DE10311625B4

DE10311625B4 - Beschichtete Faser, Verbundmaterial und ihre Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10311625B4
Application number: DE10311625A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Sendai Fujioka; Daisuke Sendai Shibata; Tatsuyuki Sendai Nakaoka
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: US20050147851A1; DE10311625A1; US7250123B2; US6878434B2; US20040013875A1

Abstract

Beschichtete Faser mit einem Kern aus Keramik und einer Beschichtung aus einer zweiten Keramik anderer Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung C_in/C_out 0,1 bis 2 ist.

Description

Diese Erfindung betrifft eine beschichtete Faser, erhalten durch Beschichten des äußeren Umfangs eines Kernmaterials mit einer Beschichtung anderer Zusammensetzung als das Kernmaterial, sowie ein Verfahren zur deren Herstellung.
Konventionell wurde eine Technik zur Verbesserung der Zähigkeit einer Konstruktion zusätzlich zu ihrer Härte und Stärke durch Beschichten des äußeren Umfangs eines kontinuierlichen Kernmaterials wie Warenbahnen mit einem anderen Material untersucht. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 5,645,781 A dass eine Verbundkonstruktion mit ausgezeichneter Zähigkeit, die nicht spröde Bruchcharakteristiken anzeigt, erhältlich ist durch Strecken eines laminierten Formlings durch Koextrusion, worin der äußere Umfang einer zylindrischen Kernmaterialformgebung, die sich aus einem ersten keramischen Pulver mit einer großen Menge an einem organischen Bindemittel (thermoplastisches Polymer) zusammensetzt, durch einen Hüllschichtformling umgeben wird, der aus einem zweiten keramischen Pulver besteht, das von dem keramischen Pulver des Kernmaterials verschieden ist, und durch anschließendes Sintern des gestreckten Formlings.
Bei der Verbundkonstruktion, die durch das in US 5,645,781 A offenbarte Verfahren erhalten wird, ist es jedoch notwendig, eine große Menge an organischen Bindemitteln zuzugeben, um die Koextrusionsformgebung durchzuführen. Während des Sinterns wird daher eine große Menge des organischen Bindemittels zersetzt und verflüchtigt, wodurch Löcher gebildet werden. Eine große Brennschrumpfung tritt auf, wenn diese Löcher zum Verdichten der Konstruktion während des Sinterns eliminiert werden. Als Ergebnis tritt bei der Verbundkonstruktion, die durch Sintern erhalten wird, eine große Restspannung zwischen dem Kernmaterial und der Hüllschicht auf. In einigen Fällen wird die Delaminierung zwischen den beiden erleichtert und die Stärke der Verbundkonstruktion vermindert sich.
Bei dem obigen Verfahren ist es weiterhin notwendig, eine große Menge des organischen Bindemittels zu zersetzen und zu verflüchtigen. In der Praxis hat die Bindemittel-Ausbrennbehandlung eine Beschränkung. Insbesondere wenn eine große Menge des organischen Bindemittels ohne Zersetzung und Verflüchtigung, d. h. als restlicher freier Kohlenstoff in dem Kernmaterial verbleibt, das im Inneren der Verbundkonstruktion lokalisiert ist, leidet das Kernmaterial an einem schlechten Sintern, und die Sinterdichte erhöht sich nicht, wodurch die Stärke der Grundkonstruktion verschlechtert wird.
DE 692 23 528 T2 beschreibt einen gesinterten keramischen Verbundwerkstoff, der eine Oberflächenschicht einer Zusammensetzung, die Siliciumnitrid und freien Kohlenstoff enthält, und einen Innenbereich aus Siliciumcarbid und eine Kombination aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid und freien Kohlenstoff enthält, wobei der Gehalt an freiem Kohlenstoff und der Gehalt an Siliciumnitrid in der Oberflächenschicht größer als in dem Innenbereich ist. US 4 804 589 A beschreibt ein Element aus gesintertem Siliciumcarbid, dessen Oberfläche mit Zirkonoxid beschichtet ist.
Es ist ein hauptsächliches Ziel dieser Erfindung ein Verbundmaterial mit ausgezeichneter Stärke, Härte und Zähigkeit zur Verfügung zu stellen, selbst wenn das Formen und Sintern insbesondere durch Zugabe einer großen Menge eines organischen Bindemittels durchgeführt werden, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung dieser anzugeben.
Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung, eine beschichtete Faser anzugeben, die in der Lage ist, effektiv eine Bindemittel-Ausbrennbehandlung einzugehen, selbst wenn das Formen und Sintern durch Zugabe einer großen Menge eines organischen Bindemittels durchgeführt werden, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung derselben anzugeben.
Diese Erfinder berücksichtigten das obige Problem und haben die folgende Feststellung gemacht. Bei der Verminderung der Menge des überschüssigen restlichen freien Kohlenstoffes, der in einem Kernmaterial verbleibt, ist es möglich, die Menge der Schrumpfung zu vermindern, die auftritt, wenn das Kernmaterial gesintert wird um die restliche Spannung zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung zu vermindern. Dies eliminiert die Delaminierung und die restliche Spannung, die zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung auftritt, unter Erhalt einer beschichteten Faser mit ausgezeichneter Härte, Zähigkeit und Stärke.
Erfindungsgemäß liegt ein erstes Verfahren zur Verminderung der Menge an Kohlenstoff, der in einem Kernmaterial verbleibt, darin, dass ein Pulver des gleichen Metalls wie die Metallkomponente der Keramik des Kernmaterials zu dem Rohmaterial des Kernmaterials gegeben wird und während der Sinterzeit das Metallpulver mit dem restlichen freien Kohlenstoff, der als Rest eines organischen Bindemittels verbleibt, unter Erzeugung eines Metallcarbids reagieren kann.
Ein zweites Verfahren zur Verminderung der Menge des Kohlenstoffes, der in einem Kernmaterial verbleibt, liegt darin, dass ein Oxidpulver, das sich zu keramischen Teilchen von Carbid, Nitrid oder Carbonitrid umwandelt, zu dem Ausgangsmaterial des Kerns gegeben wird, und dass vor oder während der Sinterung das Oxidpulver einer Carburierung und ggf. Nitridierung zur Freisetzung von Sauerstoff unterworfen wird und dann mit dem restlichen freien Kohlenstoff reagieren kann, der als Rest eines organischen Bindemittels verbleibt.
Ein drittes Verfahren zur Verminderung der Menge an Kohlenstoff, die in einem Kernmaterial verbleibt, ist, dass ein Metalloxidpulver der Eisenfamilie zu dem Ausgangsmaterial des Kernmaterials gegeben wird und dass vor oder während der Sinterung das Metalloxidpulver der Eisenfamilie einer Reduktion unterworfen wird, um Sauerstoff freizusetzen und anschließend mit dem restlichen freien Kohlenstoff reagieren kann, der als Rest eines organischen Bindemittels verbleibt. Eine beschichtete Faser mit ausgezeichneter Härte und Zähigkeit ebenso wie ausgezeichneter Stärke wird erhalten, weil das Oxidpulver in ein Carbid, Nitrid oder Carbonitrid umgewandelt wird, die jeweils eine höhere Härte aufweisen.
Die durch das oben erwähnte erste Verfahren erhaltene erfindungsgemäße beschichtete Faser umfasst einen Kern aus einer ersten Keramik und eine Beschichtung aus einer zweiten Keramik anderer Zusammensetzung als die erste Keramik. Das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung, C_in/C_out, ist 0,1 bis 2, vorzugsweise 0,5 bis 2. Hierin wird der Kern durch Binden mindestens einer ersten Keramik, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden und Carbonitriden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, mit einem Bindemetall erhalten. Der Kern enthält mindestens eine Keramik, ausgewählt aus Oxiden, Carbiden, Nitriden, Carbonitriden und Boriden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al und Si, und ein Sinteradditiv.
