 kg/cm2.
<I>Exemple 9:</I> Cette composition contenait les ingrédients ci-dessous en proportions en poids de TiC 78,21/o Cb(TaTi)C 2,0% <B>Co</B> 19,81/o Le Ob (TaTi) C utilisé pour faire cette composition était le même que dans l'exem ple 1, de sorte qu'elle contenait environ 78,4% TIC au_total, 1,44% CbC, 0,36% TaC et 19,
8 % Co.
Cette composition avait une densité de 5,67, une dureté à l'échelle Rockwell A de 89,2 et une résistance transversale à la rupture, à température ambiante, de 10 985 kg/em2.
<I>Exemple 10:</I> Cette composition contenait les ingrédients ci-dessous en proportions en poids de: TIC 79,1% Cb(TaTi)C 1,0% Co 19,91/0 (La teneur totale en TIC est de 79,2%). Cette composition avait une densité de 5,60, une dureté de 89,5 à l'échelle Rockwell A 0 et une résistance transversale à la- rupture, .
à température ambiante, de 11508 kg/cm2. <I>Exemple 11:</I> Cette composition contenait les ingrédients ci-dessous en proportions en poids de: TIC 800/0 Co 20% Cette composition ne contenait pas de Cb(TaTi)C, mais consistait entièrement en carbure de titane (TIC) et cobalt (Co). Elle avait une densité de 5,53, une dureté de 90,9 à l'échelle Rockwell A et une résistance trans versale à la rupture, à température ambiante,
de 12 554 kg/em2. Cette composition avait une résistance transversale à la rupture à 980 de 7031 kg/cm2. Sa résistance à la trac tion sous charge à des températures de 980 à 1095 , pendant 10 heures, a été clé<B>1055</B> à 1406 kg/em2. Sa résistance à la traction à 960 a été de 3164 kg/cm2. Sa résistance à la com pression, à température ambiante, a été de 38 670 kg/cm2. Elle avait un module d'élasti cité Young à.
température ambiante de 3 867 000 kg/cm2. Son coefficient de dilatation thermique dans la gamme de 38 à 6500 a été de 9;2 x 10-6 0C-1. Sa conductibilité thermique était de 0,085 cal/sec. OClem. La conductibilité électrique de cette composition était 5 % de celle du cuivre.
En soumettant cette composi tion à l'action de gaz de combustion. à des températures allant jusqu'à 115011, on n'a pas subi d'attaque apparente en 48 heures. En chauffant un échantillon de cette composition. pendant 16 heures à 9800 dans un four à moufle, on a eu une augmentation d'épaisseur de 0,05 à 0,1 mm.
Cette composition n'est par suite pas aussi résistante à l'oxydation, aux températures élevées, que celle de l'exem ple 1, Exemple <I>12:</I> Cette composition est analogue à celle de l'exemple 11, sauf que l'on a remplacé le cobalt par du fer comme métal auxiliaire Elle contient les ingrédients ci-dessous en proportions en poids de:
TiC 80,01/o Fe 20,01/0 Cette composition avait une densité de 5,44, une dureté de 91,8 à l'échelle Roclwell A et une résistance transversale à la rupture à température ambiante, de 12118 kg/cm2.
Le graphique de la fig. 1 représente l'effet de l'augmentation de la température sur la résistance transversale à la rupture des com positions des exemples 1 et 11 et il montre clairement que ces compositions sont d'une nature telle qu'on peut les utiliser à des tem pératures élevées sans réduction sensible<B>-</B>de la résistance du fait du chauffage. Cette caractéristique montre que ces compositions sont utilisables dans des appareils tels que des moteurs à réaction, des turbines à gaz ou des moteurs à air chaud où les tempéra tures de fonctionnement sont élevées.
Le graphique de la fig. 2 montre l'effet, sur la résistance transversale à la rupture, à température ambiante, de proportions variables de Cb (TaTi) C.