Die Menge an freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial ist bevorzugt nicht mehr als 1 Gew.-%. Es ist wünschenswert, dass die Zugspannung in der Oberfläche des Kerns nicht mehr als 200 MPa ist. In einer Alternative kann eine Vielzahl der oben erwähnten beschichteten Fasern verbunden sein, unter Erhalt einer Konstruktion mit einer Multifilamentstruktur.
Die erhaltene erfindungsgemäße beschichtete Faser, die auf dem erwähnten zweiten Verfahren basiert, enthält Carbide, Nitride oder Carbonitride eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von Al und Si sowie ein Bindemetall oder ein Sinteradditiv.
Das Bindemetall oder das Sinteradditiv kann aus einem Metall der Eisenfamilie mit einem Sauerstoffgehalt von 50 bis 1000 ppm bestehen.
In jedem Fall ist es wünschenswert, dass bei den anderen erfindungsgemäßen beschichteten Fasern das Verhältnis von restlichem freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial zu restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung, C_in/C_out, 0,1 bis 2, vorzugsweise 0,5 bis 2, ist, wie zuvor beschrieben. Es ist ebenfalls gewünscht, dass die Porosität in dem Kernmaterial dieser beschichteten Fasern nicht mehr als A04 ist, und dass der Anteil an freiem Kohlenstoff im Kern und in der Beschichtung nicht mehr als C02 ist.
Das Verbundmaterial der vorliegenden Anmeldung wird gekennzeichnet durch beschichtete Fasern nach den Ansprüchen 1 bis 8.
Ein Verfahren zur Herstellung der beschichteten Faser gemäß dieser Erfindung umfasst: (a) Mischen von Pulver mindestens eines Carbids, Nitrids oder Carbonitrids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, und eines Bindemetalls oder Pulver mindestens eines Carbids, Nitrids oder Carbonitrids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von Al und Si und eines Sinteradditivs mit einem organischen Bindemittel und einem Pulver eines Metalls des mindestens einen eingesetzten Carbids, Nitrids oder Carbonitrids und Formen der Mischung zu Fasern; (b) Bilden eines Hüllschichtformlings anderer Zusammensetzung als die der Faser und Überziehen der Faser mit dem Hüllschichtformling; und (c) Sintern der überzogenen Fasern, so dass das Metallpulver in eine Keramik umwandelt und deren Volumen expandiert wird.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Faser gemäß dieser Erfindung umfasst die Schritte: (a) Mischen von Pulver mindestens eines Oxids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von SiO₂ mit einem organischen Bindemittel und mit einem Pulver eines Bindmetalls oder eines Sinteradditivs und Formen der Mischung zu Fasern; (b) Bilden eines Hüllschichtformlings anderer Zusammensetzung als die der Faser und Überziehen der Faser mit dem Hüllschichtformling; und (c) Sintern der überzogenen Fasern. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloxide vor oder während der Sinterung carburiert und ggf. nitridiert werden.
In dem Schritt (c) des obigen anderen Herstellungsverfahrens wird eine Behandlung bei 1000 bis 1500°C für 0,5 bis 5 h im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre so durchgeführt, dass zumindest ein Pulver, ausgewählt aus Oxiden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und SiO_2' einer Carburierung oder Nitridierung unterworfen wird, mit anschließendem Sintern bei 1300 bis 1900°C für 0,5 bis 5 h im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre. Weiterhin wird im Schritt (c) zumindest ein Pulver, ausgewählt aus Oxiden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und SiO_2' durch Reaktion mit dem Rest aus dem organischen Bindemittel, das bei Schritt (a) verwendet wird, carburiert.
Ein weiteres Verfahren der Herstellung einer beschichteten Faser gemäß dieser Erfindung umfasst die Schritte: (a) Mischen von Pulver mindestens eines Oxids, Carbids, Nitrids oder Carbonitrids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von Al und Si und einem Metalloxidpulver aus der Eisenfamilie mit einem organischen Bindemittel und Formen der Mischung zu Fasern; (b) Bilden eines Hüllschichtformlings anderer Zusammensetzung als die der Faser und Überziehen der Faser mit dem Hüllschichtformling; und (c) Sintern der überzogenen Fasern. Das Metalloxidpulver der Eisenfamilie wird vor oder während der Sinterung reduziert.
Bei diesen Herstellungsverfahren ist es gewünscht, 30 bis 70 Gew.-% eines organischen Bindemittels zuzugeben. In einer Alternative kann die in Schritt (b) erhaltene, mit dem Hüllschichtformling überzogene Faser gestreckt werden. In einer anderen Alternative kann eine Vielzahl der überzogenen Fasern, die gestreckt sind, verbunden und erneut gestreckt werden, unter Erzeugung eines Verbundmaterials mit einer Multifilamentstruktur.
1 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Beispiel eines Verbundmaterials gemäß dieser Erfindung zeigt; und
2(a), 2(b) und 2(c) sind Bilder, die die Herstellungsschritte einer beschichteten Faser gemäß dieser Erfindung zeigen.
Erste Ausführungsform der Erfindung
Ein erstes Verfahren der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Nach 1 weist eine beschichtete Faser 1 einen Kern 2 und eine Beschichtung 3 auf.
Als Material einer ersten Keramik, aus der das Kernmaterial 2 besteht, gibt es zum Beispiel Carbide, Nitride und/oder Carbonitride eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, insbesondere mindestens eine Keramik, ausgewählt aus WC, TiC, TiCN, TiN, TaC, NbC, ZrC, ZrN, VC, Cr₃C₂ und Mo₂C, besonders bevorzugt eine Keramik, umfassend WC, TiC oder TiCN als Hauptkomponente. Die erste Keramik wird durch Binden dieser Materialien mit einem Bindematerial, das sich aus zumindest einem Material zusammensetzt, ausgewählt aus Fe, Co und Ni, insbesondere aus Co und/oder Ni, erhalten. Eine insbesondere geeignete erste Keramik ist ein zementiertes Carbid oder Cermet.
Als Material einer ersten Keramik, aus der das Kernmaterial 2 besteht, gibt es neben der oben erwähnten Keramik zum Beispiel eines von Oxiden, Carbiden, Nitriden und Carbonitriden, ausgewählt aus Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al und Si, bevorzugt zumindest eines aus Al₂O₃-TiC, Al₂O₃-TiCN, SiC, Si₃N₄, ZrO₂ und TiB₂, besonders bevorzugt Al₂O₃-TiC, Al₂O₃-TiCN und/oder SiC. Es ist möglich, eine geeignete Sinteradditivzusammensetzung in die erste Keramik einzufügen.
Als Material der Beschichtung 3, die den äußeren Umfang des Kernmaterials 2 beschichtet, wird eine zweite Keramik verwendet, die eine andere Zusammensetzung als die des Kernmaterials 2 umfasst.
Als zweite Keramik können Polykristall-Diamant, DLC (diamantartiger Kohlenstoff) und cBN neben den oben erwähnten Materialien für das Kernmaterial 2 verwendet werden.
Als geeignete Kombination des Kernmaterials 2 (d. h. die erste Keramik) und der Beschichtung 3 (d. h. die zweite Keramik) können genannt werden: eine Kombination zementiertes Carbid-Cermet (mit ”zementiertes Carbid-Cermet” bezeichnet), zementiertes Carbid-cBN, zementiertes Carbid-Diamantsinterkörper, zementiertes Carbid-Aluminiumoxid, zementiertes Carbid-Siliciumnitrid, Cermet-zementiertes Carbid, Cermet-Diamantsinterkörper, Cermet-Aluminiumoxid, Cermet-Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid-Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid-Siliziumnitrid, und Siliciumcarbid-Diamantsinterkörper. Unter diesen Kombinationen ist eine Kombination zementiertes Carbid-Cermet, zementiertes Carbid-Diamantsinterkörper, oder Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid am meisten geeignet, weil sie eine gute Ausgewogenheit von Härte und Zähigkeit aufweist und als Schneidwerkzeug geeignet ist.
Das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial 2 zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung 3, C_in/C_out, wird auf den Bereich von 0,1 bis 2, bevorzugt 0,5 bis 2, eingestellt. Dies ermöglicht, dass das organische Bindemittel vollständig aufgelöst und aus dem Kernmaterial 2 verflüchtigt werden kann. Denn eine große Menge an restlichem freien Kohlenstoff führt zu einer schlechten Sinterung des Kernmaterials 2. Es ist daher möglich, die Stärke der beschichteten Faser 1 zu verbessern. Das heißt, wenn das Verhältnis C_in/C_out kleiner als 0,1 ist, ist es unmöglich, eine gleichmäßig beschichtete Faser 1 herzustellen. Wenn auf der anderen Seite das Verhältnis C_in/C_out mehr als 2 ist, leidet das Kernmaterial 2 an einer schlechten Sinterung, weil die Stärke der beschichteten Faser 1 niedrig ist.
Zur Verdichtung des Kernmaterials 2 und zur Verbesserung der Stärke der beschichteten Faser 1 ist die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial nicht mehr als 1 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 Gew.-%. Mit anderen Worten ist die Porosität bezogen auf ANSI/ASTM B276-54 (ISO 4505 zementierte Carbide-metallografische Bestimmungen der Porosität und unkombinierten Kohlenstoffs) des Kernmaterials 2 und der Beschichtung 3 in der beschichteten Faser 1 nicht mehr als A04 bzw. B04, bevorzugt nicht mehr als A02. Der Anteil an freiem Kohlenstoff ist im beiden nicht mehr als C02. Der Ausdruck ”Menge an restlichem freiem Kohlenstoff” bezeichnet das Verhältnis des freien Kohlenstoffs, mit Ausnahme des Kohlenstoffs aus dem Carbid oder Carbonitrid zur Gesamtmenge des Kernmaterials 2 oder der Beschichtung 3.
Zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit und/oder zur Verleihung von Leitfähigkeit der beschichteten Faser 1 ist es wünschenswert, dass für die Metallteilchen das gleiche Metall wie die Metallkomponente der Keramik des Kernmaterials 2 verwendet wird. Weiterhin können diese Metallteilchen auch in der Beschichtung 3 enthalten sein.
Zur Verbesserung der Härte und Stärke der beschichteten Faser 1 und ebenfalls zur Optimierung des Gehaltes eines Bindemittelmaterials (Bindemetall oder Sinteradditiv) in dem Kernmaterial 2 und der Beschichtung 3 ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser der ersten Keramikteilchen, aus denen das Kernmaterial 2 besteht, bevorzugt 0,05 bis 10 μm, besonders 0,1 bis 3 μm. Andererseits ist zur Verbesserung der Zähigkeit der beschichteten Faser 1 der durchschnittliche Teilchendurchmesser der zweiten Keramikteilchen, aus denen die Beschichtung 3 besteht, bevorzugt 0,01 bis 5 μm, insbesondere 0,01 bis 2 μm.
Zur Erzielung einer Kompatibilität zwischen Härte und Zähigkeit in der beschichteten Faser 1 ist der Durchmesser D₁ des Kerns 2 2 bis 1000 μm, bevorzugt 10 bis 500 μm, besonders bevorzugt 50 bis 200 μm und die Dicke D₂ der Beschichtung 3 1 bis 500 μm, bevorzugt 2 bis 100 μm, besonders bevorzugt 10 bis 50 μm.
Weiterhin kann gemäß dieser Erfindung mit der oben erwähnten Konfiguration die Zugbeanspruchung, die in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial 2 und der Beschichtung 3 vorhanden ist, auf nicht mehr als 200 MPa, insbesondere 153 MPa erniedrigt werden, um dadurch eine Delaminierung zwischen diesen und die Verschlechterung der Stärke zu verhindern.
Weiterhin kann gemäß dieser Erfindung eine Vielzahl der beschichteten Fasern 1, worin der äußere Umfang des Kernmaterials 2 mit der Beschichtung 3 beschichtet ist, unter Erhalt einer Multifilamentstruktur verbunden sein, wie in 1 gezeigt ist, was weiterhin die Zähigkeit des Verbundmaterials verbessert. Selbst beim Verbinden einer Vielzahl von beschichteten Fasern 1 zu einem Faserbündel kann die Menge des freien Kohlenstoffs im Zentrum des Faserbündels vermindert werden, ohne dass die Bindemittel-Ausbrenneigenschaften erniedrigt werden, was somit zu einer verdichteten Konstruktion mit hoher Stärke führt.
Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, wenn der Durchmesser der beschichteten Faser 1 oder ihres Bündels 1 mm oder mehr, insbesondere 5 mm oder mehr, weiterhin 10 mm oder mehr ist, und/oder die Länge 10 mm oder mehr, insbesondere 30 mm oder mehr, weiterhin 50 mm oder mehr ist, die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff des Kernmaterials der beschichteten Faser, die in der Nähe des Zentrums des Bündels angeordnet ist, zu reduzieren und ebenfalls die Delaminierung zwischen dem Kernmaterial 2 und der Beschichtung 3 zu eliminieren.
Weiterhin kann gemäß dieser Erfindung eine Vielzahl der oben erwähnten beschichteten Faser parallel angeordnet werden, unter Erhalt eines Blattes. Weiterhin kann eine Vielzahl solcher Blätter laminiert werden, so dass die benachbarten kontinuierlichen Körper aus diesen Blättern einen vorbestimmten Winkel aufweisen, wie 0°, 45° oder 90°.
<Erstes Ausführungsbeispiel>
Ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion dieser Erfindung wird bezogen auf die schematischen Bilder in den 2(a), 2(b) und 2(c) beschrieben.
Zunächst werden (i) bis zu 80 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 70 Gew.-% von ersten Keramikteilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm, die sich aus zumindest einem von Oxiden, Carbiden, Nitriden und Carbonitriden zusammensetzen, ausgewählt aus Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al und Si, und (ii) 3 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 30 Gew.-% eines Pulvers des gleichen Metalls wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen und mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm und gegebenenfalls 5 bis 20 Gew.-% eines Metallpulvers der Eisenfamilie mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm oder 1 bis 20 Gew.-% eines Sinteradditivs vermischt. Anschließend werden ein organisches Bindemittel wie Paraffinwachs, Polystyrol, Polyethylen, Ethylen-Ethylacrylat, Ethylen-Vinylacetat, Polybutylmethacrylat, Polyethylenglycol oder Dibutylphthalat, ein Plastifizierer und ein Lösungsmittel zu der Mischung gegeben und dann geknetet. Diese geknetete Mischung wird dann zu einer zylindrischen Form mit einem Formverfahren wie Pressen oder Gießen geformt, unter Erhalt eines Kernformlings 12 (siehe 2(a)).
Für den Erhalt einer gleichmäßig beschichteten Faser durch Strecken, das nachfolgend beschrieben wird, ist der Gehalt des obigen organischen Bindemittels 30 bis 70 Vol.-%, bevorzugt 40 bis 60 Vol.-%.
Auf der anderen Seite wird eine Mischung, aus der die Beschichtung 3 besteht und die eine andere Zusammensetzung als der oben erwähnte Formling 12 aufweist, zusammen mit dem erwähnten Bindemittel geknetet. Durch ein Formverfahren wie Pressen, Extrusion oder Guss werden aus dieser gekneteten Mischung 2 Hüllschichtformlinge 13 mit einer halbzylindrischen Form erzeugt. Diese Hüllschichtformlinge 13 werden so angeordnet, dass der äußere Umfang des Kernmaterialformlings 12 beschichtet wird, unter Erhalt eines Formlings 11 (vgl. 2(a)).
Anschließend wird der Formling 11 gestreckt (d. h. der Kernformling 12 und die Hüllschichtformlinge 13 werden zusammen gestreckt). Dies erzeugt einen Verbundformling 15 mit einem kleineren Durchmesser (vgl. 2(b)). Eine Konstruktion mit einer Multifilamentstruktur ist durch Binden der gestreckten kontinuierlichen Verbundformlinge 15 und erneutes Strecken erhältlich (siehe 2(c)).