Cette courbe montre que, alors que la résistance transversale à la rupture diminue à mesure que l'on ajoute du Cb (TaTi) C à la composition, la diminu tion de la résistance est négligeable jusqu'à ce que le Cb (TaTi) C représente de 50 % de la composition.
Les valeurs ayant servi à faire cette courbe sont basées sur-des essais faits sur les compositions des exemples 1 et 3 à 11 inclus. On remarquera que, quoique ces com positions contiennent des proportions en poids variables en cobalt, la proportion est calculée de -façon que le pourcentage du cobalt en volume soit le même dans toute la série. En conséquence, les valeurs de dureté et de résis tance ne sont pas affectées du fait d'une modification de la proportion en volume du cobalt.
Le graphique de la fig._ 3 montre l'effet des pourcentages variables de Cb (TaTi) C dans la composition sur sa résistance à l'oxy dation aux températures élevées, cet effet étant mesuré par l'augmentation d'épaisseur d'une face â prés exposition pendant 64 heures à une température de 980 dans un four à moufle.
Ceci montre que des compositions contenant 5 à 50% de Cb(TaTi)C (depuis environ 3,6% CbC et 0,09% TaC jusqu'à environ 36,0% CbC et 0,9% TaC)
présentent la résistance maximum de l'oxydation 'a' ces températures élevées. La composition optimum semble être celle de l'exemple 1 contenant 151/o Cb (Tari) C, c'est-à-dire contenant envi ron 10,81/o CbC et 2,71/o TaC.
On remarquera que les compositions décrites ici, à l'exception de celle de l'exem= ple 6, ont taie densité inférieure à celle de l'acier et que, dans certains cas, la densité n'est environ que les 2/3 de celle de l'acier.
Quoique ces compositions soient plus légères que l'acier, elles sont toutes considérablement plus dures que lui, et elles sont sensiblement aussi résistantes que l'acier à température ambiante, cette résistance se maintenant mieux que celle de l'acier jusqu'à des températures voisines de 980 à 1095 . Etant donné ces caractéristiques, ces compositions sont parti culièrement intéressantes pour la fabrication de pièces qui sont soumises à des tempéra tures élevées.
Toutes ces compositions sont résistantes à l'oxydation et à la corrosion aux températures élevées, mais cette caractéristique semble être renforcée par l'addition de Cb(TaTi)C. Lors que la composition contient 15% Cb (TaTi) C, c'est-à-dire 10,8% de CbC et 2,7% de TaC, la résistance à l'oxydation aux températures élevées semble être maximum.
Toutefois, la résistance à l'oxydation aux températures élevées est grande lorsque la composition con- tient de 5 à 50 % de Cb (TaTi) C. Cette grande résistance à l'oxydation aux températures élevées, fait que ces compositions sont parti culièrement intéressantes lorsque les pièces sont soumises à des gaz oxydants ou corrosifs à ces températures élevées.
Corrosion resistant hard sintered composition. The present invention relates to a sintered and hard composition resistant to corrosion, substantially free of free carbon, oxides and nitrides, characterized in that it contains at least 151% by weight of titanium carbide TiC , 13 to 20% of at least one metal of the iron group, this composition having a density of between 5 and 8.35,
a Rockwell A scale hardness exceeding 87.0 and a transverse fracture resistance, at room temperature, of at least 6320 kg / m 2.
In a particular form, the composition is suitable for use in conditions where the material is exposed to the action of corrosive or oxidizing gases at relatively high temperatures, such as is encountered in engine parts. jet, gas turbine blades, hot air engine parts and the like.
This composition, while having a considerably lower density than that of steel alloys, is more robust than these alloys and retains its mechanical strength at relatively high temperatures.
Such a composition has a relatively high resistance to thermal shocks.
Such a composition has a density significantly lower than that of steel, but has the advantages over steel of having superior transverse tensile strength and elongation strength at high temperatures, and considerably hardness. greater, higher modulus of elasticity, lower coefficient of thermal expansion and greater heat conductivity; its resistance to thermal shocks is better than that of ceramic products such as molten alumina or fired zirconium oxide.