Falls erwünscht, kann weiterhin dieser gestreckte kontinuierliche Verbundformling 15 erneut gestreckt werden, unter Erhalt einer kontinuierlichen Form mit einem kreisförmigen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt. Als Alternative werden die Verbundformlinge 15 ausgerichtet, unter Erhalt eines Blattes, und eine Vielzahl solcher Blätter wird hergestellt. Aus diesen Blättern wird ein laminierter Körper erzeugt, worin die kontinuierlichen Verbundformlinge 15 so laminiert sind, dass sie parallel zueinander angeordnet sind, sich senkrecht zueinander schneiden oder einen vorbestimmten Winkel, z. B. 45° aufweisen. In einer anderen Alternative kann der kontinuierliche Verbundformling 15 zu einer willkürlichen Form, wie einem Blatt, durch ein bekanntes Formverfahren wie das schnelle Prototyp-Verfahren geformt werden. In einer weiteren Alternative kann ein Blatt, erhalten durch Ausrichten der Verbundformlinge 15 wie oben beschrieben, oder ein Verbundblatt, erhalten durch Schneiden des zuerst genannten Blattes in Querschnittsrichtung, auf die Oberfläche eines kommerziellen Sinterkörpers (Massenkörper) von zementiertem Carbid laminiert oder mit dieser verbunden werden.
Der erhaltene Verbundformling 15 wird einer Bindemittel-Ausbrennbehandlung unterworfen, worin die Temperatur auf 300 bis 700°C für 10 bis 200 h erwärmt oder bei dieser Temperatur gehalten wird, mit anschließendem Sintern im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei einer vorbestimmten Temperatur und Zeit, unter Erhalt einer Konstruktion der beschichteten Faser dieser Erfindung.
Gemäß dieser Erfindung wird Carbid durch die Reaktion des gleichen Metallpulvers wie die Metallzusammensetzung der ersten Keramikteilchen, das zu dem Kernmaterial 2 gegeben ist, mit dem restlichen freien Kohlenstoff erzeugt, der als Rest des organischen Bindemittels während des Sinterns verbleibt. Der restliche freie Kohlenstoff kann oxidiert werden. Dies unterdrückt ebenfalls die Schrumpfung, die durch das Sintern des Kernmaterials begleitet wird, so dass die restliche Spannung zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung reduziert und eine Delaminierung dazwischen verhindert wird.
Erfindungsgemäß ist es gewünscht, dass die Temperaturerwärmungsrate im Bereich von 800°C oder mehr bei 3°C/min oder weniger gesteuert wird, weil es notwendig ist, Carbid zu bilden, indem das Metallpulver in dem Ausgangsmaterial mit dem restlichen freien Kohlenstoff nach der Bindemittel-Ausbrennbehandlung reagieren kann. Es ist ebenfalls gewünscht, die Temperaturkühlungsrate bei 3°C/min oder weniger zu steuern, um die Spannung zwischen dem Kernmaterial 2 und der Beschichtung 3 zu vermindern.
Zusätzlich kann gemäß dieser Erfindung das Volumen der Teile aus Metallpulver durch Oxidation, Borierung oder Nitridierung vergrößert werden.
Zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein zweites Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 1 1 beschrieben. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden als Material, aus dem ein Kernmaterial 2 besteht, zum Beispiel erste Keramikteilchen, die sich aus einem oder mehreren von Carbiden, Nitriden und Carbonitriden eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Si zusammensetzen, insbesondere zumindest eines, ausgewählt aus WC, TiC, TiCN, TiN, TaC, NbC, ZrC, ZrN, VC, Cr₃C₂ und Mo₂C, besonders bevorzugt erste Keramikteilchen, umfassend WC, TiC oder TiCN als Hauptkomponente, und eine Keramik, die durch Binden mit einem Bindemetall erhalten wird, ausgewählt aus Fe, Co und Ni, insbesondere Co und/oder Ni, insbesondere zementiertes Carbid oder Cermet, verwendet.
Es ist möglich, dass ein geeignetes Sinteradditiv in der ersten Keramik enthalten ist.
Als Material der Beschichtung 3, wird eine zweite Keramik anderer Zusammensetzung als das Kernmaterial 2 verwendet.
Als zweite Keramik können Polykristall-Diamant, DLC (diamantartiger Kohlenstoff) und cBN neben den oben erwähnten Materialien für das Kernmaterial 2 verwendet werden.
Als besonders geeignete Kombination des Kernmaterials 2 (d. h. die erste Keramik) und der Beschichtung 3 (d. h. die zweite Keramik) können genannt werden: eine Kombination zementiertes Carbid-Cermet (nachfolgend mit ”zementiertes Carbid-Cermet” bezeichnet), zementiertes Carbid-cBN, zementiertes Carbid-Diamantsinterkörper, zementiertes Carbid-Aluminiumoxid, zementiertes Carbid-Siliciumnitrid, Cermet-zementiertes Carbid, Cermet-Diamantsinterkörper, Cermet-Aluminiumoxid, Cermet-Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid-Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid-Siliciumnitrid, Siliciumcarbid-Diamantsinterkörper, Aluminiumoxid-Cermet, Aluminiumoxid-zementiertes Carbid Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-zementiertes Carbid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Cermet, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, Siliciumnitrid-Aluminiumoxid, Siliciumnitrid-Seltenerdoxid, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid, Diamantsinterkörper-cBN, Siliciumnitrid-zementiertes Carbid, Siliciumnitrid-Cermet, Diamant-Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid, cBN-Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Siliciumcarbid und Aluminiumoxid-Siliciumcarbid. Unter diesen Kombinationen ist eine Kombination zementiertes Carbid-Cermet, zementiertes Carbid-Diamantsinterkörper, oder Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid am meisten geeignet, weil sie eine gute Ausgewogenheit von Härte und Zähigkeit aufweist und als Schneidwerkzeug geeignet ist.
Hier werden die ersten Keramikteilchen, aus denen das Kernmaterial 2 besteht, durch Durchführen einer Carburierung und/oder Nitridierung vor oder während der Sinterung mit zumindest einem Teil des Oxidpulvers erhalten. Dies ermöglicht, dass das organische Bindemittel vollständig aufgelöst und aus dem Kernmaterial 2 verflüchtigt werden kann. Denn eine große Menge an restlichem freiem Kohlenstoff führt zu einem schlechten Sintern des Kernmaterials 2. Es ist daher möglich, die Stärke der beschichteten Faser 1 zu verbessern. Es ist gewünscht, dass das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial 2 zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung 3, C_in/C_out, 0,1 bis 2, bevorzugt 0,5 bis 2, ist.
Zur Verdichtung des Kernmaterials 2 und zur Verbesserung der Stärke der beschichteten Faser 1 ist die Menge des restlichen freien Kohlenstoffes C_in in dem Kernmaterial 2 nicht mehr als 1 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 Gew.-%. Mit anderen Worten ist die Porosität, bezogen auf ANSI/ASTM 3276-54 (ISO 4505 zementierte Carbide-metallografische Bestimmung der Porosität und ungebundenen Kohlenstoffes) des Kernmaterials 2 und der Beschichtung 3 in der beschichteten Faser 1 nicht mehr als A04 bzw. B04, bevorzugt nicht mehr als A02. Der Anteil an freiem Kohlenstoff ist in beidem nicht mehr als C02.
Damit das Carbid, Nitrid oder Carbonitrid, das durch Reaktion mit einem Metalloxid der beschichteten Faser 1 gebildet wird, zu einem Teilchen-Dispersions-Verstärkungsmechanismus beiträgt und die Zähigkeit der Konstruktion verbessert, kann das Kernmaterial 2 ein Oxid aus dem gleichen Metall wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen enthalten. Die Beschichtung 3 kann die gleichen Metalloxidteilchen wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen oder andere Metalloxidteilchen enthalten.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der ersten Keramikteilchen, aus denen das Kernmaterial 2 besteht, und der durchschnittliche Teilchendurchmesser der zweiten Keramikteilchen, aus denen die Beschichtung 3 besteht, kann im gleichen Bereich wie bei dem vorgenannten bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen. Der Durchmesser D₁ des Kerns 2 und die Dicke D₂ der Beschichtung 3 können im gleichen Bereich wie bei dem vorgenannten bevorzugten Beispiel liegen.
Drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung
Ein drittes Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden als Material, aus dem ein Kernmaterial 2 besteht, zum Beispiel erste Keramikteilchen, die sich aus einem oder mehreren von Carbiden, Nitriden und Carbonitriden eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Si zusammensetzen, insbesondere zumindest eines, ausgewählt aus WC, TiC, TiCN, TiN, TaC, NbC, ZrC, ZrN, VC, Cr₃C₂ und Mo₂C, besonders bevorzugt erste Keramikteilchen, umfassend WC, TiC oder TiCN als Hauptkomponente, und eine Keramik, insbesondere zementiertes Carbid oder Cermet, das durch Binden mit einem Bindemetall erhalten ist, das sich aus zumindest einem zusammensetzt, ausgewählt aus Fe, Co und Ni, insbesondere Co und/oder Ni, verwendet.
In der ersten Keramik kann ein Sinteradditiv enthalten sein.
Als Material der Beschichtung 3, die den äußeren Umfang des Kernmaterials 2 beschichtet, wird eine zweite Keramik anderer Zusammensetzung als das Kernmaterial 2 verwendet.
Als zweite Keramik ist es möglich, Polykristall-Diamant, DLC (diamantartiger Kohlenstoff) und cBN neben den oben erwähnten Materialien, die für das Kernmaterial 2 verwendet werden, einzusetzen.
Als besonders geeignete Kombination des Kernmaterials 2 (d. h. die erste Keramik) und der Beschichtung 3 (d. h. die zweite Keramik) können genannt werden: eine Kombination zementiertes Carbid-Cermet (nachfolgend mit ”zementiertes Carbid-Cermet” bezeichnet), zementiertes Carbid-cBN, zementiertes Carbid-Diamantsinterkörper, zementiertes Carbid-Aluminiumoxid, zementiertes Carbid-Siliciumnitrid, Cermet-zementiertes Carbid, Cermet-Diamantsinterkörper, Cermet-Aluminiumoxid, Cermet-Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid-Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid-Siliciumnitrid, Siliciumcarbid-Diamantsinterkörper, Aluminiumoxid-Cermet, Aluminiumoxid-zementiertes Carbid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-zementiertes Carbid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Cermet, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, Siliciumnitrid-Aluminiumoxid, Siliciumnitrid-Seltenerdoxid, Aluminiumoxid oder Siliciumoxid, Diamantsinterkörper-cBN, Siliciumnitrid-zementiertes Carbid, Siliciumnitrid-Cermet, Diamant-Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid, cBN-Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid, Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Siliciumcarbid und Aluminiumoxid-Siliciumcarbid. Unter diesen Kombinationen ist eine Kombination zementiertes Carbid-Cermet, zementiertes Carbid-Diamantsinterkörper, oder Aluminiumoxid oder Titancarbonitrid-Aluminiumoxid am meisten geeignet, weil sie eine gute Ausgewogenheit von Härte und Zähigkeit aufweist und als Schneidwerkzeug geeignet ist.
Hierin werden die ersten Keramikteilchen, aus denen das Kernmaterial 2 besteht, durch Zugabe eines Oxidpulvers eines Metalls der Eisenfamilie, aus dem eine Bindephase oder ein Sinteradditiv besteht, und durch Durchführen einer Reduktion mit zumindest einem Teil des Oxidpulvers vor oder während der Sinterung erhalten. Dies ermöglicht, dass das organische Bindemittel vollständig aufgelöst und aus dem Kernmaterial 2 verflüchtigt werden kann. Denn eine große Menge an restlichem freiem Kohlenstoff führt zu einem schlechten Sintern des Kernmaterials 2. Es ist daher möglich, die Stärke der beschichteten Faser 1 zu verbessern. Es ist gewünscht, dass das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial 2 zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung 3, C_in/C_out 0,1 bis 2, bevorzugt 0,5 bis 2, ist.
Zum Verdichten des Kernmaterials 2 und zur Verbesserung der Stärke der beschichteten Faser 1 ist die Menge des restlichen freien Kohlenstoffes C_in in dem Kernmaterial 2 nicht mehr als 1 Gew.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,2 Gew.-%. Mit anderen Worten ist die Porosität, bezogen auf ANSI/ASTM B276-54 (ISO 4505 zementierte Carbide-metallografische Bestimmung der Porosität und des ungebundenen Kohlenstoffes) des Kernmaterials 2 und der Beschichtung 3 in der beschichteten Faser 1 nicht mehr als A04 bzw. B03, bevorzugt nicht mehr als A02. Der Anteil an freiem Kohlenstoff ist in beidem nicht mehr als C02.
Damit das Carbid, Nitrid oder Carbonitrid, das durch Reaktion mit einem Metalloxid der beschichteten Faser 1 gebildet wird, zu einem Teilchen-Dispersions-Verstärkungsmechanismus beiträgt und die Zähigkeit der Konstruktion verbessert, kann das Kernmaterial 2 ein Oxid aus dem gleichen Metall wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen enthalten. Die Beschichtung 3 kann die gleichen Metalloxidteilchen wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen oder andere Metalloxidteilchen enthalten.
Der durchschnittliche Teilchendurchmesser der ersten Keramikteilchen, aus denen das Kernmaterial 2 besteht, und der durchschnittliche Teilchendurchmesser der zweiten Keramikteilchen, aus denen die Beschichtung 3 besteht, kann im gleichen Bereich wie beim vorgenannten Ausführungsbeispiel liegen. Der Durchmesser D₁ des Kerns 2 und die Dicke D₂ der Beschichtung 3 können im gleichen Bereich wie beim vorgenannten bevorzugten Ausführungsbeispiel liegen.
<Viertes Ausführungsbeispiel>
Ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundkonstruktion gemäß dem vorgenannten bevorzugten Merkmal wird auf der Basis der schematischen Bilder in den 2(a), 2(b) und 2(c) beschrieben.
Zunächst werden (i) 0,01 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% eines Oxidpulvers, das einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm hat und sich aus einem aus Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und Si zusammensetzt; und 30 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 50 bis 70 Gew.-% von ersten Keramikteilchen, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm haben und sich aus zumindest einem von Oxiden, Carbiden, Nitriden und Carbonitriden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al und Si zusammensetzen; und gegebenenfalls 30 Gew.-% oder weniger, bevorzugt 20 Gew.-% oder weniger des gleichen Metallpulvers wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen und gegebenenfalls 5 bis 20 Gew.-% eines Metallpulvers der Eisenfamilie mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 10 μm und 1 bis 20 Gew.-% eines Sinteradditivsvermischt. Anschließend werden ein organisches Bindemittel wie Paraffinwachs, Polystyrol, Polyethylen, Ethylen-Ethylacrylat, Ethylen-Vinylacetat, Polybutylmethacrlat, Polyethylenglycol oder Dibutylphthalat, ein Plastifizierer und ein Lösungsmittel zu der Mischung gegeben und dann verknetet. Diese geknetete Mischung wird dann zu einer zylindrischen Form durch ein Formverfahren wie Pressen oder Gießen geformt, unter Erhalt eines Kernmaterial-Formlings 12 (siehe 2(a)).
Die gleichen anschließenden Schritte wie beim vorgenannten bevorzugten Merkmal werden durchgeführt, unter Erhalt eines Verbundformlings 15. Dieser Verbundformling 15 wird einer Bindemittel-Ausbrennbehandlung unterworfen, bei der die Temperatur auf 100 bis 700°C für 10 bis 200 h erwärmt oder bei dieser Temperatur gehalten wird, mit anschließendem Sintern im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei einer vorbestimmten Temperatur und Zeit, unter Erhalt einer Verbundkonstruktion dieser Erfindung.