The accompanying drawing represents graphs of some of the characteristics of several embodiments of the composition according to the invention. In this drawing: Fig. 1 is a graph showing the effect of increasing the temperature on the transverse tensile strength of the compositions of Examples 1 and 11.
Fig. 2 is a graph showing the variation of the transverse resistance at. breaking, at room temperature, a series of compositions in which the cobalt content is constant by volume, while the percentage by weight of Cb (TaTi) C in the composition varies.
Fig. 3 is a graph showing the effect of oxidation in an open muffle furnace, at 980, on a series of compositions in which the cobalt content remains constant in volume, but where the weight percent of Cb (TaTi ) C varies.
The sintered composition may contain, in addition to titanium carbide (TiC), cobalt (Co). 9u obtains a composition having the most advantageous characteristics for all applications when a certain proportion of columbium carbide-tantalum-titanium, denoted here by Cb (TaTi) C, is also incorporated therein. It is possible to replace at least by leaves cobalt with another metal from the iron group.
To produce a composition having the characteristics and properties given herein, it is necessary to use titanium carbide (TiC) having a substantially uniform carbon content and not containing free titanium, free carbon, or oxide. and titanium nitride. The usual process for manufacturing titanium carbide consists of heating titanium oxide with carbon, which causes the reduction of the oxide to metallic titanium and carburization of this metallic titanium. This way of proceeding does not give a titanium carbide suitable for entering into the composition according to the present invention.
Titanium carbide made this way has varying carbon content and it contains free carbon as well as varying proportions of titanium oxide and titanium nitride. A sintered composition made from titanium carbide obtained by this ancient process does not have the mechanical strength and other valuable qualities which are the characteristics of the present invention.
As far as is known, the only titanium bide (TiC) suitable for preparing sintered hard compositions having the properties given herein is that produced by a process in which titanium and carbon are dissolved in molten iron and wherein the melt is held for at least one hour at a temperature between 2800 and 3050, after which the mass is cooled, the pellet of the ingot crushed and leached with acid to remove the acid soluble parts.
After this leaching, the material is washed and the heavy part is separated from the light part by density difference, the heavy part consisting of titanium carbide (TiC) with a uniform carbon content and not containing impurities, such as oxides, nitrides and free carbon. This material has a density of about 4.90. The material indicated above is that which will be referred to herein as titanium carbide (TiC).
For best results, it is preferable that the composition contains, in addition to TiC, a small proportion of tantalum carbide (TaC) or columbium carbide (CbC) or both, but it has been found to be more It is convenient to add to the composition the carbides of columbium and of tantalum in the form of multiple carbides designated herein as Ch (TaTi) C. This multiple carbide is described in US Pat. No. 2,124,509 of July 19, 1938.
It has a specific gravity of about 7.72 and contains about 72.02 / a CbC, 17.900 / 0 TaC and 10.0811 / o TiC. However, these proportions are not critical and they can be changed a little. They vary depending on the columbium ore used to make <B> Ch </B> (TaTi) C.
The compositions described below can generally be made by the process generally used to make the cemented carbide compositions. for tools, except that some refinements are desirable to obtain the best results. The carbide constituents of the composition, in the form of crystals of size less than 152 microns and the auxiliary powdered metal (iron, cobalt or nickel) having an average particle size of about 25 microns, are placed in a ball mill. in steel. The balls used in this mill can be cemented carbide or steel, since the presence of iron in these compositions is not detrimental.
The mill is then filled with a light petroleum solvent to expel the air from it and closed, after which. the charge is crushed for three to six days. The liquid is then separated from the mill and from the feed by settling and evaporation and a temporary binder, for example 0.25 to <B> 1.00% </B> of paraffin, is placed in the material. At the end of grinding, the average particle size of the material is 1 to 5 microns. The mixture is then compressed to give it the desired shape. Although this can be done by any usual compression mode, it has been found that much more interesting results are obtained using an explosion compression process.
In accordance with this, a hydrostatically and rapidly pressure is applied to the material in all directions and on. can thus obtain very high pressures. After compressing the mixture to the desired shape, the parts can be sintered or they can be further shaped by machining, and then sintered.
However, if it is necessary to have a very complex form, the material in this form does not. not sufficient strength to withstand the necessary machining and, in this case, it is subjected to a preliminary heat treatment at temperatures of 1038 to 1149 to give it sufficient mechanical strength to withstand the machining pressure with diamond tools, but this heat treatment is not sufficient to effect sintering.
After final shaping, during which the shrinkage taking place during sintering and amounting to 16 to 20% must be taken into account, the final sintering is carried out at temperatures from 1538 to 1927 in an electric induction furnace. wherein a vacuum of one tenth mm of mercury or less is maintained during sintering. After cooling the furnace, the parts can be removed and brought to the final shape by grinding on a diamond wheel.
It has been found that other methods of obtaining the desired shapes can be used. After addition of a suitable lubricant, the mixture, ground by balls, of carbides and auxiliary metal can be press-spun into the desired shape in cross-section, after which it is cut into pieces of the required length. It has been found that this process gives satisfaction for making tubes and that it may be suitable for making blades for air.
It is also possible, with these compositions, to produce objects shaped by hot compression by simultaneously applying heating and compression to the mixture contained in a shaping matrix. The particular compositions described in the following examples were made according to the process indicated above: <I> Example 1: </I> We have done. this composition from a mixture of the ingredients below in the following proportions by weight:
TiC 66.31 / o Cb (TaTi) C 15.0% Co <B> 18.70 / 0 </B> The Cb (TaTi) C used to make this composition (as well as those of examples 2 to 10 below) contained approximately:
72% CbC, 18% TaC and 10% TiC, so that the composition contained:
67.81 / a TiC in total, 10.8 0/0 CbC, 2.7% TaC and 18.7% Co. The composition made from this mixture, by proceeding as described in the paragraph above , had a density of 5.92,
a hardness of 88.9% on the Rockwell scale A. and a transverse resistance to breakage at room temperature of about 10,000 kg / cm2. This composition had a transverse fracture strength at 980 of 7031 kg / cm2. The Young's modulus of elasticity, at room temperature, of this composition was 4,021,000 kg / m 2. The coefficient of thermal expansion in the range of 38 to 650 was 45,
6 x 10-6 C-1 and its thermal conductivity was
EMI0003.0070
This composition has been found to be extremely resistant to corrosion or oxidation at elevated temperatures. This oxidation or corrosion was measured by the increase in thickness of one face of the sample after exposing it for 64 hours in a muffle furnace at a temperature of 980. In the case of this composition, the increase in thickness on one side, after this heating, was only 0.017 mm. The same rate of oxidation was observed in several tests during which the temperature was raised to 1205 C.
<I> Example 2: </I> This composition was the same as that of Example 1, except that nickel was used instead of cobalt as the auxiliary metal. The mixture contained the ingredients below with the following proportions by weight: TiC 66.31 / o <B> Ob </B> (TaTi) C 15.01 / o Ni 18.71 / o Le Ob (TaTi) C used to make this composition was the same as in Example 1,
so that it contained 67.8% TiC in total, 10.8% CbC, 2.71 / o TaC and 18.7% Ni.
The specific gravity of this composition was 5.73, its Rockwell A hardness 87.3 and its transverse tensile strength at room temperature 10,800 kg / cm2.
<I> Example 3:, </I> This composition contained the ingredients below in the following proportions: TiC 51.71 / o - Cb (TaTi) C 31.0% Co 17.31 / o Le Ob (TaTi ) C used for this composition was the same as in Example 1, so that it contained about 54.8% TiC in total, 23.39 / o CbC,
5.6% TaC and 17.3% Co. Its specific gravity was 6.17, its hardness on the Rockwell A scale was 91.6, and its transverse fracture resistance at room temperature was 6757 kg / cm2. .