Gemäß dieser Erfindung wird das gleiche Metalloxidpulver wie die Metallkomponente der ersten Keramikteilchen, die zu dem Kernmaterial 2 gegeben werden, einer Carburierung oder Nitridierung während des Sinterns unterworfen, so dass Sauerstoff freigesetzt wird, und insbesondere mit dem restlichen freien Kohlenstoff, der als Rest des organischen Bindemittels verbleibt, unter Bildung eines Carbids reagieren kann. Dies ermöglicht die Oxidation von überschüssigem restlichem freiem Kohlenstoff. Zusätzlich wird das Metalloxidpulver in zumindest eines umgewandelt, ausgewählt aus Carbid, Nitrid und Carbonitrid, die eine hohe Stärke aufweisen, wodurch ein Sinterkörper mit ausgezeichneter Härte, Zähigkeit und Stärke erhalten wird.
Bei der Zugabe eines Metalloxidpulvers der Eisenfamilie wird das Metalloxid der Eisenfamilie zu einem Metall der Eisenfamilie reduziert. Dieses kann mit dem freien Kohlenstoff, der als Rest des organischen Bindemittels verbleibt, unter Bildung eines Carbids reagieren. Dies ermöglicht die Oxidation von überschüssigem, restlichem, freiem Kohlenstoff. Zusätzlich agiert das Metall der Eisenfamilie als Bindemittelphase oder Sinteradditiv, wodurch ein Sinterkörper mit ausgezeichneter Härte, Zähigkeit und Stärke erhalten wird.
Es ist ebenfalls möglich, den Sauerstoffgehalt in der Bindephase oder intergranularen Phase (Sinteradditivphase) in Abhängigkeit von der Menge des Metalloxidpulvers der Eisenfamilie und in Herstellung dieser Bedingungen zu steuern.
Weil es notwendig ist, Carbid durch Umsetzen des Metallpulvers in dem Ausgangsmaterial mit dem restlichen freien Kohlenstoff, der durch die Bindemittel-Ausbrennbehandlung erzeugt ist, zu bilden, ist es gewünscht, eine Wärmebehandlung im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei 1000 bis 1500°C, insbesondere 1150 bis 1400°C für 0,5 bis 5 h, insbesondere 1 bis 3 h durchzuführen. Es ist ebenfalls gewünscht, dass die Temperaturerwärmungsrate in dem Bereich von 800°C oder mehr auf 3°C/min oder weniger gesteuert wird. Es wird gewünscht, das Sintern im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre bei 1300 bis 1900, insbesondere 1400 bis 1800 für 0,5 bis 5 h, insbesondere 1 bis 5 h durchzuführen. Es ist ebenfalls gewünscht, die Temperaturkühlrate bei 3°C/min oder weniger zu steuern, um die restliche Spannung zwischen dem Kernmaterial 2 und der Beschichtung 3 zu vermindern.
Zusätzlich ist es gemäß dieser Erfindung möglich, dass ein Metallpulver zusammen mit einem Oxid zugegeben wird, und das Volumen des Metallpulvers wird teilweise durch Oxidation, Borieren oder Nitridieren expandiert. Ansonsten ist dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel das gleiche wie das vorgenannte bevorzugte Ausführungsbeispiel und daher wird seine Beschreibung weggelassen.
Beispiele
Beispiel 1
Zu einer Mischung (100 Volumenteile) aus 75 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 10 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 5 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und 10 Gew.-% W-Metallpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm wurden Cellulose und Polystyrolglycol als organisches Bindemittel und Polyvinylalkohol als Lösungsmittel in der Gesamtmenge von 100 Volumenteilen zugegeben. Diese Mischung wurde dann geknetet und zu einer zylindrischen Form extrudiert, unter Erhalt eines Kernmaterialformlinges.
Auf der anderen Seite wurden zu einer Mischung aus 50 Gew.-% TiCN-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 10 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 7 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 20 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 7 Gew.-% Mo₂C-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und 6 Gew.-% VC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm die gleichen organischen Bindemittel und das Lösungsmittel wie oben erwähnt gegeben. Diese Mischung wurde dann geknetet und dann extrudiert, unter Erhalt von 2 Hüllschichtformlingen mit einer halb geschnittenen zylindrischen Form. Die zwei Hüllschichtformlinge wurden so angeordnet, dass sie den äußeren Umfang des Kernmaterialformlings beschichten, unter Erhalt eines Formlings.
Anschließend wurde dieser Formling gestreckt, unter Erhalt einer gestreckten beschichteten Faser, und 100 gestreckte beschichtete Fasern wurden verbunden und erneut gestreckt, unter Erhalt eines Verbundformlings vom Multifilament-Typ.
Dann wurde dieser Verbundformling vom Multifilament-Typ in 100 mm Länge abgeschnitten und parallel ausgerichtet, unter Erhalt eines Blattes. Diese sechs Blätter wurden so laminiert, dass die beschichteten Fasern in den benachbarten Blättern einen Winkel von 45° hatten, unter Erhalt eines laminierten rechteckigen Parallelepiped-Formlings.
Danach wurde mit diesem laminierten Formling eine Bindemittel-Ausbrennbehandlung durch Erhöhen der Temperatur von 300 bis 700°C in 100 h durchgeführt. Anschließend wurde die Temperatur bei einer Temperaturerhöhungsrate von 2,5°C/min erhöht, das Sintern wurde im Vakuum bei 1450°C für 2 h durchgeführt, und die Temperatur wurde dann bei 3°C/min gekühlt, unter Erhalt einer Konstruktion der beschichteten Faser.
Bei dieser beschichteten Faser wurden die Menge des restlichen freien Kohlenstoffes C_in in dem Kernmaterial und die Menge des restlichen freien Kohlenstoffes C_out in der Beschichtung jeweils basierend auf JISH1402 gemessen. Als Ergebnis war die zuerst genannte 0,3 Gew.-%, die zuletzt genannte war 0,26 Gew.-% und das Verhältnis C_in/C_out war 1,2.
Der Querschnitt des Verbundformlings wurde beobachtet. Der Durchmesser des Kerns war 90 μm und die Dicke der Beschichtung war 15 μm. Zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde keine Delaminierung beobachtet. Die restliche Beanspruchung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde durch Röntgenbeugung gemessen und es wurde festgestellt, dass die Zugfestigkeit von 31 MPa vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit, bezogen auf JISR1601, des Verbundformlings war 2000 MPa. Die Porosität, bezogen auf ANSI/ASTM B276-54 (ISO 4505 zementierte Carbide-metallografische Bestimmung der Porosität und des ungebundenen Kohlenstoffs), der Beschichtung war A00 und die des Kernmaterials war A01.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Konstruktion der beschichteten Faser wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Material für das Kernmaterial in eine Mischung aus (85 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 10 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm und 5 Gew.-% TiC Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm geändert wurde. Die gleiche Auswertung wurde durchgeführt und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten. Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in in Kernmaterial war 3,06, die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,62 Gew.-% und das Verhältnis C_in/C_out war 4,9. Der Querschnitt des Verbundformlings wurde beobachtet und eine große Anzahl von Delaminierungen wurde in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung beobachtet. Durch Messen der restlichen Spannung in der Zwischenfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde festgestellt, dass die Zugspannung von 255 MPa vorlag. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 500 MPa. Die Porosität der Beschichtung war C01 und die des Kernmaterials war C06.
Beispiel 2
Eine Konstruktion der beschichteten Faser wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Material für die Beschichtung in Beispiel 1 in eine Mischung aus 80 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,2 μm, 8 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 0,3 Gew.-% VC-Pulver mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,8 μm, 0,7 Gew.-% Cr₃C₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,8 μm und 11 Gew.-% metallisches W-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,3 μm geändert wurde. Die gleiche Auswertung wurde durchgeführt, und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten. Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial war 0,38 Gew.-%, die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,30 Gew.-% und das Verhältnis C_in/C_out war 1,3. Durch Messen der restlichen Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung durch Röntgenbeugung wurde festgestellt, dass die Zugspannung von 41 MPa vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 1800 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A01 und die des Kernmaterials A02.
Beispiel 3
Eine Konstruktion der beschichteten Faser wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass (i) das Material für das Kernmaterial bei Beispiel 1 in eine Mischung aus 50 Gew.-% Siliciumcarbidpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm, 23 Gew.-% Aluminiumnitridpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm, 17 Gew.-% Aluminiumoxidpulver und 10 Gew.-% metallisches Siliciumpulver geändert wurde (ii) das Material für die Beschichtung bei Beispiel 1 in eine Mischung aus 97 Gew.-% Si₃N₄-Pulver mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 2 μm, 2 Gew.-% Y₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm und 1 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm geändert wurde, und dass (iii) die Temperatur, bei der die Konstruktion gesintert wurde, auf 1900°C geändert wurde. Die gleiche Auswertung wurde durchgeführt und die folgenden Ergebnisse erhalten. Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial war 0,20 Gew.-%, die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,21 Gew.-% und das Verhältnis C_in/C_out war 0,95. Durch Messen der restlichen Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde festgestellt, dass die Zugspannung von 104 MPa vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 950 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A01 und die des Kernmaterials war A01.
Beispiel 4
Zu einer Mischung (100 Vol.-Teile) aus 80 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 10 Gew.-% CO-Pulver und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 5 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und 5 Gew.-% TiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm wurden Cellulose und Polystyrolglycol als organisches Bindemittel und Polyvinylalkohol als Lösungsmittel in der Gesamtmenge von 100 Vol.-Teilen gegeben. Diese Mischung wurde dann geknetet und zu einer zylindrischen Form extrudiert, unter Erhalt eines Kernmaterialformlings.
Auf der anderen Seite wurden zu einer Mischung aus 50 Gew.-% TiCN-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 13 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 7 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm und 19 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 mm, 6 Gew.-% Mo₂C-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und 5 Gew.-% VC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm, die gleichen organischen Bindemittel und das Lösungsmittel wie oben erwähnt gegeben. Diese Mischung wurde dann geknetet und extrudiert, unter Erhalt von 2 Hüllschichtformlingen mit einer halb geschnittenen zylindrischen Form. Diese beiden Hüllschichtformlinge wurden angeordnet, dass der äußere Umfang des Kernmaterialformlings beschichtet wurde, unter Erhalt eines Formlings.
Anschließend wurde dieser Formling gestreckt, unter Erhalt einer gestreckten beschichteten Faser und 100 Stücke der gestreckten beschichteten Fasern wurden gebunden und erneut gestreckt, unter Erhalt eines Verbundformlings vom Multifilament-Typ.
Dann wurde dieser Verbundformling vom Multifilament-Typ in 100 mm Länge abgeschnitten und parallel ausgerichtet, unter Erhalt eines Blattes. Diese 6 Blätter wurden so laminiert, dass die beschichteten Fasern in den benachbarten Blättern einen Winkel von 45° hatten unter Erhalt eines laminierten rechteckigen Parallelepipeds.
Danach wurde dieser laminierte Formling einer Bindemittel-Ausbrennbehandlung durch Erhöhen der Temperatur von 100 bis 700°C in 100 Stunden unterworfen. Dann wurde die Temperatur bei einer Temperaturerwärmungsrate von 2,5°C/min erhöht und bei 1300°C für 1 h im Vakuum gehalten, mit anschließendem 2stündigem Sintern bei 1450°C. Danach wurde die Temperatur bei 3°C/min gekühlt, unter Erhalt einer Konstruktion der beschichteten Faser.
Die Menge des freien Kohlenstoffes in der erhaltenen beschichteten Faser als Ganzes wird gemessen. Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial und die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung wurden gemessen, und die zuerst genannte war 0,01 Gew.-% und die zuletzt genannte war 0,1 Gew.-%.
Der Querschnitt der beschichteten Faser wurde beobachtet. Der Durchmesser des Kerns war 90 μm und die Dicke der Beschichtung war 5 μm. Keine Delamination wurde zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung beobachtet. Die restliche Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde durch Röntgenbeugung gemessen, es wurde festgestellt, dass die Kompressionsspannung von 230 MPa im Kernmaterial 2 vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 2500 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A02 und die des Kernmaterials A01.
Vergleichsbeispiel 2
Eine Konstruktion der beschichteten Faser wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 4 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Material für das Kernmaterial bei Beispiel 1 in eine Mischung von 85 Gew.-% WC Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 10 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm und 5 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm geändert wurde. Die gleiche Auswertung wurde durchgeführt und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten. Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial war 4,56 Gew.-%, und die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 2,00 Gew.-%. In dem Querschnitt der beschichteten Faser wurde eine große Anzahl von Delaminationen in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung beobachtet. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 500 MPa. Die Porosität der Beschichtung war C01 und die des Kernmaterials war C06.
Beispiel 5
Eine Konstruktion der beschichteten Faser wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Material für die Beschichtung in Beispiel 4 in eine Mischung aus 50 Gew.-% TiCN-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 10 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 7 Gew.-% Co-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 19 Gew.-% WC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 6 Gew.-% Mo₂C-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm, 5 Gew.-% VC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 μm und 3 Gew.-% TiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,0 μm geändert wurde. Die gleiche Auswertung wird durchgeführt und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial war 0,01 Gew.-%, und die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,01 Gew.-%. Die restliche Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde durch Röntgenbeugung gemessen, und es wurde festgestellt, dass die Kompressionsstärke von 200 MPa in dem Kernmaterial 2 vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 2600 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A00 und die des Kernmaterials war A00.
Beispiel 6
Ein laminierter Formling mit einer rechteckigen Parallelepiped-Form wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass (i) das Material für das Kernmaterial bei Beispiel 4 in eine Mischung aus 70 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,2 μm, 21 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 5 Gew.-% TiN-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 0,5 Gew.-% Y₂O₃ mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% MgO mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% CO₃O₄ mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm und 2,5 Gew.-% TiO₂ mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm geändert wurde, und dass (ii) das Material für die Beschichtung in Beispiel 4 in eine Mischung aus 84 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,2 μm, 12 Gew.-% ZrO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 0,5 Gew.-% Y₂O₃ mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% MgO mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% Co₃O₄ mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm und 2,5 Gew.-% TiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm geändert wurde.
Abschließend wurde dieser laminierte Formling einer Bindemittel-Ausbrennbehandlung durch Erhöhen der Temperatur von 100 bis 700°C in 100 Stunden unterworfen. Dann wurde die Temperatur bei einer Temperaturerwärmungsrate von 2,5°C/min erhöht und bei 1300°C 1 h im Vakuum gehalten, mit anschließendem 2stündigem Sintern bei 1600°C. Danach wurde die Temperatur bei 3°C/min gekühlt, unter Erhalt einer Konstruktion der beschichteten Faser. Die gleiche Auswertung wie bei Beispiel 4 wurde durchgeführt und die folgenden Ergebnisse erhalten.
Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial war 0,015 Gew.-% und die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,012 Gew.-%. Durch Messen der restlichen Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde festgestellt, dass die Kompressionsspannung von 250 MPa im Kernmaterial 2 vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 950 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A01 und die des Kernmaterials war A01.
Beispiel 7
Ein laminierter Formling mit einer rechteckigen Parallelepiped-Form wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass (i) das Material für das Kernmaterial bei Beispiel 4 in eine Mischung aus 92 Gew.-% Si₃N₄-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,2 μm, 6 Gew.-% Y₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 1,5 Gew.-% Al₂O₃ Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm und 0,5 Gew.-% Si-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm geändert wurde, und dass (ii) das Material für die Beschichtung bei Beispiel 4 in eine Mischung aus 90 Gew.-% SiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 6 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 3,5 Gew.-% Y₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm und 0,5 Gew.-% SiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm geändert wurde.