Example <I> 4: </I> This composition was made from a mixture containing the ingredients below, in proportions by weight: TiC 41.81 / 0 Cb (TaTi) C 41.8% Co 16 , 4% The Ob (TaTi) C used to make this composition was the same as in Example 1, so that it contained about 46% TiC in total, 30.1% CbC, 7,
5% TaC and 16.4% Co, Its denity was 6.54, its Rockwell A scale hardness 91.5 and its tensile strength at room temperature 6686 kg / cm2.
<I> Example 5: </I> This composition contained the following ingredients in proportions by weight: _ TiC 29.8% Cb (TaTi) C 55.0% Co 15.21 / o The Ob (TaTi) C used for making this composition was the same as in Example 1, so that it contained about 35.3% TiC in total, 39.6% CbC, 9,
8% TaC and 15.2% Co. Its density was 7.10, its hardness on the Rockwell A scale was 89.8 and its tensile strength at room temperature was 8,020 kg / cm2.
<I> Example 6: </I> This composition contained the following ingredients in proportions by weight: TiC 7.01) / o <B> Ob </B> (TaTi) C 80.011 / 0 Co 13.01 / o Le Ob (TaTi) C used to make this composition was the same as in Example 1, so that it contained about 15% TiC in total, 57.61 / o CbC, 14.31 / o TaC and 13,
0% Co. Its density was 8.35, its hardness was 90.2 on the Rockwell A scale, and its transverse tensile strength at room temperature was 6320 kg / cm2.
<I> Example 7: </I> This hard composition was made with the ingredients below in proportions by weight of TiC 72.71 / o Cb (TaTi) C 8.0% Co 19.3% Le Cb (TaTi ) C used to make this composition was the same as in Example 1, so that it contained about 73.5% TiC in total, 5.76% CbC, 1,
44% TaC and 19.3% Co. It had a specific gravity of 5.72. a hardness of 89.2 on the Rockwell A scale and a transverse tensile strength of 11116 kg / em2.
<I> Example 8: </I> The composition contained the ingredients below in proportions by weight of TiC 76.3% Cb (TaTi) C 4.0% Co 19.71 / o The Cb (Tari) C used to make this composition was the same as in Example 1, so that it contained about 76,
7% TIC in total, 2.88% CbC, 0.72% TaC and 19.7% Co.
The composition had a <B> die </B> density 5.65, a hardness of 89.2 on the Rocl @ vell A scale and a transverse tensile strength at room temperature of 10.00 kg / cm2. .
<I> Example 9: </I> This composition contained the ingredients below in proportions by weight of TiC 78.21 / o Cb (TaTi) C 2.0% <B> Co </B> 19.81 / o The Ob (TaTi) C used to make this composition was the same as in Example 1, so that it contained approximately 78.4% TIC au_total, 1.44% CbC, 0.36% TaC and 19 ,
8% Co.
This composition had a specific gravity of 5.67, a Rockwell A scale hardness of 89.2 and a transverse tensile strength at room temperature of 10,985 kg / m 2.
<I> Example 10: </I> This composition contained the ingredients below in proportions by weight of: TIC 79.1% Cb (TaTi) C 1.0% Co 19.91 / 0 (The total content of TIC is 79.2%). This composition had a density of 5.60, a hardness of 89.5 on the Rockwell A 0 scale and a transverse tensile strength.
at room temperature, 11508 kg / cm2. <I> Example 11: </I> This composition contained the ingredients below in proportions by weight of: TIC 800/0 Co 20% This composition did not contain Cb (TaTi) C, but consisted entirely of titanium carbide (TIC) and cobalt (Co). It had a specific gravity of 5.53, a hardness of 90.9 on the Rockwell A scale and a transverse tensile strength at room temperature,
of 12 554 kg / sqm. This composition had a transverse tensile strength at 980 of 7031 kg / cm2. Its tensile strength under load at temperatures of 980 to 1095, for 10 hours, was key <B> 1055 </B> at 1406 kg / em2. Its tensile strength at 960 was 3164 kg / cm2. Its compressive strength at room temperature was 38,670 kg / cm2. She had a Young's modulus of elasticity.
ambient temperature of 3,867,000 kg / cm2. Its coefficient of thermal expansion in the range of 38 to 6500 was 9; 2 x 10-6 0C-1. Its thermal conductivity was 0.085 cal / sec. OClem. The electrical conductivity of this composition was 5% of that of copper.