Anschließend wurde dieser laminierte Formling einer Bindemittel-Ausbrennbehandlung durch Erhöhen der Temperatur von 100 auf 700°C in 100 h unterworfen. Dann wurde die Temperatur bei einer Temperaturerwärmungsrate von 2,5°C/min erhöht und bei 1300°C für 1 h im Vakuum gehalten, mit anschließendem Sintern bei 1900°C für 2 h. Danach wurde die Temperatur bei 3°C/min gekühlt, unter Erhalt einer Konstruktion der beschichteten Faser. Die gleiche Auswertung wie bei Beispiel 4 wurde durchgeführt und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in in dem Kernmaterial war 0,01 Gew.-% und die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,012 Gew.-%. Durch Messen der restlichen Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde festgestellt, dass die Kompressionsspannung von 200 MPa im Kernmaterial 2 vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 950 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A01 und die des Kernmaterials A01.
Beispiel 8
Ein laminierter Formling mit einer rechteckigen Parallelepiped-Form wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass (i) das Material für das Kernmaterial bei Beispiel 4 in eine Mischung aus 67 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,2 μm, 21 Gew.-% TiC-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 5 Gew.-% TiN-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 0,5 Gew.-% Y₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% MgO-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 3,5 Gew.-% Co₃O₄-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, und 2,5 Gew.-% TiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm geändert wurde, und (ii) das Material für die Beschichtung in Beispiel 4 in eine Mischung aus 84 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,2 μm, 12 Gew.-% ZrO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 μm, 0,5 Gew.-% Y₂O₃-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% MgO-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm, 0,5 Gew.-% Co₃O₄-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm und 2,5 Gew.-% TiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,5 μm geändert wurde.
Anschließend wurde dieser laminierte Formling einer Bindemittel-Ausbrennbehandlung durch Erhöhen der Temperatur von 100 bis 700°C in 100 h unterworfen. Dann wurde die Temperatur bei einer Temperaturerwärmungsrate von 2,5°C/min erhöht und bei 1300°C 1 h im Vakuum gehalten, mit anschließendem 2-stündigem Sintern bei 1600°C. Danach wurde die Temperatur bei 3°C/min gekühlt, unter Erhalt einer Konstruktion der beschichteten Faser. Die gleiche Auswertung wie bei Beispiel 4 wurde durchgeführt und die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
Die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial war 0,016 Gew.-% und die Menge an restlichem freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung war 0,013 Gew.-%. Durch Messen der restlichen Spannung in der Grenzfläche zwischen dem Kernmaterial und der Beschichtung wurde festgestellt, dass die Kompressionsspannung von 260 MPa in dem Kernmaterial 2 vorhanden war. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit des Verbundformlings war 930 MPa. Die Porosität der Beschichtung war A01 und die des Kernmaterials war A01. Weiterhin wurde der Sauerstoffgehalt in dem intergranularen Phasenteil durch Energiedispersionsspektroskopie (EDS), die mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verbunden war, gemessen, und das Ergebnis war 90 ppm.

Claims

Beschichtete Faser mit einem Kern aus Keramik und einer Beschichtung aus einer zweiten Keramik anderer Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung C_in/C_out 0,1 bis 2 ist.
Beschichtete Faser mit einem Kern aus Keramik und einer Beschichtung aus einer zweiten Keramik anderer Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Kernmaterials und der Beschichtung nicht mehr als A04 oder B04 und der Anteil an freiem Kohlenstoff in beidem nicht mehr als C02 ist.
Beschichtete Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial zu freiem Kohlenstoff C_out in der Beschichtung C_in/C_out 0,5 bis 2 ist.
Beschichtete Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern durch Binden mindestens einer ersten Keramik, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden und Carbonitriden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, mit einem Bindemetall erhalten ist.
Beschichtete Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern mindestens eine Keramik, ausgewählt aus Oxiden, Carbiden, Nitriden, Carbonitriden und Boriden von Metallen der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al und Si, und ein Sinteradditiv enthält.
Beschichtete Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an freiem Kohlenstoff C_in im Kernmaterial nicht mehr als 1 Gew.-% ist.
Beschichtete Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugspannung in der Oberfläche des Kernmaterials nicht mehr als 200 MPa ist.
Beschichtete Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Carbide, Nitride oder Carbonitride eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von Al und Si sowie ein Bindemetall oder ein Sinteradditiv enthält.
Verbundmaterial, gekennzeichnet durch beschichtete Fasern nach den Ansprüchen 1 bis 8.
Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Faser mit folgenden Schritten: (a) Mischen von Pulver mindestens eines Carbids, Nitrids oder Carbonitrids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, und eines Bindemetalls oder Pulvers mindestens eines Carbids, Nitrids oder Carbonitrids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von Al und eines Sinteradditivs mit einem organischen Bindemittel und einem Pulver eines Metalls des mindestens einen eingesetzten Carbids, Nitrids oder Carbonitrids und Formen der Mischung zu Fasern, (b) Bilden eines Hüllschichtformlings anderer Zusammensetzung als die der Faser und Überziehen der Faser mit dem Hüllschichtformling und (c) Sintern der überzogenen Fasern, wobei der bei der Zersetzung des organischen Bindemittels entstehende Kohlenstoff mit Metallpulver reagiert.
Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Faser mit folgenden Schritten: (a) Mischen von Pulver mindestens eines Oxids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von SiO₂ mit einem organischen Bindemittel und mit einem Pulver eines Bindemetalls oder eines Sinteradditivs und Formen der Mischung zu Fasern, (b) Bilden eines Hüllschichtformlings anderer Zusammensetzung als die der Faser und Überziehen der Faser mit dem Hüllschichtformling und (c) Sintern der überzogenen Fasern, wobei die Metalloxide vor oder während der Sinterung carburiert und ggfs. nitridiert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) eine Wärmebehandlung bei 1000 bis 1500°C für 0,5 bis 5 h im Vakuum oder einer inaktiven Atmosphäre durchgeführt wird, so dass zumindest das Pulver mindestens eines Oxids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von SiO₂ einer Carburierung oder Nitridierung unterworfen wird, mit anschließendem Sintern bei 1300 bis 1900°C für 0,5 bis 5 h im Vakuum oder einer inaktiven Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) zumindest das Pulver mindestens eines Oxids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von SiO₂ durch Reaktion mit dem Rest des organischen Bindemittels, das in Schritt (a) verwendet wird, carburiert wird.
Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Faser mit folgenden Schritten: (a) Mischen von Pulver mindestens eines Oxids, Carbids, Nitrids oder Carbonitrids eines Metalls der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und von Al und Si und einem Metalloxidpulver aus der Eisenfamilie mit einem organischen Bindemittel und Formen der Mischung zu Fasern, (b) Bilden eines Hüllschichtformlings anderer Zusammensetzung als die der Faser und Überziehen der Faser mit dem Hüllschichtformling und (c) Sintern der überzogenen Fasern, wobei das Metalloxidpulver aus der Eisenfamilie vor oder während der Sinterung reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) eine Wärmebehandlung bei 1000 bis 1500°C für 0,5 bis 5 h im Vakuum oder in einer inaktiven Atmosphäre durchgeführt wird, so dass das Metalloxidpulver der Eisenfamilie reduziert wird, mit anschließendem Sintern bei 1300 bis 1900°C für 0,5 bis 5 h im Vakuum oder in einer inaktiven Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) das Metalloxidpulver der Eisenfamilie mit dem Rest des organischen Bindemittels, das in Schritt (a) verwendet wird, unter Oxidation des Restes umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Bindemittel in einer Menge von 30 bis 70 Vol.-% zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Hüllschichtformling überzogene Faser, erhalten in Schritt (b), gestreckt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß den Ansprüchen 10, 11 und 14 überzogenen Fasern des Verfahrensschritts (b) gestreckt werden, dass durch Binden der gestreckten Fasern eine Multifilamentstruktur hergestellt und dass diese Struktur erneut gestreckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemetall oder das Sinteradditiv aus einem Metall der Eisenfamilie mit einem Sauerstoffgehalt von 50 bis 1000 ppm zusammengesetzt ist.