By subjecting this composition to the action of combustion gases. at temperatures up to 115011 there was no apparent attack within 48 hours. By heating a sample of this composition. for 16 hours at 9800 in a muffle furnace, there was an increase in thickness of 0.05 to 0.1 mm.
This composition is therefore not as resistant to oxidation at high temperatures as that of Example 1, Example <I> 12: </I> This composition is similar to that of Example 11, except that the cobalt has been replaced by iron as an auxiliary metal It contains the ingredients below in proportions by weight of:
TiC 80.01 / o Fe 20.01 / 0 This composition had a density of 5.44, a hardness of 91.8 on the Roclwell A scale and a transverse tensile strength at room temperature of 12,118 kg / cm2 .
The graph of fig. 1 shows the effect of increasing the temperature on the transverse tensile strength of the compositions of Examples 1 and 11 and it clearly shows that these compositions are of such a nature that they can be used at temperatures high without noticeable <B> - </B> reduction in resistance due to heating. This characteristic shows that these compositions can be used in devices such as jet engines, gas turbines or hot air engines where the operating temperatures are high.
The graph of fig. 2 shows the effect, on the transverse tensile strength at room temperature, of varying proportions of Cb (TaTi) C.
This curve shows that, while the transverse tensile strength decreases with the addition of Cb (TaTi) C to the composition, the decrease in strength is negligible until the Cb (TaTi) C represents 50% of the composition.
The values used to make this curve are based on tests carried out on the compositions of Examples 1 and 3 to 11 inclusive. It will be noted that, although these compositions contain varying proportions by weight of cobalt, the proportion is calculated so that the percentage of cobalt by volume is the same throughout the series. Accordingly, the hardness and strength values are not affected due to a change in the volume proportion of cobalt.
The graph in fig. 3 shows the effect of varying percentages of Cb (TaTi) C in the composition on its resistance to oxidation at high temperatures, this effect being measured by the increase in thickness of a face exposure for 64 hours at a temperature of 980 in a muffle furnace.
This shows that compositions containing 5 to 50% Cb (TaTi) C (from about 3.6% CbC and 0.09% TaC up to about 36.0% CbC and 0.9% TaC)
exhibit the maximum resistance to oxidation at these elevated temperatures. The optimum composition appears to be that of Example 1 containing 151 / o Cb (Tari) C, that is to say containing approximately 10.81 / o CbC and 2.71 / o TaC.
It will be noted that the compositions described here, with the exception of that of Example 6, have a lower density than that of steel and that, in certain cases, the density is only about 2/3 that of steel.
Although these compositions are lighter than steel, they are all considerably harder than steel, and they are about as strong as steel at room temperature, this resistance being maintained better than that of steel up to temperatures. neighbors from 980 to 1095. In view of these characteristics, these compositions are of particular interest for the manufacture of parts which are subjected to high temperatures.
All of these compositions are resistant to oxidation and corrosion at high temperatures, but this characteristic appears to be enhanced by the addition of Cb (TaTi) C. When the composition contains 15% Cb (TaTi) C, i.e. 10.8% CbC and 2.7% TaC, the resistance to oxidation at elevated temperatures appears to be maximum.
However, the resistance to oxidation at high temperatures is great when the composition contains 5 to 50% of Cb (TaTi) C. This great resistance to oxidation at high temperatures makes these compositions particularly advantageous. when parts are subjected to oxidizing or corrosive gases at these high temperatures.